マザーボードの VRM とは何ですか? なぜ重要なのですか?

CPU のオーバークロックというカルト的な活動に興味を持ったことがある人なら、VRM という言葉をよく耳にするでしょう。この用語は PC コミュニティではどこにでもありますが、コミュニティの内外で実際にその仕組みを知っている人はほとんどいません。VRM は、人々が PC の操作に不可欠であることを知っているものの 1 つです。これが、必要な調査を行い、マザーボード上の VRM とは何か、それがどのように機能し、CPU パフォーマンスにどのように影響するかを説明するこの説明を作成した理由です。

マザーボード VRM: 説明 (2022)

この記事では、VRM について知っておくべきことをすべて探り、VRM が非常に重要である理由を説明します。システムの安定性を確保するための鍵であるため、VRM のタスクが単純でありながら不可欠なものであることがわかります。言い換えれば、VRM とその動作についてもっと知る価値があります。

さらに、高品質の VRM と悪い VRM をどのように区別するかについても検討します。その背後にある考え方は、適切な VRM 構成を構成する基本的な考え方を作成することです。これにより、次にマザーボードを購入するときに何を探すべきかがわかります。

目次

• VRM とは何の略ですか?
• マザーボードの VRM はどのように機能しますか?
• マザーボードの VRM のコンポーネント
  • MOSFET
  • チョーク
  • コンデンサ
  • PWM コントローラ
• マザーボードの電源フェーズとは?
• VRM の品質は CPU パフォーマンスに影響しますか?
• VRM がタスクを実行できるかどうかをどのように確認できますか?
• オーバークロックに優れた VRM が必要な理由
• VRM: よくある質問
  • マザーボードに固体コンデンサがあるかどうかを確認する方法は? その利点は何ですか?
  • オーバークロックするにはどのマザーボードを入手すればよいですか?

VRM とは何の略ですか?

VRM がどのように機能するかを深く掘り下げる前に、それが何であり、用語が何を表しているかを理解することが不可欠です。この用語は「電圧調整モジュール」 の略で、CPU、メモリ、および GPU の要件を満たすために電圧を調整および変換する電子回路を表します。VRM を、壁から 120 ボルトまたは 240 ボルトを取り、それを 12 ボルトの DC 電流に降圧する実際のメイン コンピューターの電源と同じように、ミニ電源のようなものと考えると役立つかもしれません。

マザーボードの VRM は、ある意味でまさにそれを行いますが、2 回目です。電源装置の 12 ボルト (DC) 出力を取得し、通常、GPU の場合は約 1V、CPU の場合は 1.4 V に変換します。VRM のもう 1 つの重要なタスクは、コンピューター全体の安定性に影響を与える可能性があるため、この電圧をサージやドロップなしで安定して供給することです。

VRM のコア コンポーネント

上の画像では、最新のマザーボードの VRM のアーキテクチャを見ることができます。これには、MOSFET、チョーク、およびコンデンサの3 つの主要な要素が含まれます。これらのほとんどは通常、CPU ソケットを囲むヒートシンクの下にあり、見つけるのが非常に困難です。これらのコア コンポーネントにはダイオードと抵抗が付随しており、これらのコンポーネントに到達する電流が特定の値を超えないようにします。

マザーボードの VRM はどのように機能しますか?

電圧調整回路が依存する重要な原理は、入力電圧のオンとオフを切り替えることによって回路の平均出力電圧を下げる機能です。したがって、たとえば、電源から 12V DC 入力があり、同じ時間オンとオフを切り替えた場合、平均電圧は 6V DC になります。

しかし、比較的安定した平均電圧を達成するには、これが 1 秒間に数百回発生する必要があります。ほとんどすべての場合の切り替えは、比較的単純な金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET) 回路を介して実現されます。ただし、次のセクションで説明するように、MOSFET は単独で動作するのではなく、チョーク、コンデンサ、PWM コントローラなどの他のユニットと連携して、可能な限り最も安定した電力を CPU に提供します。

マザーボードの VRM のコンポーネント

MOSFET

最初に取り上げるコンポーネントは MOSFET です。これは本質的に絶縁ゲートであり、電子信号を増幅または最小化するために使用される一種のスイッチです。 実際に行うことは、電源フェーズの管理と信号のバランスを担当する PWM コントローラー チップから送信される信号と値に応じて、通過する電流を調整することです (詳細は後述)。

このプロセスをよりよく説明するために、下の図を見てください。基本的な VRM 回路は 2 つの MOSFET で構成されており、この状況では基本的にスイッチ、インダクタ、およびダイオードにすぎません。

VRM MOSFET の設計はさまざまですが、すべて同じ機能を備えているため、詳細に進んで高度な電気工学について説明する必要はないと考えています。ただし、各コンポーネントの機能について詳しく知りたい場合は、WikiChip のVRM 説明ページにアクセスしてください。知っておく必要がある重要な点は、電圧変換が MOSFET で開始され、ほとんどの作業負荷が発生するのはここです。

VRM回路の表現

簡単に説明すると、VRM 回路は 2 つの MOSFET スイッチを使用して、CPU に渡す電圧の量を制御します。最初のスイッチ (ハイサイド MOSFET) が閉じると、インダクタの入力電圧は 12V になります。これにより、本質的に磁気コアの周りのワイヤのコイルであるチョークに電流が流れ始め、出力電圧がゆっくりと上昇します。

次に、CPU または GPU の目的の電圧に達すると、スイッチが閉じられます。これは、チョークへの入力がゼロになることを意味します。チョークへの電力供給が低下すると、その周囲の磁荷が消散し、逆方向の電圧が誘導され(出力電圧を相殺するのではなく、出力電圧に追加されます)、時間の経過とともにゆっくりと低下します。このプロセスを 1 秒間に数十回繰り返すと、比較的安定した電圧の増減が得られます (電圧の図を参照)。

MOSFETの開閉により安定した電圧を生成

MOSFETS について留意しなければならないもう 1 つの点は、オンまたはオフに切り替えるたびに、摂氏約 150 度を超える熱が発生することです。つまり、MOSFET を限界まで押し込むと、MOSFET はかなり熱くなる傾向があります。この暑さは関係ありませんか？簡単に言えば、そうです。

VRM MOSFET が熱くなりすぎると、半導体の抵抗に影響を与え、効率の低下につながり、そこからさらに熱を発生させる終わりのないループになります。これが、最新のマザーボードのほとんどの MOSFET がヒートシンクや小型ファンなどの冷却ソリューションで覆われている主な理由です。

チョーク

次に取り上げる VRM の部分は Chokes と呼ばれます。これらは通常は金属でできた立方体のインダクタで (常にではありません) 、MOSFET から出力される電圧を安定させるために、交流 (AC) 信号をより低い周波数または直流 (DC) に変換する役割を果たします。これは何を意味するのでしょうか？

基本的に、チョークは PWM から入ってくる高周波電力 (12V) を受け取り、それを安定した周波数(1.2 ～ 1.4V) に変換するため、CPU やその他のコンポーネントで使用できるようになります。したがって、本質的に、それは2つの機能を果たします。1 つ目は、電力の保存とフィルタリング、2 つ目は、電力の全体的な品質の制御です。

保護カバーなしのチョーク

チョークはマザーボードに供給される電力の品質に重要な役割を果たすため、オーバークロック能力を決定する上で不可欠です。チョークが優れているほど、オーバークロックに耐えるマザーボードの能力が高くなります。さらに、マザーボード上の各チョークも電力フェーズを表します。また、一般的な経験則として、マザーボードのフェーズ数が多いほど、電圧が安定します (これについては後で詳しく説明します)。

コンデンサ

調査する VRM の最後のコア アナログ コンポーネントは、コンデンサです。これは、電界にエネルギーを蓄えるために多くの電子機器で使用される一般的な電気部品であり、必要に応じて、接続されている回路にこのエネルギーを放出することができます。ある意味ではバッテリーのように機能しますが、すべてのエネルギーを急速に出力する能力のために、より高い貯蔵容量を備えています。

コンデンサにはさまざまなサイズがあります

VRM とそれに対応する電源フェーズについては、同じ目的を果たします。コンデンサには、VRM の機能において 2 つの主な機能があります。1つ目は電流を蓄積すること、2つ目は電圧サージを蓄え、防止し、電子回路のリップルを減らすことです。アイデアは、チョークから受け取った電流を保存し、CPU が必要とする適切な量の電力を供給することです。残りは、アースを介して放電または解放されます。

これは、コンデンサが VRM の重要な部分であるだけでなく、むしろ必要不可欠であることを意味します。そのため、どの VRM も優れていると見なされるためには、高水準で高品質のコンデンサーを使用する必要があります。通常、高品質のコンデンサには、固体コンデンサ、Hi-C コンデンサなどのブランドが付けられています。現代世代のマザーボードでは、ソリッドステート コンデンサがコンデンサの主流であり、ほとんどが電解コンデンサに取って代わりました。

しかし、これは必ずしもそうではありませんでした。1990 年代後半から 2000 年代前半にかけて、特に台湾メーカーの多くのマザーボードで、非固体コンデンサの故障率が予想よりも高くなりました。これは主に、電解質の組成が腐食を引き起こし、高レベルのガス発生につながり、コンデンサーが爆発することが多かったためです。これは 2000 年代初頭のコンデンサー問題として知られており、PC コミュニティでは悪名高いものです。この問題は非常に複雑なもので、産業スパイから腐敗に至るまで多くの論争がありましたが、より大きな意味は、業界がアルカリ コンデンサから固体コンデンサに徐々に移行したことでした。

PWMコントローラ

VRM のコア アナログ コンポーネントについて説明したので、次は、PWM (パルス幅変調) コントローラーと呼ばれる電気の流れを制御する回路の部分に進みます。このコントローラーは PWM パルスを提供し、回路のアナログ部分 (MOSFET、チョークなど) に供給されます。

PWM コントローラ

ただし、これらの PWM コントローラーは、固定パルスを発射するだけの単純なデバイスではありません。代わりに、それらはかなり複雑な集積回路そのものです。一部のコントローラー、特にハイエンドのコントローラーは、複数のフェーズ制御システムを備えており、VRM のもう 1 つの重要な機能である監視も処理します。さらに、CPU や GPU の電圧は完全に一定ではないため、チップは多くの作業を行って、効率を高めるために必要な電力を定期的に増減させます。 

では、送信する電力量をどのように知るのでしょうか? 簡単に言えば、CPU と PWM の間にフィードバック ループを形成することでこれを行います。PWM コントローラは、マザーボードのBIOS 設定にある CPU の基準電圧(VREF) を取得し、常に VRM に供給します。次に、この電圧を現在の電圧で測定し、VREF と実際の電圧に差がある場合、PWM コントローラーは信号を変更して出力電圧を元に戻します。

このプロセスは、10 年前までは主にアナログ PWM によって行われていましたが、今日では大部分がデジタル PWM に置き換えられています。デジタル PWM の利点は、マイクロコントローラが電圧補正の計算で他の変数やパラメータをより広範囲に考慮できるようになることです。これらは、温度センサー、BIOS 設定、およびその他の保存された値である可能性があります。デジタル PWM コントローラーの欠点は、構成がより高価で複雑なことです。最新のマザーボードは、CPU とメモリへの電力供給にほぼ独占的にデジタル PWM を使用していますが、アナログ PWM は、ボードの重要度の低い部分に使用されることがあります。

マザーボードの電源フェーズとは?

通常、MOSFET による電気信号のオン/オフは 1 秒間に数百回行われるため、CPU が許容できる以上に電圧が変動する可能性があります。そして、それはすでに非常に高速で動作しているため、それよりもはるかに高速に切り替えることは現実的ではありません. したがって、安定性を向上させるために必要なのは、高速な MOSFET ではなく、より多くの量の MOSFET です。

複数の VRM フェーズは、単相よりも定期的に出力電圧を補充できることを意味します。

単一の VRM 回路でも特定の用途には十分効果的ですが、できるだけスムーズな電圧供給を確保するために、複数の VRM を並列に接続して、前述の多相 VRM (上の画像はマルチ フェーズ VRM) を作成できます。 -フェーズ VRM)。これはどのように作動しますか？

上の図から、VRM の各フェーズが適切にずらされている場合、フェーズはエネルギー負荷をより多くのコンポーネントに分散させることがわかります。これにより、CPU や GPU にスムーズな電力が供給されるだけでなく、電力パルス間の時間が短縮されるだけでなく、発熱やコンポーネントへのストレスも軽減されます。

マザーボード メーカーが8+3や6+2のように A+B 形式で多数のフェーズを宣伝しているのをよく見かけます。それで、これはどういう意味ですか？理論的には、それは十分に単純です。最初の数値は CPU 専用のフェーズ数で、2 番目はメモリなどのマザーボードの他の部分専用のフェーズ数です。 

16 電源フェーズの AsRock Z490 マザーボード (クレジット: ASrock)

この文脈では、より多くのフェーズがよりスムーズな電力供給に等しいと考えたくなるかもしれません. これはある点で真実です。たとえば、エントリー レベルのボードには通常 3 フェーズまたは 4 フェーズの CPU 電源が搭載されていますが、高品質のボードには 6 フェーズから 8 フェーズの CPU パワーがあります。ただし、複雑になるのは、マザーボードの製造元が、ボードがたとえば 16+2 設計であると述べているが、実際にはダブラーを使用しており、真の 8 フェーズのセットアップしかない場合です。

ダブラーを使用すると、ボードに追加のフェーズを含めることなく、既存のフェーズの利点を倍増させることができます。最終的な結果として、前述の通常の多相回路と同様に全体的な負荷と発熱が減少しますが、回路の半分の電圧リップルが減少するだけです。とはいえ、フェーズ数を増やすことによる全体的なメリットはかなり減少しています。したがって、ある意味でより信頼性の高いマザーボードを手に入れることができますが、電力供給ハードウェアは基本的に下位フェーズのものと似ているため、おそらくオーバークロックもしないでしょう.

さらに、複数のフェーズには別の利点もあります。単相で実行するのに 100 アンペアを必要とする CPU があるとします。したがって、100 アンペアすべてがこれらのコンポーネントを直接通過する必要があります。ただし、2 フェーズでは、各フェーズに 50A しか流れないため、定格の低いコンポーネントを使用でき、これらのコンポーネントは通常より安価です。これにより、メーカーは、たとえば、より高品質のコンポーネントを使用して 2 フェーズ VRM を作成する必要がある場合よりも、はるかに安価に 4 フェーズ VRM を作成できます。

VRM の品質は CPU パフォーマンスに影響しますか?

ほとんどのコンピューター ユーザーが VRM について抱く疑問は、VRM がシステムのパフォーマンスにどのように影響するかということです。正直なところ、VRM の品質は、たとえば、システムに新しい 600 ドルのグラフィックス カードを追加するような影響はありません。しかし、システムの寿命と安定性に関しては、VRM の品質が大きな違いを生む可能性があります。

CPU マザーボード ソケットの横にあるコンデンサの故障

これは、安価な VRM が時間の経過とともに故障し始める可能性があり、システムが不安定になり、在庫速度でクラッシュすることさえあるためです。さらに、低品質の VRM は、マザーボードの電力供給を混乱させ、他の高価なコンポーネントに損傷を与える可能性があります。

最後に、質の悪いマザーボードでオーバークロックを開始したい場合は、その夢に別れを告げてください。なんで？オーバークロック中に PC をプッシュすると、高品質の VRM によってのみ提供される電圧に関して高レベルの制御が必要になるためです。

VRM がタスクを実行できるかどうかをどのように確認できますか?

マザーボードを見て、自分の VRM がオーバークロックのタスクに対応しており、電圧を少し上げたときに同時に燃焼しないことを確認するにはどうすればよいでしょうか? マザーボードの VRM を解読するのは少し難しい場合がありますが、最も簡単な方法の 1 つは、マザーボードに表示されるチョークの数を数えることです。

すでに述べたように、マザーボードの各チョークは 1 つの電源フェーズに対応し、通常、CPU ソケット周辺のこれらのチョークの 1 つまたは 2 つを除くすべてが CPU コア用に予約されています。これは、多くのチョークを備えたマザーボードを使用している場合、オーバークロックされた電圧を分割できる多くのフェーズがあり、各フェーズの負荷が軽減されることを意味します.

したがって、CPU に 3 つまたは 4 つのフェーズを備えたマザーボードを使用している場合、それはおそらくエントリー レベルのボードです。つまり、超高性能チップにはおそらく適していません。しかし、マザーボードに 6 つ、8 つ、またはそれ以上のフェーズがある場合、負荷がかかってもシステムを安定に保つのに問題がないはずのハイエンド ボードである可能性があります。

さらに、マザーボードにソリッド ステート コンデンサが搭載されているか、導電性液体を含む安価な液体ベースのコンデンサが搭載されているかを確認することもお勧めします。液体コンデンサ (電解) は、適切に構成されていないと、システムに問題を引き起こす可能性があります。また、たとえ正しく作られていても、時間の経過とともに膨らんだり、破裂したり、さらには爆発したりする可能性が高くなります.

複雑になるのは、製造元が、たとえば、マザーボードが 16+2 設計であると言っているが、ボードが実際にはダブラーを使用しており、真の 8 フェーズ セットアップしかない場合です。正確なセットアップを見つけるには、すでに掘り下げたオンライン ソースを検索するか、PWM チップを調べて、負荷を処理するために実際に評価されているフェーズの数を調べるなど、少し調査が必要になる場合があります。

チップに 4 つまたは 8 つのフェーズしかなく、ボードが 16 を主張している場合、明らかに倍増が起こっています。ほとんどの人にとっては、どちらにしても問題にはなりませんが、オーバークロックでの競争上の優位性を真剣に探しているのであれば、堅牢な VRM セットアップが不可欠です。

マザーボードに 4 フェーズしかない場合、心配する必要がありますか? まあ、それはあなたが使用しているプロセッサに依存します. Intel Core-i3/i5 (第 8 世代以降) や AMD Ryzen プロセッサのような最新のミッドレンジ CPU であれば、問題ないはずです。CPU は、はるかに少ない電力でより多くのことを実行できるようになりました。また、業界がより電力効率の高いチップに移行するにつれて、多数の電力フェーズの時代は終わりを迎えようとしています。ただし、高性能/オーバークロック可能なチップにアップグレードしたい場合は、マザーボードの電源フェーズの数が多いと理想的です.

オーバークロックに優れた VRM が必要な理由

マザーボードがサポートする VRM の数、サイズ、および電源フェーズの数は重要な要素ですが、日常のパフォーマンスに大きな影響を与えることはありません。ただし、CPU をオーバークロックしたい愛好家、ゲーマー、およびその他の専門家にとっては重要です。これは、ハードウェアのオーバークロックに関しては電圧を上げることが不可欠であるため、オーバークロックが VRM に直接負担をかけるためです。システムに流れる電圧が増えるにつれて、それを調整することはますます困難な作業になります。

これは、フェーズ数からヒートシンクのサイズ、コンデンサの品質まで、すべてが問題になり始める状況です。このため、高レベルのオーバークロックは最高のマザーボードだけに用意されています。これらのマザーボードは、多数の電源フェーズを備えているだけでなく、大量の電圧と電流に耐える能力を備えたソリッドステート コンデンサなどのプレミアム サブコンポーネントで構築されています。さらに、これらのマザーボードは、優れた冷却設定を備えて完全に武装しており、小さなファンや液体冷却ブロックを含むアクティブ冷却を備えているものもあります.

VRM: よくある質問

マザーボードに固体コンデンサがあるかどうかを確認する方法は? その利点は何ですか?

PC のマザーボードに搭載されているコンデンサを確認する最も簡単な方法は、物理的に調べることです。どちらも基本的な設計であるため、視覚的にはコンデンサは非常に異なって見えます。固体コンデンサは通常、電解コンデンサに比べてサイズが小さいです。

下の比較画像の違いを簡単に見つけることができます。最初の画像のマザーボードは固体コンデンサのみを使用して設計されており、後者の画像のマザーボードはより一般的で安価な電解コンデンサを使用しています。

• 

  固体（ポリマー）コンデンサ

• 

  電解コンデンサ

固体コンデンサと電解コンデンサは電気を蓄え、必要に応じて放電します。ただし、違いは、固体コンデンサには固体の有機ポリマーが含まれているのに対し、電解コンデンサは一般的な液体電解質を使用しているため、名前の違いです。

では、これはコンデンサの性能にどのような影響を与えるのでしょうか? 寿命に関しては、固体コンデンサは電解コンデンサよりも長持ちし、特に動作温度が低い場合はそうです。場合によっては、固体コンデンサが電解コンデンサの 6 倍以上長持ちすることがあります。この差を実年数に換算すると、固体コンデンサは約23年、電解コンデンサはわずか3年で寿命となります。

さらに、固体コンデンサは、高温に対する耐性が高いだけでなく、電解コンデンサよりも高い周波数と高い電流で優れた性能を発揮します。そして最後に、固体コンデンサーは、本体に液体成分がないため、他のコンデンサーとは異なり、爆発する可能性がありません。これらすべてを組み合わせることで、オーバークロックされたセットアップやワークステーションを含む極端なストレス操作にはるかに適しています.

オーバークロックするにはどのマザーボードを入手すればよいですか?

この Z690 のようなゲーミング マザーボードは、堅牢な冷却機能を備えています (画像クレジット: Gigabyte)

市場にはさまざまなソケット タイプとフォーム ファクターがあふれているため、マザーボードの購入はすでに複雑な決断です。すべてのボードが機能するわけではないため、オーバークロック用に優れたマザーボードを購入する場合は、さらに複雑になります。ただし、システムをオーバークロックするのに適したマザーボードを探している場合は、留意すべき点がいくつかあります。

まず、高レベルのオーバークロックをサポートするマザーボードは、堅牢な電力供給システムを提供するものです。なんで？これは、より高いクロック速度で CPU を実行するには、CPU により多くの電力を投入する必要があるためです。したがって、たとえば、最大クロック速度が 4.5 GHZ の 125W CPU をオーバークロックしたい場合、それを 5 GHZ で実行するには、125W 以上を供給する必要があります。

電圧と電力の要件が増えると、VRM にかなりの負荷がかかります。この場合、電力フェーズの数を増やすと、各電力フェーズで作業負荷を分割できるため、役立ちます。1 つの電力フェーズに 100 アンペアの負荷があるとします。2 番目の電力フェーズがあると負荷が 50 アンペア (50A) に軽減されます。

これが、ほとんどのハイエンド マザーボードがより多くの電源フェーズを備えている理由です。そのため、CPU を限界までオーバークロックすることを計画している場合は、電圧を上げる過程で、少なくとも 8 つの電源フェーズを備えたマザーボードを探すことをお勧めします。さらに、電圧が高いほど発熱も大きくなるため、堅牢な冷却設定を備えたマザーボードを探す必要があります。

すでに上で説明したように、MOSFET スイッチは、オンまたはオフになるたびに大量の熱を発生させます。オーバークロックされたチップについて話していると、これはさらに増幅されます。オーバークロックされたシステムで適切な冷却設定を行うことは贅沢ではなく、必要不可欠です。

VRM とは何か、なぜ重要なのか?

本質的に、VRM は、通常の PC 愛好家が遭遇することのない多くの専門用語 (PWM、MOSFETS、チョークなど) を扱うため、複雑なテーマです。ほとんどのコンピューター ユーザーが、CPU や GPU のように操作することを妨げているのは、この専門性です。しかし、この記事で説明したように、VRM は複雑ではありますが、現代のコンピューティングの心臓部を形成しています。それらを理解することは、私たちの日常生活の多くの具体化されたオブジェクトを明らかにするための鍵です.

VRM についてもう少し理解を深めていただければ幸いです。VRM は現代のエンジニアリングの驚異です。また、この記事を読んだ後は、オーバークロックをより高く評価するようになります。さらに、このガイドが、VRM が日常の PC にどのように影響するかをよりよく理解するのに役立ち、その過程で、PC 用の新しいマザーボードを購入する際に何を探すべきかをより多く認識できるようになったことを願っています. マザーボードの特定の部品がどのように機能するかについてさらに質問がある場合は、ここにリンクされている詳細な概要を確認してください。