為什麼最新的CPU中全整合電壓調節模組FIVR又回來了?它帶來什麼好處?

語言: CN / TW / HK

Intel早在第四代CPU架構(Haswell)就引入了全整合電壓調節模組(Fully Integrated Voltage Regulator,以下簡稱FIVR)。第一代FIVR技術儘管帶來不少好處,但並不成熟,在Broadwell堅持了一代之後,就在第六代CPU(Skylake)中取消了。這其中的原因較多,但最重要的是FIVR帶來的發熱問題。

就在大家以為FIVR就此銷聲匿跡之時,Intel在10nm的第一代CannonLake中重新引入了FIVR。儘管CannonLake出貨量極小,是個失敗的產品,但第二代FIVR技術卻由此證明了自己不再受散熱問題困擾。在大量出貨的真正意義上的10nm Icelake平臺上,FIVR不但站穩了陣腳,並開枝散葉,南橋PCH的電壓調節模組也被整合到橋片中了,就是說PCH也採用了FIVR技術。從此FIVR廣泛發展起來,在最新的一代Intel CPU TigerLake晶片中,採用了第三代FIVR技術;不僅如此,AMD的全線CPU也採用了FIVR技術。

那麼什麼是FIVR技術?它的廣泛推廣能給我們帶來什麼益處?

什麼是FIVR?

全整合電壓調節模組FIVR這裡的“全整合”,是相對於傳統電壓條件模組(VRM)來說。VRM(Voltage Regulator Module, 電壓調節模組)是Intel提出來的標準,以期規範主機板電氣特性和CPU和VRM的通訊協議。

圖片出自參考資料3

VRM負責將8/4 pin的CPU 12V供電轉成CPU的低電壓輸入。最新的VRM已經是11.1了,可以在Intel官網上下載到。關於它可以詳見這篇文章:

看到VRM有spec,有些人認為它是一個模組,實際上它是由幾部分組成的:

圖片出自參考資料3

包括MOSFETs,Chokes(電感), 電容和PWM晶片。 PWM晶片實現了VID==>電壓的邏輯,常見的是ISL6334,支援VRM 11.1標準。

除了CPU的VRM,還有很多其他VR,尤其是CPU旁邊的VRM,一般至少五組,CPU被它們的電容和電感僅僅包圍,這些電容和電感的多寡和好壞也是眾多DIY選擇主機板的重要依據:

第一代FIVR將五組VR整合到了CPU裡面,只在主機板上留下了為記憶體服務的VR:

而這個僅有的VR,也會因為DDR5在DIMM上引入了PMIC後而被整合。

需要澄清一下VR被整合到CPU中,並不是電源上面的12V電源直接連到CPU上了。實際上主機板上VRM還是需要的,整個供電過程分為兩步:第一步,主機板上12V的電源通過VRM轉換成1.8v,供給CPU;CPU裡面的FIVR將1.8V轉換成0.6V到1.3V不等的各種power rail供給CPU內部的不同部分。整個過程如下圖:

所以在Icelake和Tigerlake的主機板上,在CPU旁邊我們還會看到不少顯現的電容和電感(只不過少了一些),它們還是在孜孜不倦的為CPU提供乾淨穩定的電力:

看到這裡不少同學可能有些疑問,“主機板上碩大的電容和電感都整合到CPU中,可能嗎?我怎麼沒看到呢?”

FIVR在哪裡?

如我們前面所述,VRM至少包括三個部分,電壓轉換邏輯、電感和電容。在FIVR中,他們都被整合在CPU中,是不是很神奇?注意我們這裡說CPU,實際上CPU是指整個CPU package,FIVR這三部分,分別分部在CPU的CPU Die中、CPU底座中和CPU底座上。

電壓轉換邏輯被整合在CPU Die中,採用最新的工藝,它能提供極快的切換效率。電感比較有意思,在CPU基板substrate中,Intel設計了各種金屬構型,來達到不同的電感效果:

來源:參考資料2
來源:參考資料2

形狀奇怪,有十數種之多。我們甚至可以在CPU下面看到它們,我們的題圖CPU上就有:

紅框中就是電感

而筆電CPU,為了更薄,一般的基板設計不了電感,還另外增加了一塊:

是不是奇怪的知識又增加了?

FIVR的電容複雜一些,為了給快速切換頻率時電壓變化提供及時電流響應,在CPU的Die中,集成了MIM(metal-insulator-metal (MIM))電容,它利用CPU Die中兩層金屬層,中間夾雜一層絕緣層來達到電容效果:

Intel eDRAM中的MIM電容

它和CPU下面的小塊,也是電容( 老狼:CPU底部的小塊是幹什麼用的?為什麼CPU這麼多電源引腳? ),加上主機板上的電容,在三個層面上給CPU提供乾淨和流暢的電力。

FIVR的好處

FIVR顯而易見的好處是能夠節省整體BOM成本。儘管它讓CPU成本變高,但FIVR讓主機板設計變簡單,減少了主機板上的元器件。那麼那部分更多呢?據統計,CPU因為FIVR,成本上升1.5美金,而主機板BOM成本下降4.5美金。整體擁有成本下降3美金!什麼,3美金太少,你不差錢?當我沒說。

電感被整合到CPU package的基板上,離CPU目標更近了:

來源:參考資料1

注意我紅框和綠框標出的部分。這調節電壓部分離Die更近,變換電壓更加迅速,有Performance的好處;同時轉換效率更高,更加省電。

電容更是整合到了CPU Die中,加上最新制程的電壓轉換邏輯,讓FIVR轉換頻率從傳統的1MHz直接變成140MHz,直接提高了兩個數量級。這讓CPU在做主頻轉換的時候(PState、Turbo Mode),可以更快的切換主頻,也就是升頻更快,降頻也更快,從而提高效率和省電。

FIVR還提供更多的Power rail,和更多的相位,和PCU結合,能夠更好更細顆粒度的管理CPU的整體耗電。據Intel在Haswell統計,電源效率能夠提高50%(參考資料1)。

結論

FIVR王者歸來,不但在Client中應用,也在Server中應用;不但Intel使用,AMD也用。也是在主頻之路碰到天花板之後,晶片廠商更多的將經歷放在了精細化管理,以提高每瓦效能,FIVR就是其中重要的一步。

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參考

  1. FIVR – Fully Integrated Voltage Regulators on 4th Generation Intel® Core™ SoCs
  2. Package Inductors for Intel Fully Integrated Voltage Regulators