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GTL 기준 전압(GTL Reference Voltage)의 이해

Intel 쿼드코어 프로세서의 대중성으로 인하여 오버클러킹의 형태의 무엇인가가 바뀌었다. 대부분의 사람들은 CPU와 보드가 아슬아슬한 성공선까지 밀어부쳐지려면 CPU와 Northbridge GTL 기준 전압의 조정으로 이루어질 수 있다고 알고 있다. 안정적인 오버클럭을 위해 이들 설정과 중요도가 동급인 다른 설정들은, 몇몇 유저들만이 어떻게 이 수치들을 바꾸어야 오버클럭을 성공시킬 수 있는지 안다. 대부분의 사용자들에게, 왜 이것들이 조정이 필요한가와 어떻게 정확한 값을 찾는가 하는 두가지 설정들은, 베일에 가려져있다. GTL은 1991년에 Xerox의 William Gunning에 의해 발명되었다. 이것은 더 빠른 칩 간 인터페이스의 필요에 의해 만들어졌다. 이것은 개방된 drain 형태로 저전력 스위칭 회로였다. 오늘날 이것은 사용하는 곳에 따라 몇몇 가변적인 형태가 존재하게 된다. 그들은 전압 사용, 신호 모서리 향상과 slew rate에 따라 주로 분류된다. 과거 Intel은 GTL+라는 버스 기술을 사용하였다. GTL과 GTL+의 주된 차이점은 VREF에서의 잡음 여유가 늘어나는 것이다. 현재 Intel은 AGTL+를 사용한다. AGTL+와 GTL+간의 두드러진 차이점은 드라이버의 출력 측에서의 능동적인 pMOS 풀-업 트랜지스터의 추가에 있다. 이것은 저전압에서 고전압으로의 전이 시 첫 클럭에서의 저항을 제거하는데 도움을 준다. 이제 나오는 모든 예제들에서의 모든 레퍼런스는 AGTL+ 사양을 기반으로 한다.

이 기사에서 쓰이는 단어의 정의

- VTT는 종단 전압이다. 이것은 또한 VREF에서 파생되어 나오는 전압이기도 하다.
- VTT(min)은 최소 종단 전압이다.
- Vref는 기준 전압이다. 보통 VTT의 2/3이다.
- Vih(min)은 상위영역 전압에서의 최소 제한 유효 입력치이다. 이 예제에서 이것은 기준 전압보다 100mV 가압되어 있다.
- Vil(max)는 하위영역 전압에서의 최고 제한 유효 입력치이다. 이 예제에서 이것은 기준 전압보다 100mV 감압되어 있다.
- Voh(min)은 상위 영역 전압에서의 최소 출력치이다. VOH(min)은 VTT(min)과 동일하다.
- Vol(max)는 하위영역 전압에서의 최고 출력치이다. 이 값은 VTT의 1/3과 동일하다.

VTT는 접지와 그것의 문턱전압을 제외한 모든 GTL 회로에 대한 전압 사이에 기반 전압을 설정한다. Vol(max)는 VTT의 1/3이며 Vref는 VTT의 2/3이다. VTT를 변경하면 회로의 모든 다른 전압의 제한치도 변경하게 된다. VTT를 증가 시키는 것은 신호만을 강화 시키는 것만이 아니라 또한 GTL 기준 전압이 일반적으로 쓰이는 곳들의 경로 제어 역할도 약간 하게 된다.

- Overshoot(가끔 하강 전이 시에는 Undershoot이라고 표기된다.)은, 신호의 전압 등급이 VTT를 초과하거나 접지전압 아래로 확장되는 양을 말한다. Overshoot을 제한하는 것은 동작 시의 설계 요구에 부합하는 것을 보증하기 위함과 GTL 버스 상에 연결된 컴포넌트의 손상을 피하기 위해 필요하다.
- Ringback은 Overshoot 현상이 일어난 후 신호가 회로의 고 영역 제한선 아래에서 튕기는 것(또는 저 영역 제한선 위에서 튕기는 것) 을 말한다. 이 시간은 다음 전이의 동작 시간을 늘리지 않기 위한 레벨까지 진동을 상쇄 시키기 위해 필요한 시간의 양을 측정한다.

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대부분의 전자 회로에서의 GTL 설계는 작동 패러미터의 특정 영역에 최적화 되어 있다. 이것은 주로 프로세서와 칩셋에 포함된 회로라는 사실 때문에 복잡해진다. Intel은 이들 회로를 기본 작동 속도와 전압에 대하여 설계 하였다. 오버클러킹을 염두에 두어 설계된 메인보드들은 보드 제조사의 보드 컴포넌트의 선택과 설계에 따라 최적화 지점이 약간 달라지게 된다. 그러나 어떤 제조사가 만들었느냐에 따라 제한선도 달라지게 된다. 보드에서 기본 속도에서 안정성 만을 요구하는 것 뿐만이 아니라 C1E 같은 옵션이 사용되는 때같은 기본속도 이하에서도 안정적이어야 한다. 보드는 또한 예정된 가격점에도 들어와야 한다.

대부분의 GTL 설계는 비교기로 사용되는 차동 증폭기(differential amplifier)로 만들어진다. 차동 증폭기는 2개 입력 전압에 기반하여 프리셋 전압을 출력할 수 있는 능력이 있다. 차동 증폭기는 출력 스윙에 대해 충분한 잡음 여유를 제공함으로써 그것의 좁은 문턱 영역으로 인해 쓰이게 되었다. 1개 입력은 VREF로 정해진다. 이 전압은 입력 전압과 비교할 때 쓰이면서 또한 (VREF가 문턱 전압인) VIH(min) 과 VIL(max)가 파생되는 전압이기도 하다. 또다른 입력은 들어오는 신호를 받게 된다. 만약 전압이 VIL(max) 이하라면 회로상 low로 판명되며 VIH(min)을 넘긴다면 회로는 high로 판정한다. 이들 입력에 기반하여 출력은 VTT나 그라운드와 동등하게 출력된다. 이 차동 증폭기의 입력측은 수신자로 불리우며 출력측은 드라이버로 불리운다.

GTL 회로는 개방 drain 출력에 기반한다. 개방 drain 출력은 낮은 전류나 높은 저항성을 출력하게 된다. 이것은 절대 전류원이 아니다. 출력은 종단 저항을 거친 VTT에 연결되어 있다. 출력이 low(논리 0) 상태이면 VTT에 그라운드로 경로를 제공하여 버스는 low로 당겨지게 된다. 출력 신호가 high(논리1)가 필요할 때 출력은 전류의 유도를 중단하며 버스는 다시 VTT의 전압 레벨로 회귀하게 된다. 2개개방 drain 설정에서의 2가지 장점은 고단위 전류 공급을 갖지 않음으로 이것의 저전력 요구와 같은 버스 상 다수의 기기와 통신할 수 있는 능력에 있다.

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전압과 속도를 늘리는 오버클러킹은, 회로의 최적화를 바꾸게 된다. 전압을 늘리는 것은 회로의 저항과 주어진 잡음의 양을 변경시킨다. 결과적으로는 overshoot, ringback과 settling time의 증가를 말한다. 이 결과는 데이터 표시의 불안정과 동작 시간중의 넓어진 타이밍 창의 요구라는 결과로 나타난다. 속도를 늘리는 것은 더 엄격해진 타이밍 창에 대한 대응을 요구하게 된다. 그러므로 전압과 속도는 하나가 만족되면 다른 하나에겐 해롭게 된다.

대부분의 사용자들이 VCORE와 VTT 사이의 관계에서 신경쓰지 못한 또다른 문제가 있다. 드라이버에서의 공명을 줄이기 위해, Intel은 약한 상승(pull-up) 기기를 출력 버퍼에 추가 하였다고 위에 언급 하였었다. 이 기기는 저신호에서 고 신호로의 전이를 동작시키는데, 실질적으로 출력 버퍼와 전송 선로 간의 저항 불일치성을 줄이게 된다. 그 결과, overshoot과 ringback의 양이 확실히 줄어든다. pull-up 기기의 근원 종점은 코어 전압 공급에 연결되어 있다. 이것은 논리적으로 high인 전압을 GTL 종단 전압 이상으로 한 사이클에 올리도록 한다. 1번의 버스 사이클 후, pull-up 기기는 꺼지며 만약 출력이 논리적으로 high 상태라면 출력은 VTT에서 안정될 것이다. 그러나 우리가 VCORE 이상으로 VTT를 올리게 되면 회로에서의 pull-up 기기를 없애는 효과를 가지게 된다.

고 레벨 출력은 VTT라고 이전에 언급 하였었다. 저 레벨 출력은 그라운드(0.00 볼트)이다. VOL(max) 과 VIL(min) 이거나 VTT(min) 와 VIH(max)사이에서 확장된 출력 신호는 입력 전압이 정확히 읽히지 않는 결과를 초래할 수 있다.

수신자측은 비슷한 제약이 있다. 저레벨 입력은 꼭 0.00 볼트와 VIL(max) 사이에 있어야 한다. 고레벨 입력은 VIH(min)과 VTT 영역에 있어야 한다. VIL(max) 이나 VIL(min)사이를 지나는 입력 전압 레벨은 수신자 측에서 신호가 논리적으로 high인지 low인지 결정하는데 혼란을 주게 된다.



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아래 그림에서 VOL(max)와 점선  사이의 영역은 저 레벨 문턱 전압이다. VTT(min)과 이것에 대응하는 점선은 고 레벨 문턱 전압이다. 이들 전압 영역은 입력이 오염되는 것을 방지하는 버퍼 역할을 한다. 입력 문턱 전압은 그것의 허위 신호나 결정되지 않아 잘못 읽혀지는 입력 레벨을 방지하게 된다. 아주 가끔 회로의 출력을 수정하기 위해 GTL 기준 전압을 조정해야 할 필요가 있다.



최소 돌출 길이를 관리하는 보드 상 회로와 적절한 저항 종단값은 보통 우리가 목표로하는 속도에서 overshoot와 ringback을 충분히 억제하여준다. 출력 신호의 무결성에 영향을 끼치는 또다른 문제들은 증가된 VTT나 VCORE 전압에 의해 뒤통수를 맞는데 이것은 이미 GTL 기준 전압 조정의 필요에 의해 쓰였던 것이다.

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우리가 작동 시에 제공되는 GTL 기준 전압이 어떻게 변화되는지에 대한 예제로 사용하기에는 GTL 회로가 민감하여 그라운드상 튕김이 문제가 된다. 더 빨라지는 출력 기기의 스위칭이 전이 전류를 높이게 되는 것을 우리는 수신자측의 입력에서 볼 수 있다. 그 결과, 기기의 그라운드(에서 튕겨지는) 상승은 보드의 그라운드와 관계가 있다. 그라운드상 튕김은 저 레벨에서 고레벨로의 신호 전이 시에 생성된다.

아래 오실로스코프 스크린 샷은 최고점에서의 출력 신호와 최저점의 기기 그라운드 전위에서의 수신자 입력을 보여주고 있다. 그라운드상 튕김은 출력 신호가 고역에서 저역으로 변환될 때 쉽게 보여진다. 만약 이 튕김이 VIL(max)를 넘어설 정도로 아주 심하다면 GTL 회로는 이것을 논리상 high로 인식하고 출력은 이에 따라 변환될 것이다. 이 튕김은 또한 드라이버가 저레벨에서 고레벨로 변환될 때도 보여진다. 이것은 기기 내에서 아주 작은 양이 끝없이 부가적인 전류 전환을 일으킨다.

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아래 보여지는 파형중 왼쪽은 실패한 오버클럭이다. 그라운드 상 튕김이 수신자로 하여금 입력의 상태를 결정할 수 없게 만들기 때문이다. 해결책은 즉시 에러가 실제적으로 보일 때 명백하게 보인다. 오른쪽에 그려진 파형에서, VREF를 약간 위로 올리는 것 만으로, VIL(max) 또한 상승하는 결과를 초래하며, 입력 신호가 유효한 VIL 영역으로 들어가게 된다.

   

그렇다면 왜 안전한 여유를 위해 애시당초 GTL 기준 전압을 추가적으로 더 주지 않는가? 왜냐하면 Vih 또한 그들의 작동 패러미터에 부합해야 할 필요가 있기 때문이다. 고레벨 입력은 저레벨 입력 때문에 같은 종류의 신호 파형의 하락에 영향을 받는다.

아래의 파형에서 우리는 위의 예제와 같은 저레벨 입력을 가지게 된다. 최고점은 high로 유지될 때의 입력을 나타낸다. Vih는 그것의 정상적인 동작 영역 안에서 안정성에 위협당할 문제가 없다는 것을 나타내고 있다. 심지어 우리가 Vil을 유효 신호로 만들기 위해 Vref를 수정하여도 Vih는 이것의 작동 영역에 남게 된다.

그러나 우리가 만약 약간의 조정이 꼭 좋다고 하는 방식으로 접근을 한다면 어떻게 될까? 다음 그림이 보여주듯, Vref를 Vil이 그것 자체의 이상적인 작동 영역보다 훨씬 더 높게 잡히도록 올려보았다. 그러나 이렇게 함으로 인해 우리는 원래 Vil에 영향을 주었던 것과 동일하게 Vih에서 스펙을 벗어나게 하는 상황을 만들어 내게 되었다.



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아래 나오는 예제는 적확한 GTL 기준 전압 조정의 중요함을 나타내고 있다. 두 스크린 샷의 Prime95는 CPU GTL 기준 전압의 조정을 제외하고 동일한 설정이다. CPU GTL 기준은 첫번째 스크린 샷에서는 기본치로 설정되어 있다. 이전 측정에서 이 값은 108/110이었다. Prime은 대충 47분 정도에 실패하였다.

두번째 스크린 샷은 CPU GTL 기준 전압이 112/112로 설정된 것이다. Prime 95는 수동으로 정지 시키기 전까지 13시간을 동작하였다.

이 글은 실제 설계나 GTL 회로의 실행의 겉할기만을 하였다. 여기에는 입력 신호에서 출력 신호의 관계 같은 GTL 회로의 신호 무결성에 영향을 끼치는 요인이 아주 많다. 이것들을 이 글에서 다루기에는 레베루가 틀리다.

노가다성 접근이 몇몇 사용자들에게는 만족을 줄 수 있지만, 적은 양의 전압으로 최대 안정 오버클러킹을 하고 싶다면 GTL 튜닝을 찾는 것이 필요하다. 명확히 밝혀졌듯이, 이제 GTL 기준 전압 조정에 관한 밝혀지지 않은 것 따위는 없다. 회로 기능과 상요 전압의 관계에 대한 기본적인 이해만 있따면, 이들 설정을 마스터링 하는 것도 손쉬울 것이다.

출처: http://edgeofstability.com/articles/dfi_p35/gtl/gtl1.html