| Новые программы oszone.net |  |
В первой части статьи показано наличие помех в цепях распределения питания современных процессоров, генерируемых ими в процессе работы, и подтверждено их наличие конкретными примерами. Показана физическая суть процессов. Ниже рассмотрено, почему не работают принятые схемы и предложены два пути решения проблемы первый для пользователей и второй для производителей. Фильтрация напряжения питания для электронных устройств различного назначения всесторонне исследована и рассмотрена во множестве источников. Рассмотрены так же и дополнительные элементы цепей фильтрации, встроенные непосредственно в аналоговые и дискретные устройства. Причем у каждого из них были свои специфические задачи. Так у фильтров источников питания задача обеспечить необходимую фильтрацию напряжения питания для заданных параметров нагрузки, а дополнительных фильтрующих элементов (встроенных фильтров устройств) задача обеспечить устойчивую работу этих устройств. Применительно к устройствам с низкой степенью интеграции они работают нормально. Возникает вопрос – почему существующие методы не позволяют обеспечить качественную фильтрацию сейчас? За историю развития дискретной техники просматривается тенденция, которая показывает что, несмотря на снижение размеров транзистора, обусловленное снижением технологических норм с 3 мкм до 90 нм, неизмеримо выросло число транзисторов на одном чипе с 0,029 миллионов в 1981 году до 200 миллионов в 2005 году. Так при снижении площади занимаемой транзистором в 1000 раз, их число возросло более чем в 6000 раз, а мощность тепловыделения на кристалл возросла почти в 100 раз. Имеет место опережающий рост числа транзисторов. Дальнейшие тенденции развития процессоров по прогнозам не изменятся. Одновременно, несмотря на ужесточающиеся ограничения на нормы проектирования СП, новые схемные решения и другие принимаемые меры, растет мощность генерируемых этим классом интегральных схем помех – Pп. Процессор как источник помех характеризует его эквивалентное внутреннее сопротивление Ri генератора помех. Современные высокопроизводительные процессоры, как было показано в первой части http://oszone.net/display.php?id=3185, отличаются в первую очередь повышенной мощностью генерируемых помех, а соответственно и малым Ri генератора помех. Причем если рассмотреть порядок изменения этих параметров за приведенный выше исторический промежуток, то в восьмидесятые годы Ri имело величину порядка десятков Ом, а в 2005 году Ri упало много ниже 0,1 Ома. Причем, следует отметить, Ri зависит не только от модели процессора (его структуры, организации и внутренних циклов процессора), но и от алгоритмов работы программного обеспечения – далее ПО (часто даже от применяемого вида ПО). Чтобы понять, почему снизилась эффективность фильтров, рассмотрим работу звена параллельного RiCn фильтра. Частота среза такого фильтра определяется из равенства: Ri = Xc = 1/ ωCn = 1/2π f Cn Отсюда видно, рабочая полоса частот такого звена тем меньше (выше f), чем меньше Ri. Именно поэтому для современных высокопроизводительных процессоров, у которых Ri мало и имеет тенденцию к снижению, возникли проблемы. А дополнительные фильтры в виде керамических конденсаторов, установленных на корпусе процессора, решают проблемы только самого процессора, да и то частично. Так реальная частота среза дополнительного звена фильтра, устанавливаемого на процессоре, имеет величину в районе гигагерца, а это значит, что он фильтрует только частоты обусловленные фронтами импульсов переключения, другими словами только несколько растягивает фронты. Эти не отфильтрованные помехи, кроме всех уже перечисленных в первой части эффектов, поглощаются оксидными конденсаторами, нагревая их до недопустимых температур. Есть несколько путей решения проблемы, так для знатоков компьютерного железа и любителей паяльника: 1.Самое простое решение - это поступить так, как поступила ГК «Формоза» - поставить в фильтр танталовые конденсаторы, или любые другие идеальные (с приближающимися к нулю потерями), в результате они перестанут перегреваться и лопаться, но они не идеальны, как не идеальны процессоры, системные платы и процессор все равно генерирует помехи. По законам физики ничего никуда не пропадает и ниоткуда не появляется, а что касается энергии, то она может только переходить из одного вида в другой. В данном случае уменьшение доли энергии широкополосных помех, переходящих в тепло, приводит к возрастанию их напряжения на линии распределения питания, а именно к тому, с чем мы пытаемся изначально бороться. 2.Применение описанного в первой части решения, позволяет снизить температуру нагрева оксидных конденсаторов. Рабочая температура оксидного конденсатора напрямую определяет их долговечность. Для примера – ОК с малым ESR фирмы JARO Components Inc. при температуре 105°С имеют ресурс 2000часов, а при превышении ресурс не гарантируется. Это замена малогабаритных оксидных конденсаторов с малым ESR на такие же конденсаторы большего размера. Например, замена ОК 1500х6,3 v на аналогичные 2200х16 v. Если первый в режиме принудительного охлаждения (мы знаем, что ОК устанавливаются в зоне обдува кулера процессора) рассеивает порядка 1,5-2,5 Вт, то второй уже порядка 3-5 Вт. Увеличение площади поверхности позволяет повысить эффективность теплообмена с поверхности, чем снизить их температуру. Снижение температуры увеличит их ресурс, по крайней мере, в 10-15 раз и предотвратит разрушение в дальнейшем. 3.Если не задаваться целью, полностью подавить помехи, а только защитить ОК фильтра, то достаточно включить параллельно ближайшему по схеме к процессору оксидному конденсатору, керамический конденсатор (далее КК) емкостью несколько микрофарад, как это было описано в [Л.1]. Следует учитывать, что питание современных процессоров осуществляется по нескольким линиям. Для определения, где надо включить КК надо просто померить температуру ОК и включить КК там, где температура превышает 60-80°С . Это решение работает только до определенного уровня мощности генерируемых процессором помех. А для производителей СП, все выше перечисленные рекомендации не решают проблему помех кардинально, поэтому не решают проблемы нагрева ими элементов конструкции СП и другие. Для кардинального подавления помех, придется переработать конструкцию линий распределения питания и фильтров, для этого необходимо выполнить сквозной расчет широкополосного многозвенного фильтра, где каждое звено работает в заданном диапазоне частот, не разделяя его на фильтр питания и дополнительный фильтр процессора, как это предложено в [Л.3]. Зная характеристики генерируемых процессором помех можно выполнить оптимизированный расчет фильтра, а если известна только мощность этих помех, рассчитывается избыточный фильтр и в обоих случаях можно однозначно рассчитать число необходимых звеньев фильтра. Применение его позволит решить проблемы, описанные в первой части, снизить требования к линиям распределения питания, решить другие проблемы выходящие за предмет рассмотрения этой статьи и облегчить оверклокерам их эксперименты. Пока же не удалось достучаться ни до одного производителя СП и процессоров, но это уже другая проблема. Описанные здесь решения позволят Вам оживить свои СП и дать им возможность еще потрудиться на Вас, тем более что часто это хорошо разгоняемые, скоростные СП. Но самое главное его применение универсально. Современные скоростные видеопроцессоры имеют те же проблемы. Плохая фильтрация увеличивает шумы и проникновение сигналов между каналами звуковых карт, как стерео, так и 3 D звука. И даже современные скоростные модули памяти требуют усиления внимания к фильтрации их напряжения питания и здесь тоже применимо предложенное в [Л.3] техническое решение. Такого же внимания требует и северный мост из набора микросхем обеспечивающих работу процессора, рост скоростей обмена с памятью и новая скоростная шина PCI- Express требуют этого. Сейчас, когда идут бои с многомиллионными затратами, за 5-10% производительности рассматриваемых устройств и когда эти проценты требуют много меньших затрат, грех не воспользоваться новым техническим решением. И тогда возможно 4 гигагерцовый Pentium уже не будет чем-то недостижимым. А нам это даст возможность спокойно работать, не задумываясь о технических проблемах производителей СП и экономить свои деньги. Литература:
Теги:
Комментарии посетителей
Комментарии отключены. С вопросами по статьям обращайтесь в форум.
|
|
