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换个角度看电压显卡电压能耗平衡解析

发布时间:2020-02-11 05:52:05 阅读: 来源:衬塑设备厂家

太平洋仍然“太平”,黄石公园的冬日也依旧宁静,小行星同样完全没有光临地球的意思……尽管这个世界的平静让某些居心叵测的人大失所望,但“世界末日”的确就这么从我们身边不声不响的飘走了。伴随着末日的远去,我们在长出一口气的同时似乎也可以安心捡起一些末日之前没有做完的事了,比如说:您还记得末日那天我们一起进行的显卡电压与功耗的关系测试么?

在上周的测试中,我们为您展现了同负载、同频率的显卡在不同电压设置下所表现出的迥然不同的功耗情况。我们所选择的测试游戏及画质设置没有发生变化,测试场景也基本上遵循了精确可重复的原则,按理说只要频率不变,这样的测试过程应该不会带来多少波澜才对。但测试的结果却有些出人意料,我们仅仅是调节了一下核心电压参数,就让都快参测显卡在完全相同的负载和频率下呈现出了甚至是相差接近40%的巨大功耗差距。

“上水”降温这件事并不是所有人都会做出的主动选择

其实,类似的测试结果每天都在DIY圈中不断的重复着,更低电压的芯片一直都是“节能控”们追求的目标,但电压显然又不仅仅只是带来能耗的罪魁祸首那么简单。它对芯片究竟意味着什么,是什么因素导致了高功耗的出现,我们又该如何看待并尽可能降低电压带来的负面影响,这些问题的答案您了解么?

[Page: ]● 顽劣精灵——电子的隧道效应   半导体不同于常规导体,以我们日常所见的功耗=电压X电流这样简单的公式来解释半导体电压同功耗的关系是不正确的。事实上,在频率也就是开关动作次数不变的前提下,电压最显著影响并产生功耗的因素,是我们很熟悉却又有些陌生的半导体芯片重要问题——漏电。而要明白漏电同电压的关系,我们也许先要来一些关于量子力学的小小科普。

基本粒子在量子世界的图景

量子力学是一个神奇的领域,在这个领域里,“存在”和“位置”都不是实实在在的东西。比如说我们理解电子这玩意的时候,“它在哪里”以及“绝缘体不会让它通过”这两个概念需要被首先抛弃。在量子力学的世界里,只要电子的势能达到一定的等级,它就会有概率从先前所在的地方消失,并且出现在任何它想出现的地方,即便面前横着宏观上看似不导电的绝缘物质也是一样,所以宏观上“绝缘体被破坏性击穿前不导电”这种好像很绝对事,在量子世界里就显得没那么绝对了。电子在半导体芯片中经常会发生从靠近绝缘层内测的地方消失,然后出现在几个到十几个纳米之外的绝缘层外测的现象,这一过程完全不会破坏绝缘层本身的结构,因为这样的过程看上去就像是电子在绝缘体中打了一条可以让自己通过的隧道一样,所以被称作隧道效应。

电子穿透绝缘体的隧道效应

隧道效应充分体现了量子世界的神奇,电子不再是实实在在的存在,它变成了一个古灵精怪的小精灵,可以淘气的消失然后出现在我们意想不到的地方,这种效应对于许多应用领域都有着重要的作用和意义,但对于半导体工业而言,隧道效应却让电子变成了不折不扣的“顽童”。伴随着隧道效应,电子可以从栅极内起绝缘作用的栅氧层内测跳脱到外侧的硅基体内部,一旦来到这里,电子的行为就不再受人们的控制,在硅基体中的穿行以及由此伴生的感生电流就形成了我们熟悉又痛恨的东西——漏电。

黄色区域即为绝缘但被击穿的栅氧层

漏电问题是困扰着进入深亚微米屏障之后的半导体业界的最核心问题之一,它对芯片工作没有任何意义,但却又完全不可避免。当刻线宽度不断下探之后,栅极下方的栅氧层的厚度/等效厚度(EOT)就会伴随着整个栅极尺寸的缩减而不断地变薄,这种厚度的减薄让栅氧层对电子的容纳能力快速的衰减下去。隧道效应是一个距离反比效应,距离越长发生的概率就越低。于是在工艺日渐精进的当下,电子变得比过去更容易完成从一侧消失然后出现在另一侧的过程,而这一过程的背后推手,就是电压。

隧道效应概率问题的研究公式

上面这组看上去有些像“鬼画符”的公式来自薛定谔方程的展开和推论,它描述了隧道效应发生的概率,其中的T便是这一概率的数值。我们无需理会难以理解的中间过程,只需要抓住其中对我们有用的重点即可——隧道效应发生的概率与电子势能/绝缘体势能之差成近似指数比例,而电子的势能通常又正比于电压,所以我们可以获得这样一个结论:电子发生隧道效应并形成漏电的概率,近乎指数级的受到了来自电压的影响。我们甚至可以以“莫名其妙的坚定”来得到更加简单的结论——只要提升一点电压,跟运算没有任何关系的漏电就会“嗖嗖嗖”的膨胀起来,芯片同负载同频率下的功耗也就跟着水涨船高了。

[Page: ]● 电压有害无益?

电压真是一个让我们又爱又恨的存在,它会加剧电子的“顽劣”,让电子变得更容易越过绝缘层并形成漏电。从这个角度出发,电压无疑是芯片能耗控制的一大障碍。但另一方面,我们毫无疑问的又不可能离开电压,因为电压对芯片正常运行的保障作用是人尽皆知的最简单的事实。

晶体管的工作离不开电压

晶体管的“开闭”动作来实现与非门的过程,本质上其实是电子流入/停留/流出的过程,驱动这一过程的最基本要素就是电压。只有当电压达到一定大小时,电子才会在半导体中发生我们需要的定向移动。晶体管的动作速度越快,频率越高,所需要的驱动电压也就越高。所以电压是半导体电路工作尤其是高频工作的最本质基础,这一点甚至无需任何科普。

即便受影响相对较小的HD7950,也产生了36.8%的功耗波动

但无论是我们的科普还是上周的测试结果,都毫无疑问的给这位半导体电路工作的基础决定要素打上了“麻烦制造者”的烙印。我们的测试仅仅改变了平均15%的电压,却换来了近40%的功耗变动,甚至如果我们进一步提升工作电压,隧穿漏电所导致的功耗增量还会以更加明显的增速快速上扬。这种不正常的非线性增量不仅再次说明了隧道效应产生影响的严重性,更让电压的处境变得微妙起来。

一边是运行中的必须,一边却是无用的多余,围城的好戏难道又要上演了么……

[Page: ]● 平衡才是关键   现在,我们似乎陷入了一个矛盾的境地。一方面,电压是导致漏电产生以及拉升相同负载下显卡功耗的罪魁祸首,它会导致显卡产生“完全没有意义”的功耗。而另一方面,电压却又是维持芯片工作频率的重要因素。极端有用和完全没用两个并行的存在,似乎让我们的抉择变得异常困难了。

其实,事情并不想看起来那么困难,只要我们明白自己到底需要什么,选择同样会变得很轻松。任何事物都同时具备着积极和消极的一面,具体表现出哪一面的属性要看我们让它出现在哪里。让正确的事物在正确的时间里出现在正确的场合并解决最需要解决的矛盾,我们自然后可以收获事物正确积极的一面属性,电压也不例外。

对中低端显卡来说,性能也许比功耗更重要

我们首先要明确的一点,就是自己究竟需要的是什么,是高频、帧数或者需要被补足的性能?还是使用过程中的功耗、发热以及噪音表现?如果我们需要的是前者,那么矛盾自然就是性能而非功耗,此时我们所需要的自然也就是电压对高频晶体管的驱动属性。更高的电压虽然会让漏电变得更加严重,但它并不是矛盾的主体,为了性能需求,我们也只能通过改善散热等手段来平衡伴随电压升高而带来的诸多麻烦了。

如果很幸运的,我们正在使用的显卡完全可以在默认状态下满足自己的需求,那么电压作为驱动晶体管高频运作的属性也就变得不再那么紧迫了。如果您希望控制显卡的功耗,降压是一个非常理想的手段。更低的电压不仅可以大幅降低隧道效应发生的概率,同时还会显著降低热电子迁移现象的发生,因为在热电子迁移现象中,电压驱动电子气体冲击晶格的作用是远大于温度因素的。因此,降低电压不仅能够缓解功耗和发热问题,同时还可以进一步起到保护电路并等效延长芯片寿命的目的。

在稳定的前提下,降压使用对芯片是有好处的

正因为此,在讨论降压是否有害的问题时,我们可以给出一个相对肯定的答案——只要降压幅度控制在芯片能够相对稳定运行的范围内,降压操作对芯片本身而言是有百利而无一害的。至于降压的幅度,受限于芯片质量及批次所导致的随机性,我们无法针对每一颗芯片能够正常运行的最低电压问题都给出一个确切的答案,但根据我们测试的结果,大部分GPU芯片都能够承受0.05V~0.1V的核心电压下调。如果您希望以降压为手段来降低显卡的功耗,不妨以此为起点进行调整。当然,需要特别注意的是,由于GPU Boost和AMD Boost在一定程度上接管了对电压的控制工作,因此支持这两种技术的产品在目前很难进行电压的下调工作。

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