Schede madre

VRM (Voltage Regulator Module), cos’è e come funziona

I VRM (Voltage Regoulator Module) sono una parte fondamentale del mondo dei computer e in questa guida, semplificata per rivolgersi a un pubblico più ampio possibile, andiamo a spiegarvi cosa fanno e come funzionano. Partiamo dal loro scopo: si occupano di fornire al processore un voltaggio adatto al suo funzionamento. Se, ad esempio, si imposterà da BIOS la tensione di 1,25V sarà compito dei VRM fornire quella determinata tensione. È dunque un componente cruciale, visto l’importante lavoro svolto.

Tanto per cominciare i VRM si dividono in quelli dedicati al Vcore (ovvero quelli destinati direttamente al processore) e, nel caso di SoC AMD (ovvero System On a Chip, si tratta dunque di una sezione unica per tutto il Southbridge inserito nel processore e la GPU integrata), mentre Intel suddivide il tutto in VGPU (per la GPU integrata), VCCIO (per l’IMC, ovvero il Memory Controller) e VCCSA (per il System Agent, particolarmente utili nel caso si volesse effettuare l’overclock del BCLK).

Ricordiamo che le RAM hanno i loro VRM a parte, posti accanto agli slot DRAM. Per quanto in molti pensino che le fasi di alimentazione siano composte esclusivamente da quei “quadratini” che vedete sulla scheda madre, in realtà, non è così. Queste si compongono infatti di diversi componenti che andremo ora ad elencare:

Controller PWM

Partiamo dal presupposto che un controller PWM non può gestire da solo più di 8 fasi reali senza ricorrere a sistemi di sdoppiamento eccetto in rarissime eccezioni (generalmente sono schede madre riservate al settore server, anche se alcune X570 stanno iniziando ad introdurre questo tipo di controller nel mercato consumer, ad esempio Gigabyte con la sua X570 Master Xtreme ha ufficialmente inserito un controller da 16 fasi).

Questo ha il compito di comunicare al resto dei componenti la tensione da erogare per la CPU e quello di regolare l’accendersi e lo spegnersi costante dei MOSFET tramite un segnale detto “PWM Signal” e di gestirne la velocità detta “Switching Frequency”. Se il controller è di qualità elevata il segnale da lui emesso sarà migliore e la regolazione della tensione verrà effettuata con maggiore precisione. In molti casi è preferibile un controller migliore ad una fase extra.

Nei casi dei controller digitali la Switching Frequency è impostabile manualmente da BIOS in un range di valori predefinito che, normalmente, va dai 350-500 KHz. Più la velocità di accensione e spegnimento dei vostri carissimi amici MOSFET sarà elevata, più la tensione erogata al vostro processore sarà precisa e stabile, ma, allo stesso tempo, aumenterà il valore di “current loss” ovvero la dispersione termica dei MOSFET nell’atto di accendersi e spegnersi.

Di conseguenza questi raggiungeranno temperature più elevate che potrebbero ridurre la vita della vostra scheda madre o, nel caso eccedano di troppo e non vi sia un sistema di protezione dalle alte temperature, ucciderla in breve tempo. Ci sono moltissimi altri vantaggi portati dall’avere un controller digitale rispetto ad uno analogico e, quello che più di tutti merita di essere spiegato, è sicuramente la Load Line Calibration (LLC).

Il vDroop. Di cosa si tratta?

Per spiegare correttamente cos’è e come funziona l’LLC, devo prima introdurre brevemente anche il concetto di vDroop. Spesso, girovagando per forum, chat e vari altri luoghi mistici, si incontrano persone che criticano la propria scheda madre perché, una volta dato un carico elevato alla CPU, la tensione di questa scende sotto i valori preimpostati dal BIOS. Ebbene, in realtà è una cosa del tutto normale e prevista dalla vostra motherboard: si tratta infatti del vDroop.

Il vDroop è una misura di sicurezza introdotta da Intel che va a ridurre la tensione man mano che la CPU consuma più corrente: facendo un esempio, impostando la tensione ad 1,25v da BIOS il vostro processore funzionerà con la suddetta tensione solo quando si troverà senza alcun carico (già quando si trova in idle solitamente cala leggermente) per poi avere dei cali piuttosto netti (poniamo 1.2-1.17) quando viene messo sotto sforzo.

Questa tecnologia è stata introdotta per essere certi che la CPU non ecceda mai i limiti di tensione impostati dal BIOS, infatti mentre il processore si trova sotto carico si avrà un aumento costante del ripple fino alla fine dello stato di carico che terminerà con un picco di tensione. Grazie al vDroop si riesce a tenere sotto controllo questa fase facendo calare la tensione ed evitando quindi che si superino quelle dettate dal BIOS.

Load Line Calibration (LLC): un’arma a doppio taglio

Load Line Calibration (LLC) permette di diminuire il vDroop di una percentuale basata sul livello a cui lo si imposta. È uno strumento molto potente e che può davvero fare la differenza per coloro che vogliono fare overclock. La domanda che sovviene però è la seguente: quando e come va usato?

Finché riuscirete a ottenere un overclock stabile senza utilizzare LLC il consiglio è di lasciare semplicemente l’impostazione in “auto” ma nel caso voleste spremere di più il vostro processore una volta arrivati al limite di tensione consigliato dal produttore del chip (e nel caso si disponga di un sistema di raffreddamento adatto) vale la pena cimentarsi nell’uso di questa funzionalità.

Il vDroop, per quanto sia una misura di sicurezza decisamente utile, può limitare le capacità di overclock del vostro processore: ad esempio, volendo portare il vostro Core i7-8700K a 5 GHz con una tensione di 1.45V (ovvero il massimo consigliato da Intel) e mettendolo sotto carico senza alcun livello di LLC, la tensione potrebbe calare a 1.3-1.35, facendo andare in crash il PC e rovinando i vostri sogni di gloria.

In questi casi la Load Line Calibration corre in nostro aiuto: impostandola saggiamente il processore sotto carico verrà tenuto ad una tensione molto più vicina a quella che abbiamo impostato dal BIOS (poniamo 1.40-1.43V considerando un livello medio-alto a seconda della motherboard su cui si sta lavorando), avendo come unica controindicazione la temperatura decisamente più alta che andrà a raggiungere il vostro processore.

È tuttavia possibile fare danni usando questa opzione, impostandola su un livello troppo alto si potrebbe ottenere un aumento considerevole della tensione (anche di 0.1-0.15V) che, oltre a causare grossi problemi termici, potrebbe essere decisamente dannoso per la CPU a lungo termine, specialmente se la si tiene sotto sforzo per lunghi periodi di tempo consecutivi (ad esempio la si usa per renderizzare video).

Per usare LLC in sicurezza è bene impostarlo a un livello intermedio, monitorare il comportamento della tensione con dei programmi appositi durante il carico e assicurarsi che ci sia sempre un leggero vDroop.

Troviamo poi inoltre la possibilità di impostare quando la nostra CPU dovrà andare in Thermal Throttling, il modo di gestire il current balancing dei VRM (ovvero la regolazione della corrente in base alla temperatura dei MOSFET), la quantità generica di corrente che potrà usare la CPU e tante altre funzioni minori.

Il segnale PWM

Semplicemente, il nome del segnale che il vostro controller manda ai MOSFET. I controller raggiungono generalmente un massimo di otto segnali PWM (salvo le rare eccezioni citate sopra) e ognuno di questi corrisponde ad una fase reale. Nonostante i controller arrivino generalmente a un massimo di otto fasi è possibile averne di più usando dei componenti supplementari che andremo a vedere in seguito.

MOSFET, NEXFET, DrMOS e Dual N-Fet

Una volta che il controller manda il cosiddetto “segnale PWM”, questo, passando all’interno di un driver (che può anche essere integrato nel FET o nel controller), arriverà ai nostri carissimi MOSFET. Partiamo col dire che MOSFET è solo un nome generico e che esistono diversi tipi di semiconduttori usati sulle schede madre, citiamo i quattro più diffusi: MOSFET, NexFET, DrMOS e Dual N-Fet.

I MOSFET classici sono quelli che troviamo sulla stragrande maggioranza delle motherboard economiche, ogni fase dispone di, almeno, un High Side MOSFET ed un Low Side MOSFET, ma, nel caso ci fossero problemi di tipo termico o di disponibilità energetica, si può arrivare ad avere addirittura due coppie per fase (per un totale di quattro MOSFET). Gli High Side ed i Low Side MOSFET si accendono e spengono sempre in momenti diversi e non ci sono mai due MOSFET associati a due segnali PWM diversi ad accendersi e spegnersi nello stesso momento.

I NexFET si trovano, invece, su schede madre di fascia più alta, sono un unico “pacchettino” e sono, generalmente, più efficienti e capaci di erogare più corrente rispetto alle “coppie” di MOSFET, lo stesso discorso vale per i DrMOS, ma quest’ultimi includono anche il driver al loro interno.

I Dual N-Fet sono una sorta di compromesso tra i due: includono infatti un high side e un low side MOSFET al loro interno ma sono presentati come un unico “pacchetto” per garantire una migliore capacità termica.

I MOSFET hanno il compito di accendersi e spegnersi di continuo e in modo alternato in modo da far caricare e scaricare correttamente l’induttanza (sostanzialmente fungono da interruttori) seguendo le istruzioni date dal segnale PWM a loro associato. Più il FET è di qualità, minore sarà la quantità di calore che andrà ad emettere. Inoltre potrà fornire anche un aiuto maggiore in fase di regolazione della tensione.

I choke (o induttanze, se vogliamo usare un termine generico)

Induttanze, chokes, quadratini, chiamateli un po’ come volete. L’induttanza ha il compito di opporre una resistenza ai 12v dell’alimentatore (PSU) di modo da portarlo alla tensione richiesta tramite la regolazione svolta dai MOSFET. Questi, infatti, fanno in modo di mantenere sempre le induttanze al corretto livello di tensione facendo passare una determinata quantità di volt attraverso essa. Le induttanze non producono calore ma creano un “campo magnetico” attorno a loro man mano che trattengono corrente.

I condensatori

Quello che fanno i condensatori nei VRM è, approssimativamente, quello che fanno sempre i condensatori: sono un sistema di filtraggio.

Doubler e sistemi di sdoppiamento

Spesso vi sarete sentiti dire che per sapere il numero delle fasi di una determinata scheda madre basta contare quei simpatici “quadratini” (che in realtà abbiamo imparato chiamarsi induttanze) posti accanto ai grandi dissipatori. Ebbene, sapere quante fasi reali ha la vostra motherboard, purtroppo, non è così semplice.

Esistono molti sistemi di “sdoppiamento” utilizzati dalle case produttrici di motherboard, tuttavia sono soltanto due quelli che permettono di avere dei vantaggi in termini di regolazione delle tensioni. Andiamoli ora a vedere tutti e spieghiamo perché vengono usati e come possono confondervi nel conteggio delle fasi.

Più MOSFET per tutti

Il primo metodo di “sdoppiamento” consiste nell’inserire più MOSFET per ogni singolo segnale PWM. Usando questo metodo e fingendo di adottare uno schema classico di semiconduttori (quindi con High Side e Low Side MOSFET) si otterranno due High side e due Low side associati allo stesso segnale PWM e che si accenderanno e spegneranno nello stesso momento (alternando sempre però high side e low side). A volte le aziende scelgono di raddoppiare solo il Low Side essendo quello che incide di più dal punto di vista termico.

Questo sistema è usato per diversi motivi: il primo è quello di avere più corrente disponibile, essendo proprio i MOSFET a determinare quanti Ampere una determinata scheda madre potrà erogare ed il secondo è un principio termico: aumentando infatti il numero di semiconduttori aumenterà anche la loro efficienza. Lo sdoppiamento così effettuato non ha alcun vantaggio a livello di regolazione delle tensioni ma non vi complica nemmeno la vita quando andrete a “contare le fasi” tramite le induttanze.

Evviva l’abbondanza

Questo sistema è abbastanza simile al primo, ma insieme ai MOSFET raddoppiano anche le induttanze e la regola del “contare i quadratini” trova il suo primo scoglio. Purtroppo, moltissime motherboard usano questo sistema e i produttori commercializzano le proprie soluzioni associando un numero di fasi non reale ad esse. Possiamo affermare che una gran parte delle motherboard 1151 ed AM4 adottano questo sistema, citando solo i sistemi più recenti.

Questo sistema è utilizzato per gli stessi motivi di prima, oltre che per motivi commerciali (i produttori scrivono spesso il numero delle induttanze al posto del numero di fasi reali). Questo sistema aumenta il distanziamento tra i MOSFET ampliando la superficie di dissipazione, perciò si andranno ad ottenere dunque temperature leggermente migliori del metodo precedente.

Il finto sdoppiamento

Il peggior sistema in assoluto è quello di tenere una semplice coppia di MOSFET e aggiungere un’induttanza per fase. Questo sistema è totalmente inutile ma comunque in voga tra i produttori di motherboard, specialmente nella fascia molto bassa in modo da commercializzare la propria scheda spacciandola per una motherboard con molte fasi di alimentazione.

Il vero sdoppiamento

Avevate quasi perso le speranze, eh? Eppure, eccolo qui, sotto i vostri occhi, il sistema di sdoppiamento che ti può far dire ad alta voce “la mia scheda madre ha 16 fasi reali di alimentazione!”.

Questo sistema consiste nel far passare il segnale PWM tramite un “doubler” che dimezzerà la switching frequency (che parte dal controller raddoppiata rispetto a quella che dovrebbe avere realmente, appunto per far in modo che la velocità di accensione e spegnimento sia adeguata) e lo sdoppierà, trasformando, dunque, i nostri 8 segnali in 16 (manterrò l’esempio di 8 sdoppiato in 16 per le spiegazioni future di questo passaggio).

Chiaramente la qualità delle fasi sdoppiate in questo modo è leggermente compromessa, più che altro perché non tutti i doubler mantengono il pieno supporto alle funzionalità del controller (ad esempio il current balancing che è spesso gestito dai doubler come se si trattasse di una motherboard con 8 fasi e non 16) ed anche la qualità stessa del segnale viene compromessa: sarà sempre meglio avere 16 fasi lisce (cosa che però è alquanto inverosimile se non si scelgono i rarissimi casi eccezionali) che avere 8 fasi sdoppiate in 16, nonostante nel secondo caso si possano ottenere prestazioni più simili a una scheda con 16 fasi che a una con 8.

Lo sdoppiamento Supremo

Questo, signori miei, è lo sdoppiamento supremo. Non mi dilungherò troppo nella spiegazione, in quanto si può trovare soltanto su schede davvero molto costose e, normalmente, non di fascia consumer (soltanto la Z390 Xtreme di Gigabyte lo usa): ci sono semplicemente due controller, uno riservato al Vcore con aggiunta di doubler ed uno riservato “al resto”. Fine.

Chiaramente questo è il metodo migliore, in quanto con esso si riescono ad ottenere 16 fasi esclusivamente riservate al Vcore e circa 2-3 riservate al resto.

Come riconoscere a colpo d’occhio se le fasi di una scheda sono effettive?

Esiste un piccolo trucco, purtroppo non attuabile su tutte le schede madre per capire al volo se una scheda dispone di fasi reali o fasi dove vi sono semplicemente il doppio dei componenti. Guardando le induttanze, alias “quadratini”, a volte si può leggere un numero preceduto da una piccola sigla: “TR”, ovvero la capacità di trasmissione dell’induttanza.

Inserendo il doppio dei componenti, per motivi ingegneristici, ci si trova a dover raddoppiare il TR di ognuna di esse per far sì che non sia troppo bassa (in quanto questo valore, inserendo due induttanze per fase reale, si andrebbe a dimezzare). Il valore corretto si aggira tra i 18-24, quando vi trovate dunque a leggere numeri sulla trentina o quarantina si tratta sempre di un sistema di sdoppiamento “fittizio”.

Quando questo numerino non è riportato (la maggior parte delle volte), bisogna andare invece a cercare la componentistica della scheda madre per sapere se questa monta o non monta dei doubler.

Ricordiamo che questa è una guida estremamente semplificata sul funzionamento dei VRM, in modo che sia alla portata di tutti. Non abbiamo parlato dei diodi-flyback e spiegato in modo approfondito come il circuito dei VRM funziona, ma per avere un’idea generale del funzionamento di questi le informazioni date dovrebbero essere più che sufficienti.

Questo, dunque, è tutto ciò che c’è da sapere per avere una minima base riguardante il funzionamento dei VRM, speriamo di non avervi annoiati troppo non essendo questo l’argomento più entusiasmante del mondo!