Hiện nay, bộ nguồn máy tính có các mức điện áp chính là 12V, 5V, 3.3V. Ở các máy chủ, bộ nguồn chủ yếu chỉ có đúng 1 mức điện áp là 12V. Vậy tại sao lại có sự khác biệt này?
Để nói về việc này ta cần quay lại lịch sử 1 chút về PC – máy tính cá nhân. Các bộ máy tính ban đầu sử dụng điện áp 5V cho vi xử lý và các mạch logic, và mức 12V sử dụng cho các ổ đĩa cứng và ổ đĩa mềm
Điện áp 3.3V lần đầu được sử dụng vào những năm 1990, lúc này do nhu cầu giảm điện năng tiêu thụ và nhiệt lượng sinh ra khi các vi xử lý và mạch logic ngày càng trở nên nhỏ hơn và phức tạp hơn. Các công nghệ mới yêu cầu điện áp thấp hơn để hoạt động hiệu quả, từ đó 3.3V trở thành mức tiêu chuẩn để cung cấp năng lượng cho các mạch logic.
Các bo mạch chủ máy tính hiện nay đều sử dụng mức điện áp thấp hơn mức mà bộ nguồn cung cấp, như Vcore chỉ vào khoảng từ 0.7 ~ 1.5v, Vram vào khoảng 1.5V (DDR3) tới 1.35V, 1.2V (DDR4, DDR5)
Khác với các mạch logic, các bộ xử lý trung tâm (như CPU và GPU) thường chỉ sử dụng mức điện áp dưới 1.5V để tăng tốc độ xử lý, ta có thể xem qua công thức sau:
P = C * V² * f
Trong đó:
- P = Công suất tiêu thụ
- C = Điện dung (Capacitance), giá trị này càng lớn khi máy tính có khả năng xử lý nhiều hơn
- V = Điện áp mà các transistor cần để sạc
- f = Tần số xung nhịp, xác định tốc độ của CPU.
Từ công thức này, có thể thấy rằng nếu bạn muốn máy tính có khả năng xử lý nhiều hơn (tăng điện dung) hoặc chạy nhanh hơn (tăng tần số xung nhịp) mà không tăng mạnh lượng điện tiêu thụ, cách duy nhất là giảm điện áp mà các transistor cần sạc.
Vấn đề gặp phải:
Với các chip silicon, transistor có ngưỡng cổng (gate threshold) để kiểm soát xem chúng có sạc cao hay thấp đầu ra của chúng. Khi giảm điện áp, cần phải chấp nhận một số đánh đổi và có những giới hạn vật lý liên quan đến đặc tính vật liệu của transistor silicon. Điều này cho thấy rằng khó có thể giảm điện áp xuống mức thấp hơn với các công nghệ hiện tại.
Vậy tại sao cần điện áp thấp?
Điện áp thấp giúp CPU hoạt động nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Tuy nhiên, điện áp cao truyền qua cáp lại có hiệu quả tốt hơn. Áp dụng định luật Ohm và công thức công suất:
P = IV và V = IR
Cáp có điện trở cố hữu, và máy tính có nhu cầu tiêu thụ năng lượng nhất định. Nếu cung cấp công suất cố định ở điện áp thấp hơn, dòng điện sẽ tăng lên. Khi cáp truyền dòng điện lớn hơn ở cùng một điện trở, khả năng gặp phải tình trạng sụt áp sẽ tăng lên. Do đó, truyền điện ở mức cao là cách đáng tin cậy hơn để cung cấp năng lượng cho CPU.
Tại sao bo mạch chủ cần nhiều mức điện áp?
Sao không sử dụng điện áp 12V cấp điện cho cả bo mạch? Lý do là việc điều chỉnh mức điện sẽ sinh nhiệt. Nếu bo mạch chủ phải chuyển đổi từ 12V xuống các mức thấp cần thiết, điều này sẽ tạo ra nhiều nhiệt không mong muốn ở vị trí không lý tưởng và tản nhiệt thì sẽ rất khó khăn hoặc không hiệu quả. Thay vào đó, tốt hơn là tạo ra nhiệt trong bộ nguồn, nơi có quạt tản nhiệt để làm mát.
Ngoài ra, việc dồn quá nhiều linh kiện vào 1 nơi (ở đây là bo mạch chủ) sẽ khiến việc thiết kế mạch, kiêm tra và xử lý lỗi trở nên phức tạp. Chi phí về thiết kế và sản xuất, gia công, sử chữa cũng sẽ tăng, và làm giảm độ tin cậy của linh kiện.
