无电不欢

张平

对电源供电的需求，在功耗1W的智能手机处理器和200W级别的高性能服务器处理器上同样存在，甚至对功耗高达15kW的处理器也是如此。为了保证处理器能够运行在设计频率下并发挥正常性能，现代处理器中的每个晶体管和相关电路都需要运行在合适的电压下。如果电压太低，那么處理器的速度就会降低，数据计算可能会出错，这会影响处理器的稳定性，甚至出现故障。

由于硅的特性，在现有工艺下处理器大多工作在1V左右的电压下。如果采用FinFET或者其他先进技术的处理器，额定电压范围一般在650mV～1.2V之间。创新的电路设计可以使用接近晶体管阈值电压的电源电压，英特尔近期产品采用的阈值电压证明了这一点。一个非常重要的技术特性是：开关电路（比如处理器）的功耗与电压的平方成正比，因此降低电压对提升能耗比效率非常关键。这会导致一个两难的情况：电压需要足够高以避免出错，但是又不能太高，这样会导致功耗无法控制。

另外在1V左右的电压下，如何处理如此巨大的电流也是一个难题。目前高端服务器处理器的功耗在200W左右，这意味着处理器和相关配套电路需接受200A的电流才能正常工作。当然对现代处理器而言，由于不同的电压域和电源域的存在，实际情况还要复杂很多。但有一个数据是非常明确的，就是在功耗基本不变的情况下，降低电压意味着增大电流。如果将200W处理器的工作电压降低至0.75V，那么相应的工作电流则会提升至267A。……