CPU 코어 전압

CPU 코어 전압(영어: CPU core voltage, V_CORE)은 CPU (즉, 디지털 회로), GPU 또는 처리 코어가 있는 기타 장치의 처리 코어에 공급되는 전원 공급 장치 전압이다. CPU가 사용하는 일률의 양, 따라서 방출하는 열의 양은 이 전압과 CPU가 끌어오는 전류의 곱이다. CMOS 회로인 최신 CPU에서 전류는 클럭 속도에 거의 비례하며, CPU는 클럭 주기 사이에 거의 전류를 끌어오지 않는다. (서브스레시홀드 누설을 참조)

전원 절약 및 클럭 속도

전원을 절약하고 열을 관리하기 위해 많은 랩톱 및 데스크톱 컴퓨터 프로세서에는 소프트웨어(일반적으로 운영체제)가 클럭 속도와 코어 전압을 동적으로 조절하는 데 사용할 수 있는 전원 관리 기능이 있다.

종종 전압 조정기 모듈은 전원 공급 장치 (컴퓨터)에서 들어오는 12V와 같은 전원 입력을 프로세서가 요청하는 전압으로 변환한다.

코어 전압은 낮아지는 추세이며, 이는 전력을 절약한다. 이는 CMOS 설계자에게 과제를 제시하는데, CMOS에서는 전압이 접지와 공급 전압으로만 가고, FET의 소스, 게이트 및 드레인 단자에는 공급 전압 또는 0V만 걸리기 때문이다.

MOSFET 공식: ${\displaystyle \,I_{D}=k((V_{GS}-V_{tn})V_{DS}-(V_{DS}/2)^{2})}$에 따르면 FET가 공급하는 전류 ${\displaystyle I_{D}}$는 게이트-소스 전압에서 문턱 전압 ${\displaystyle V_{tn}}$을 뺀 값에 비례하며, ${\displaystyle V_{tn}}$은 FET 채널과 게이트의 기하학적 모양 및 물리적 특성, 특히 전기 용량에 따라 달라진다. ${\displaystyle V_{tn}}$을 줄이려면(공급 전압을 줄이고 전류를 늘리기 위해 필요) 전기 용량을 늘려야 한다. 그러나 구동되는 부하는 다른 FET 게이트이므로 필요한 전류는 전기 용량에 비례하며, 따라서 설계자는 전기 용량을 낮게 유지해야 한다.

따라서 낮은 공급 전압을 지향하는 추세는 높은 클럭 속도라는 목표에 반한다. 포토리소그래피의 개선과 문턱 전압의 감소만이 두 가지를 동시에 개선할 수 있게 한다. 또한 위에 표시된 공식은 긴 채널 MOSFET에 대한 것이다. MOSFET 면적이 18~24개월마다 절반으로 줄어들면서(무어의 법칙) 채널 길이로 불리는 MOSFET 스위치의 두 단자 사이의 거리가 점점 더 작아지고 있다. 이는 단자 전압과 전류 간의 관계의 본질을 변화시킨다.

프로세서를 오버클럭하면 시스템 안정성을 희생하면서 클럭 속도가 증가한다. 더 높은 클럭 속도를 견디려면 전력 소비 및 열 방출을 희생하면서 더 높은 코어 전압이 필요한 경우가 많다. 이를 "오버볼팅"이라고 한다.^[1] 오버볼팅은 일반적으로 프로세서를 사양 외로 작동시키는 것을 포함하며, 이는 프로세서를 손상시키거나 CPU 수명을 단축시킬 수 있다.

듀얼 전압 CPU

듀얼 전압 CPU는 분할 레일 설계를 사용하여 프로세서 코어가 더 낮은 전압을 사용할 수 있도록 하는 동시에 외부 입출력 (I/O) 전압은 하위 호환성을 위해 더 높은 전압을 유지한다.

단일 전압 CPU는 칩 전체에 단일 전원 전압을 사용하여 I/O 전원과 내부 전원을 모두 공급한다. 펜티엄 MMX 이전의 모든 CPU는 단일 전압 CPU이다.

듀얼 전압 CPU는 클럭 속도 증가와 더 미세한 반도체 제조 공정으로 인해 과도한 열 발생과 전원 공급 문제가 발생했을 때, 특히 랩톱에서 성능 향상을 위해 도입되었다. 전압 조정기를 사용하여 외부 I/O 전압 레벨을 더 낮은 전압으로 변환하여 전력 소모를 줄였고, 이는 더 높은 주파수에서 작동할 수 있는 능력에 대해 더 적은 열을 발생시켰다.

VRT는 구형 인텔 P5 펜티엄 프로세서의 기능으로, 일반적으로 모바일 환경에서 사용하기 위한 것이다. 이는 코어 전압 공급을 I/O 전압에서 분리하는 것을 의미한다. VRT 프로세서는 3.3V I/O와 2.9V 코어 전압을 가지므로, I/O 및 코어 전압이 모두 3.3V인 일반 펜티엄 프로세서에 비해 전력을 절약한다. 모든 펜티엄 MMX 및 이후 프로세서는 이러한 이른바 분할 레일 전원 공급 장치를 채택했다.

다중 전압 CPU

CPU 코어 전압 외에도 최신 CPU는 구성 요소에 대해 여러 가지 다른 전압을 갖는 경우가 많다. 그 이유 중 하나는 최신 CPU가 한때는 별개의 집적 회로(IC)였던 수많은 구성 요소를 통합했기 때문이다. 반도체 기술이 발전함에 따라 CPU 코어, 메모리 컨트롤러, PCIe 컨트롤러, 그리고 일부 경우 통합 그래픽과 같은 기능이 단일 CPU 패키지로 통합되었다. 그러나 트랜지스터 크기가 전반적으로 감소했음에도 불구하고 모든 전압 요구 사항이 비례적으로 축소되는 것은 아니다. CPU 내의 일부 구성 요소는 효율적으로 작동하기 위해 여전히 더 높은 전압을 필요로 할 수 있으므로, 다양한 구성 요소에 효과적으로 전원을 공급하기 위해 여러 전압 레벨을 사용해야 한다.

최신 CPU의 다양한 전압의 몇 가지 예:

• 코어 전압 (Vcore): CPU 코어에 직접 공급되는 주 전압
• 캐시 전압 (Vcache): 일부 CPU는 L2 캐시에 대해 별도의 전압 도메인을 갖는다.
• 언코어 전압/시스템 에이전트 전압 (VCCSA): 일부 아키텍처에서 "언코어"는 L3 캐시, 메모리 컨트롤러 및 시스템 에이전트와 기타 상호 연결된 구성 요소를 포함한다.
• 입출력 전압 (VCCIO): 이 전압은 일반적으로 메모리 컨트롤러 및 PCIe 인터페이스를 포함하여 CPU의 입출력 인터페이스를 제어한다.
• PLL (위상동기회로) 전압: PLL은 CPU의 구성 요소에서 사용되는 주파수를 생성한다.
• 통합 그래픽 전압 (VGT): 통합 그래픽을 갖춘 CPU는 GPU 부분에 대해 별도의 전압 도메인을 가질 수 있다.

같이 보기

• 동적 전압 스케일링
• 스위치 모드 전원 공급 장치 응용 프로그램 (SMPS)