Intel Haswell FIVR集成式調壓模塊詳解

    對於Haswell處理器，Intel在多個重要場合已經強調了它的重要之處，留給大家印象最深的恐怕是官方展示的GPU性能，GT3e都可以跟NVIDIA主流的GT 650M相提並論了。在核顯之外，Haswell最引人注目的地方就在於各種節能設計了。

　　今天這篇文章就來講講Haswell節能設計的一個重大基礎——調壓模塊VRM（Voltage Regulator Module，也有隻叫VR的）的變化，它的加入使得Haswell在功耗管理與控制上如虎添翼。

FIVR集成式調壓模塊：一片頂五片

Haswell之前的處理器與Haswell處理器的VR模塊的變化

　　在Haswell之前，整個處理器的VR模塊可以分為Core VR、Graphics VR、PLL VR、System Agent VR及IO VR，這五個VR模塊再加上Memory內存VR都是位於主板上的，Haswell將前面5個VR模塊整合成一個，並且集成到了CPU內部，主板上只留下Memory VR模塊。

　　這個集成式的VR模塊叫做FIVR（全集成式電壓調節模塊），之前也叫ISVR（Integrated Silicon Voltage Regulator），還有簡單叫IVR的，反正都是這一個東西。Intel研究這個FIVR已經有幾年的時間了，無所不能的IBM也研究過這個東西，只不過IBM興趣早就不在這些小東西上了，Intel最終在Haswell這一代處理器上集成了FIVR設計。

FIVR的實現：2.8mm²專用電路單元，最多320相 

FIVR有專用的Power Cell電路

　　FIVR把主板上的功能集成到了CPU內，這就需要CPU晶片單獨劃出一部分電路來控制。Haswell中，每個CPU內都有單獨的Power Cell電路，內有16相PWM電路，核心面積2.8平方毫米，每個處理器內最多可有20個Power Cell單元，最多320相供電，核心面積也會增加，按照20個cell來算這就是56平方毫米了，相對核心面積只有100平方毫米的CPU來說不小了。

　　當然，Intel官方公布的資料裡也沒具體說明Haswell處理器到底集成了多少個Power Cell單元，實際上不會有20個這麼多，從之前公布的測試來看，我覺得5個都算多了。

Power Cell架構：每路電流25A，開關頻率最高140MHz

電源模塊架構

　　據Intel所說，每個Power Cell單元實際上就相當於一個最小的VR電路（上橋MOSFET+驅動電路），支持通過電流25A（每相電路相當於1.56A），20個Cell電路就相當於500A電流，遠遠高於CPU正常所需的電流。此外，其開關頻率可達30-140MHz，這樣單純的數據沒有什麼意義，我們以技嘉主板的超耐久5用料中的IR3550 MOSFET，其開關頻率為1MHz，就算把最頂級的MOSFET算上，Haswell的Power Cell電路的開關速度都是它的30-100倍以上，而開關頻率越高，電流輸出就會越平穩。

Power Cell的電感值很低

　　最後，Power Cell中的每相電路的自身電感值只有17nH（納亨），而主板上使用的電感大都是R56或者R80的，電感值為0.56/0.80 uH（微亨），相當於560/800 nH。

　　需要注意的是，我們現在看到的這些FIVR模塊數據實際上都是基於90nm工藝製造的，也就是說如果Intel打算用更先進的製程工藝來生產Power Cell電路，那麼其核心面積還會進一步減小，性能也可以更高。

FIVR模塊的意義：更精確的供電控制，更高的能效

　　Intel不惜以增加核心面積和功耗的代價在Haswell處理器上使用FIVR模塊，這說明FIVR帶來效果肯定是利遠大於弊。通過FIVR，Haswell處理器的每個內核的的供電管理會更佳精細化，直接好處就是電壓波紋更低，能效更高。

集成電壓模塊的波紋只2mV左右

　　按照Intel的測試，FIVR的電壓波紋只有2mV左右，目前高端主板的波紋能做到10-20mV，一般的主板能做到50-80mV就不錯了，2mV的波紋絕對是驚人的水平。 

能效更高

　　傳統的設計中峰值最高效率也只有76%，FIVR可以輕鬆達到82%的水平。

對廠商來說，供電設計也可以簡化

　　Intel還對比了與主板上的VR模塊的體積問題，FIVR具備400A以上供電能力，傳統主板設計普遍是120A左右（實際上高端主板普遍是12相，每相電路一般認為30A供電能力，差不多也有400A的供電能力），而且FIVR的最大特色就是體積更小，二者完全不在一個量級上。

總結：主板供電大大簡化，FIVR代表未來

　　初看Intel的FIVR設計還以為它能取代主板上的PWM電路呢，實際上FIVR目前還不具備這個功能，因為它只是個高精度高精細化的調節模塊，還需要主板的PWM電路提供基本電壓調節。另外，Memory VR模塊還是獨立在主板上的。

　　但是FIVR的出現對主板供電電路要求大大降低，主板只需要提供基本的供電輸出就OK，以前動轍幾十相供電的主板在8系列主板中基本上不會多見（不排除還有少數純堆料的主板），再多相的主板供電其紋波也不可能達到2mV吧，高精度調節的工作就交給FIVR去做。

　　另一方面就是FIVR的精細化調節，讓系統更加省電。它能獨立調節每個內核、顯卡核心、SA系統助手以及內部的I/O總線等各個部分供電，不需要的部分就關閉掉。比如播放視頻，基本只要GPU解碼參與就行，FIVR通過精細化調節讓Ring-Bus總線全速運行，同時關閉CPU供電，這樣功耗會降低許多。

　　FIVR代表的是未來，更精確精細化的供電控制可以讓Intel更好地調控CPU核心或者整個處理器的功耗與發熱，可以實現哪裡不用關哪裡的效果，帶來更深層的C節能狀態。

　　有一種觀點認為FIVR集成到CPU內會增加處理器的功耗和發熱，比如Haswell桌面版的TDP從77W增加到84W、移動版從最高55W增加到57W就是一個證據，但是個人認為這種說法還有可商榷之處，Power Cell在90nm工藝下面積也只有2.8mm²，如果Haswell上這部分電路也是22nm 3D電晶體工藝，那麼核心面積和發熱會非常低，而TDP升高有可能是GT3/GT2核顯帶來的。

每個內核都可以獨立控制

　　目前的CPU內核電壓雖然是可以變化的，但是每個內核電壓都是一樣的，而FIVR及更先進的VR技術未來可以單獨控制每個內核的電壓，根據需要分配最優電壓，這就跟Silvermont架構上首次實現X86架構中的異步頻率運行差不多，而高通早就在旗下的移動處理器中實現了不同電壓不同頻率的異步運行模式，或許未來我們就能看到Intel的處理器具備類似的功能了。

http://mb.zol.com.cn/372/3726478.html mb.zol.com.cn true 中關村在線 http://mb.zol.com.cn/372/3726478.html report 4692     對於Haswell處理器，Intel在多個重要場合已經強調了它的重要之處，留給大家印象最深的恐怕是官方展示的GPU性能，GT3e都可以跟NVIDIA主流的GT 650M相提並論了。在核顯之外，Haswell最引人注目的地方就在於各種節能設計了。　　今天這篇文章就來講講Haswell...