4. CPU-Kühlung

Heutige CPUs produzieren eine enorme Wärmemenge, und so wird das Thema CPU-Kühlung immer wichtiger. Deswegen möchten wir uns hier mit den Grundlagen der CPU-Kühlung beschäftigen.
Spezielle Kühlung ist für 2 Gruppen wichtig:

• Die Uebertakter, die niedrige Temperaturen zum Erreichen höherer Prozessortakte benötigen.
• Die "Leisetreter", die ihren PC möglichst leise machen wollen. Ihre Systeme sind stark auf dieses Ziel abgestimmt.

Wenden wir uns nun zuerst der Funktionsweise von Kühlern zu.

  4.1 Kühlkörper und Lüfter

Moderne Kühler bestehen aus einem Kühlkörper und einem Lüfter.

Der Kühlkörper ist, einfach gesagt, ein Stück Metall. Da der Wärmeaustausch proportional zur Oberfläche des Kühlkörpers ist, sind Kühlkörper mit Rippen ausgestattet, die die Oberfläche um ein Vielfaches erhöhen. Sie bestehen aus gut wärmeleitenden Materialien. Dies sind zurzeit entweder Aluminium oder Kupfer (besser), da diese Materialien die Wärme sehr gut leiten. Auch Wärme-Übergangs-Platten aus Silber sind in Mode gekommen, ihr Sinn ist aber umstritten.
Man kann daraus also schließen, dass Kühlkörper mit einer großen Oberfläche und Kupfer besser sind. Diese haben aber den Nachteil, extrem schwer zu sein. Da Intels Pentium 4 derzeit die größte Wärmemenge abgibt, führte Intel eine neue ATX-Spezifikation ein, die es erlaubt sehr schwere Kühlkörper mit dem Gehäuse zu verschrauben, um zu verhindern, dass durch ihr Gewicht die Plastiknasen vom Sockel brechen oder gar der Sockel aus dem Motherboard reißt.
Aus diesen Gründen ist das maximale Kühlergewicht bei Sockel A Motherboards (die noch mit dem alten ATX-Standard arbeiten) auf 300 g begrenzt. Viele neue "Kühlmonster" überschreiten diese Grenze locker. Falls ein zu schwerer Kühler verwendet wird sollte er beim Transport abmontiert werden, da sonst die Gefahr besteht das Mainboard zu zerstören.

Der Lüfter ist ein normaler "Ventilator" und dient einzig und allein dem Zuführen kühler Luft zum Kühlkörper. Ein kleiner Lüfter muss sich schneller drehen als ein größerer, er ist also oft lauter. Das Lager und die Flügelform tragen aber ebenfalls zur Lautstärke bei.

  4.2 Falsche Temperaturen bei Athlon/Duron?

Die bei Duron und Athlon Thunderbird angezeigte Temperatur wird im Gegensatz zu neueren Intel-Prozessoren (seit dem Pentium III) nicht im Kern der CPU gemessen, sondern mit einem Messfühler, der an der CPU anliegt. Diese Temperaturen entsprechen also nicht den realen Temperaturen, deswegen passen BIOS und Überwachungsprogramme (z.B. Motherboard Monitor 5) die Messwerte an. Trotzdem sind sie oft zu niedrig. Daher sollte man 10 bis 15°C zu den angezeigten Werten addieren, um auf Nummer Sicher zu gehen.
Seit dem Athlon XP Palomino hat AMD solche Messfehler ausgeräumt, ähnlich wie beim Pentium 3 ist nun eine Messdiode im Prozessor-Kern "eingebaut".
Nicht alle Motherboards, auf denen der Athlon mit Palomino-Kern läuft, haben auch die Fähigkeit, diese Messdiode auszulesen. Unter Umständen wird weiterhin die Temperatur mit einem externen Messfühler bestimmt.

  4.3 Wie finde ich den optimalen Kühler?

Auf den folgenden Seiten werden regelmäßig Kühlertests veröffentlicht. Auf ihnen kannst du aktuelle Kühlervergleiche auswerten und dir den für dich optimalen Kühler heraus suchen.

• http://www.tomshardware.de/
• http://www.tecchannel.de/
• http://www.anandtech.com/
• http://www.anandtech.com/

AMD hat für seine Kunden eine Liste mit empfohlenen Kühlern zusammengestellt, sie ist hier zu finden:

http://www1.amd.com/products/athlon/thermals/

  4.4 Mögliche Probleme mit der CPU-Kühlung

  4.4.1 Direkt nach dem Einschalten steigt die Temperatur im BIOS

rapide an, danach friert der Rechner ein

Der Rechner sollte sofort abgeschaltet werden. Folgende Dinge sind zu überprüfen:

• Wurde Wärmeleitpaste/ein Wärmeleitpad verwendet?
• Wenn ein Wärmeleitpad verwendet wurde: Wurde die Schutzfolie entfernt?
• Wenn Wärmeleitpaste verwendet wurde: Wurde sie sehr sparsam aufgetragen? (stecknadelkopfgroßer Tropfen beim AMD Athlon/Duron)
• Ist der Kühler gerade aufgesetzt, existiert kein Luftspalt?
• Verkantet der Kühler nicht mit dem CPU-Sockel?
• Dreht sich der Lüfter?
• Sind keine Flachbandkabel direkt vor dem Lüfter?

  4.4.2 Trotz eines immer gelobten Kühlers bleiben die Temperaturen vergleichsweise hoch

• Ist der Kühler richtig montiert (Wärmeleitpaste, gerade aufgesetzt)?
• Dreht der Lüfter, hat er "freie Bahn"?
• Existiert ein Luftstrom der warme Luft aus dem Gehäuse entfernt?
• Werden Gehäuselüfter verwendet? Die optimale Verwendung sieht vor, dass hinten warme Luft aus dem Gehäuse geblasen wird, und vorn einströmt.
  
  

  4.4.3 Welche Temperatur ist normal im Betrieb?

Eine generelle Aussage kann nicht getroffen werden. Erstens variieren die Messmethoden (Kapitel 4.2) und zweitens kann es vor allem bei externen Messfühlern immer wieder zu Fehlmessungen kommen. Über den Daumen gepeilt sind bei einer externen Temperaturmessung 0 bis 20 Grad zu der gemessenen Temperatur hinzu zu addieren, um die Die-Temperatur grob abzuschätzen. Manchmal erledigt das die Mess-Software (zu Teilen) selbstständig, sodass kaum 2 verschiedene Systeme vergleichbar sind. Die maximale Die-Temperatur ist in 3.3.2 aufgelistet. Diese sollte aber im Normalbetrieb nie erreicht werden. Ein gut laufendes System sollte in etwa bei maximal 85% der Maximaltemperatur betrieben werden, aber auch bei höheren Temperaturen kann sehr wohl ein fehlerfreier und auch langfristig problemloser Betrieb gewährleistet sein.

Treten Abstürze auf und ist die CPU-Temperatur relativ hoch, so kann es sein, dass auch wirklich die CPU überhitzt und abstürzt.
Allerdings können auch andere Komponenten im PC überhitzen und ebenfalls für einen Absturz verantwortlich sein. Die "Motherboard-Temperatur" ist für die Klärung der Ursache ein guter Anzeiger. Ist zu viel heiße Luft im Gehäuse, kann weder die CPU effektiv gekühlt werden, noch können anderen Komponenten problemlos betrieben werden. RAM kann z.B. bei erhöhter Temperatur schnell Fehler produzieren, die sich in Abstürzen zeigen. Eine pauschale Grenztemperatur kann man nicht angeben, wohl aber Richtwerte - oberhalb von 40°C können erste Probleme auftreten (man denke auch daran, daß z.B. Festplatten sich in solch warmer Umgebung leicht auf Temperaturen jenseits der zumeist maximal zulässigen 55 oder 60°C erwärmen, was der Lebensdauer und damit ggf. den Daten gar nicht guttut - am liebsten laufen sie bei 25 bis 40°C), 50°C Innentemperatur können als recht heiß gelten.

Läuft das System stabil, aber misst man eine recht hohe Gehäusetemperatur (evtl. mit einem anderen Thermometer überprüfen, da die Sensoren auf dem Mainboard ungünstig angebracht sein können und evtl. nur einen lokalen Wärmestau feststellen), sollte man unter Umständen auch etwas dagegen unternehmen. Zum einen kann an einem heißen Sommertag endgültig das System überhitzen und zum anderen altern Bauteile auch schneller. Im Normalfall sollte die Lebensdauer des PCs dennoch weit über der Nutzungsdauer liegen, aber besonders negativ sind minderwertige Elektrolytkondensatoren aufgefallen. Dazu mehr in Kapitel 10.3.1.6.

  4.5 Stromverbrauch und Abwärme: Hintergründe und Gegenmaßnahmen

  4.5.1 Problematik

Aktuelle CPUs, wie sie in Desktop-PCs verbaut sind, haben nicht nur eine hohe Rechenleistung, sondern setzen nebenbei noch jede Menge elektrische Energie in Wärme um. Die pro Zeiteinheit abgegebene Wärmemenge wird als Verlustleistung bezeichnet; sie entspricht ziemlich genau der vom Prozessor aufgenommenen elektrischen Leistung, da die Energie ja schlecht irgendwohin verschwinden kann (ein bißchen geht noch für die Kommunikation mit der Außenwelt drauf). Damit ist auch klar, daß die Anforderungen an die Stromversorgung keine geringen sind (siehe Kapitel 10.2.2, Netzteile). Aber auch die Verlustleistung selbst muß durch leistungsfähige Kühler (= Kühlkörper und Lüfter, zumindest bei Luftkühlung) an die Umgebungsluft abgegeben werden, die wiederum von einem stetigen Luftstrom aus dem Gehäuse befördert werden muß, damit sich nicht die warme Luft im Inneren staut und PC-Komponenten im eigenen Saft schmoren läßt (gerade Festplatten sind darauf nicht sonderlich erpicht und fallen evtl. früher aus als nötig). Vergleicht man die heutige Situation mit der von ca. 1995, so stellt man fest, daß die damaligen CPUs nicht selten noch komplett passiv, d.h. nur mit einem entsprechend dimensionierten Kühlkörper ohne Lüfter, zu kühlen waren - was angesichts der maximalen Verlustleistungen z.B. von ca. 8 W für einen Pentium 75 oder 6-7 W für einen AMD 5x86 133 (der aufgebohrte 486er mit P75-Rating, falls sich wer erinnert) kaum verwundert. Die aktuell heißesten Rechenheizkörper geben mal eben die zehnfache Verlustleistung oder mehr an ihre Umgebung ab. Dazu kommt ein weiteres Problem: Wurde damals[tm] die Wärme noch über ein recht großes Prozessorgehäuse abgegeben, muß heutzutage oft der nackte Die mit um oder weniger als 1 cm2 Fläche einige dutzend Watt an den Kühler abgeben (etwa beim AMD Athlon/Duron). - Der Die (siehe "dicing" in der Halbleiterherstellung) ist der eigentliche Prozessor und stellt sich als ein schimmerndes Siliziumplättchen dar. - Die Wärmestromdichte ist somit weitaus höher als bei einer Elektroherdplatte (ca. eine Größenordnung). (Humoristisch veranlagte Zeitgenossen könnten jetzt einwerfen, daß sicher weitaus mehr Herdplatten als Prozessoren mit dem Luxus einer "Wasserkühlung" beglückt werden...) Da verwundert es nicht, daß ein hervorragender Wärmeübergang von hoher Wichtigkeit ist. Diesen versucht man üblicherweise mit glatter Kühleroberfläche (oft aus Kupfer, das Wärme besser leitet als Aluminium), ein wenig Wärmeleitpaste (diese soll nur die Unebenheiten des Kühlkörpers ausfüllen - ein kleiner Klecks auf dem Die genügt!) und hohem Anpreßdruck zu realisieren. Gerade der hohe nötige Anpreßdruck birgt aber auch Risiken: Nicht wenige Prozessoren mit offenliegendem Die sind entweder optisch in Mitleidenschaft gezogen worden oder gar ganz in die ewigen Jagdgründe eingegangen, weil Anwender bei der Kühlermontage z.B. durch Verdrehen des Kühlers bei hohem Druck Ecken oder ganze Kanten des Die abbrachen. Aber auch die mit Heatspreadern ausgerüstete Konkurrenz in Form des Pentium 4 ist vor Problemen nicht gefeit: hier können bei einigen Konstruktionen mit zusätzlichen Versteifungselementen eventuell die Retention-Module oder andere Plastikteile brechen. (Die normalerweise vorgesehene Abfederung durch das Boardmaterial (!) ist wohl auch manchen Boardherstellern etwas suspekt.) Vertrauenswürdiger scheint die Konstruktion bei Athlon64 und Opteron zu sein, hier wird mit Schrauben fixiert. Ein schon fast klassisch zu nennendes Problem sind die gelegentlich abbrechenden Haltenasen an Sockel A und 370 - im Falle eines solchen Malheurs kann ein Kühler helfen, dessen Halteklammer alle drei benutzt.

  4.5.2 Stromsparen beim Nichtstun - zuweilen mit Hindernissen

Wird der Prozessor nicht benötigt (etwa dann, wenn mal wieder auf die langsamste Komponente am PC gewartet wird: den Anwender), so sollte er in eine Art Schlafmodus gesendet werden, um nicht sinnlos nur NOP auszuführen (sprich: mit Nichtstun beschäftigt zu sein - NOP = No Operation) und somit sinnlos Strom zu verbrauchen. Dazu wird ein Befehl an die CPU gesendet (HLT = Halt), der sie "einschlafen" lässt, wobei viele Prozessorteile abgeschaltet werden. Das Aufwachen kann durch einen Interrupt oder durch einen Timer ausgelöst werden. Typischerweise verliert man ca. 1% der Leistung der CPU, spart aber gewaltig Energie. Lediglich bei Zugriffen auf Laufwerke im random-access kann es zu niedrigeren Datenraten durch höhere Zugriffszeiten kommen.

HLT wird von praktisch allen modernen PC-Betriebssystemen verwendet. Ein Problem, das speziell den AMD Athlon/Duron betrifft, ist der geringe Effekt des HLT-Befehls, solange der Prozessor noch am Prozessorbus (EV6) hängt. Erst die Abkopplung vom Bus in Idlezeiten ("Disconnect") bringt das erhoffte Ergebnis. Dies ist allerdings chipsatzspezifisch einzustellen, wobei auch nicht alle Chipsätze diese Funktion überhaupt anbieten und nicht alle Boards stabil und problemlos damit laufen (i.d.R. sind es die Spannungsregler, die ob der ständigen Lastwechsel streiken, aber auch Probleme mit PCI-Soundkarten können auftreten). Wer nicht zu begierig auf das Herumschrauben an Chipsatzregistern ist, aber trotzdem von Disconnect profitieren möchte, kann unter Windows Programme wie VCool, CPUIdle oder CPUCool einsetzen, für Linux gibt es LVCool. Mit dem Opteron und Athlon64 soll es keine Probleme in dieser Richtung mehr geben.

  4.5.3 Mechanische Maßnahmen

Um den Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühlkörper zu verbessern, wurde schon vor längerer Zeit an der Vergrößerung der Kontaktfläche gearbeitet. Beim ersten hitzköpfigen x86er, dem Pentium Pro insbesondere in den Versionen mit größerem L2-Cache, wurde noch das Gehäuse extra glatt hergestellt. Schon wenig später kamen allerdings erste Prozessoren mit integriertem Heatspreader auf den Markt (siehe z.B. Pentium II SECC). Ein Heatspreader ist grundsätzlich nichts anderes als eine Metallplatte aus gut wärmeleitendem Material, die auf der einen Seite einen sehr guten Wärmeübergang vom Die her hat (deutlich besser als das, was sonst per Kühlkörperöberflache und Wärmeleitpaste/-pad zu erreichen ist), andererseits die Wärme auf eine große Fläche verteilt, damit auch bei höherem Wärmewiderstand auf dieser Seite eine gute Wärmeabgabe an den Kühlkörper (sprich: hoher Wärmestrom bei geringer Temperaturdifferenz) gewährleistet ist. Bei richtiger Konstruktion ist die Wärmeabgabe trotz des zusätzlichen Übergangs nicht schlechter als bei einem Konzept mit nacktem Die. Beispiele für Prozessoren mit Heatspreader sind z.B. späte Pentium III und PIII-Celerons mit Integrated Heat Spreader (IHS), die geradezu lächerlich einfach zu kühlen sind, und Pentium 4, die ebenfalls besser zu kühlen sind als es von der Verlustleistung her zu erwarten wäre. (Hierbei sollten man jedoch im Auge behalten, daß Pentium-4-Kühler oft mit recht großen Kühlkörpern mit 80-mm-Lüftern betrieben werden, im AMD-Lager aber durchaus auch noch weniger leistungsfähigere Kühler mit 60er Lüftern üblich sind.) Die Heatspreader auf AMDs K6-2/III waren hingegen eher kontraproduktiv; die auf den Opterons dürften (und müssen) besser werden.
Ganz nebenbei bietet ein Heatspreader guten mechanischen Schutz für den Die, so daß eine Beschädigung des Dies bei der Kühlermontage praktisch ausgeschlossen ist. (Spötter nannten den IHS daher auch "Integrated Lamer Protection".)

  4.5.4 Notabschaltung, Throttling

Sollte die Kühlung einer CPU ausfallen, so kann die sich aufstauende Hitze dazu führen, dass die Strukturen im Silizium zerstört werden. Dieser GAU sollte zwar nur bei Betrieb einer modernen CPU völlig ohne Kühlkörper auftreten, aber auch wenn meist durch einen ausgefallenen Lüfter die CPU lediglich abstürzt, so bleibt ein Restrisiko.
Dem entgegen wirken Schutzmechanismen, die allesamt eine schnelle und hinreichend präzise Temperaturmessung voraussetzen. Dies ist nur direkt in der CPU mit einer Meßdiode im Die möglich. Wird auf diese Weise eine hohe oder gar bedrohliche Temperatur festgestellt, kann die CPU oder das Mainboard den Takt reduzieren, den Prozessor nur einen Teil der Zeit arbeiten lassen ("Throttling", i.d.R. - bis auf den Leistungsverlust - unbemerkt vom Anwender) oder eine Notabschaltung einleiten.
Beim AMD Athlon XP muß das Mainboard derartige Funktionen bereitstellen, beim Intel Pentium 4 sind diese in der CPU integriert. Letzterer arbeitet bei Überhitzung i.d.R. nur noch 30 bis 50% der Zeit; zusätzlich ist das Throttling auch im normalen Betrieb von 12,5% bis 87,5% in Schritten von 12,5% einstellbar, was teilweise in Notebooks mit Pentium 4 (v.a. Desktop-, aber auch Mobile Pentium 4-M) eingesetzt wird, um akkuschädliche Stromspitzen abzumildern oder die Laufzeit im Akkubetrieb zu verlängern.

  4.6 Verlustleistung in digitalen Schaltungen

Im folgenden werden die Quellen für Verlustleistung in digitalen Schaltungen grob hergeleitet. Es werden CMOS-Schaltungen (CMOS = complementary metal oxide semiconductor) betrachtet, wie sie heute nahezu ausschliesslich für digitale Logik eingesetzt werden.

  4.6.1 Feldeffekttransistoren

Feldeffekttransistoren (FET) sind die Hauptkomponenten in digitalen CMOS Schaltungen.

        .-   gate
   Ugs /       |              MOSFET, n-Kanal
      |    .=======.
      v    |       |
  source --'       '-- drain
             <-- Ids

Ugs = Spannung U zwischen Gate und Source
Ids = Strom I von Drain nach Source

Bei einem n-Kanal MOSFET muss zwischen Gate und Source eine genügend hohe Spannung (Ugs) anliegen, dann leitet der nMOSFET und es kommt zu einem Stromfluss von Drain zu Source (Ids). Das Gate ist isoliert und somit fliesst im Idealfall kein Strom vom Gate zu irgend einem anderen Anschluss. Der MOSFET ist dadurch eine Form eines Schalters.

  4.6.2 CMOS - Gatter

Mit Hilfe von Schalterlementen (wie es MOSFETs sind) lassen sich logische Funktionen realisieren. Das einfachste logische Gatter ist das Negationsgatter (Inverter).

                      | in
               .------------.
               |            |                         in |\ out
               |            o           CMOS-Inverter   -| o-
           .=======.    .=======.                        |/
           |       |    |       |
  Masse \--'       '----'       '--/ Udd
                      | out

     MOSFET, n-Kanal     MOSFET, p-Kanal

  Udd = Versorgungsspannung (z.B. 3,3 V)
  Masse = 0 V

Das CMOS-Negationsgatter besteht aus einem nMOSFET und einem pMOSFET. Der nMOSFET öffnet die Verbindung zwischen Drain und Source, wenn die Spannung zwischen Gate und Source groß ist, der pMOSFET öffnet diese Verbindung, wenn die Spannung klein ist. Legt man somit am Eingang "in" eine hohe Spannung an, so öffnet der nMOSFET und der pMOSFET schliesst. Da der Ausgang "out" über den geöffneten nMOSFET direkt mit Masse verbunden ist, führt er im Idealfall eine Spannung von 0 V.
Legt man am Eingang dagegen eine kleine Spannung an, so wird der Ausgang über den pMOSFET mit Udd verbunden und führt somit eine hohe Spannung. Die Spannung repräsentiert die Information. Hohe Spannung bedeutet logisch "1", niedrige Spanung "0". Liegt am Eingang eine 1 an, so liegt am Ausgang eine 0 an und umgekehrt. Im Idealfall ist immer einer der beiden FETs gesperrt. Es fließt also theoretisch niemals ein Kurzschlussstrom zwischen Udd und Masse.

  4.6.3 Dynamische Verlustleistung

Ein ideales CMOS-Gatter besitzt keinen Widerstand in den FETs zwischen Drain und Source und keine (parasitäre) Kapazität zwischen Gate und Source (bzw. Gate und Drain). Somit sollten z.B. in einem CMOS-Inverter niemals wirklich Ströme fliessen, da ja immer einer der der beiden Transistoren gesperrt und das Gate isoliert ist. In der Realität muss die Kapazität zwischen Gate und Source aber auf eine Spannung aufgeladen werden, damit die FETs sich öffnen oder schliessen. Das bedeutet, es müssen Ladungen (Elektronen) auf das Gate fliessen, was einem Stromfluss entspricht. Ist das Gate einmal aufgeladen bzw. entladen, fliesst kein Strom mehr (im Idealfall).
Der Strom fliesst beim Aufladen von Betriebsspannung Udd über den pMOSFET des vorgeschalteten Gatters auf das Gate und beim Entladen vom Gate durch den nMOSFET des vorgeschalteten Gatters zu Masse. Somit fliesst bei jeder Umladung ein Strom. Da ein Transistor immer einen geringen Widerstand (zwischen Drain und Source) besitzt, führt dieser Stromfluss zu einer Erwärmung. Hinzu kommt der Widerstand der Verbindungsleitungen zwischen den Gattern, der aber meist viel kleiner als der Widerstand der Transistoren ist und daher oft vernachlässigt wird. Aus der Schulphysik ist bekannt, dass

p(t)=u(t)*i(t)

p(t)=Leistung[W]; u(t)=Spannung[V]; i(t)=Strom[A]; t=Zeit[s]

Man kann zeigen, dass in CMOS-Schaltungen folgendes näherungsweise gilt:

Pm = n * f * C * Udd2

Pm = mittlere Verlustleistung [W]
n = mittlere Anzahl von Umladevorgängen pro Takt
f = Taktfrequenz [Hz]
C = Kapazität, die auf- und entladen wird [F]
Udd = Betriebsspannung [V]

Interpretation:
Nicht mit jedem Takt wird ein logisches Gatter umgeladen (wenn nichts neues zu berechnen ist, ändern sich die Eingangsspannungen nicht), aber während einer Rechnung können auch an einem Gatter mehrfach Umladungen auftreten, bis das Ergebnis wirklich feststeht. (Mehrfache Umladungen nennt man hazards bzw.
glitches.) Umso größer die Kapazitäten sind, die umgeladen werden müssen, desto mehr Strom muss fliessen. Die Umladung geschieht umso schneller, je größer die Versorgungsspannung, ist da so ein größerer Strom auf die umzuladende Kapazität fliessen kann. Die Spannung geht quadratisch in die Verlustleistung ein.

  4.6.4 Reduktion dynamischer Verlustleistung - Praxis

Der erste Ansatz die Verlustleistung zu reduzieren, ist die Spannung zu senken, da diese den größten Einfluss hat. Je niedriger die Spannung ist, desto langsamer werden aber die Kapazitäten umgeladen. Dies bedeutet, dass die Gatter langsam werden, also im Endeffekt nur langsame Taktfrequenzen erreichet werden können. Heutige x86 Prozessoren arbeiten bei etwa 1,5 bis 1,7V. Mobilprozessoren dagegen bei etwa 1,1V.

Je niedriger die Taktrate ist, desto niedriger die Verlustleistung. Daher takten sich speziell Mobilprozessoren (teilweise automatisch) herunter. Bei Intel heisst diese Technologie "SpeedStep", bei AMD "PowerNow! und bei Transmeta "LongRun".

Je seltener sich die Daten ändern, desto weniger Umladevorgänge werden ausgelöst. Der HLT-Befehl (Kapitel 4.5.2) bringt moderne CPUs in einen Zustand, wo wenig Umladevorgänge ausgelöst werden. Beim Athlon funktioniert dies nicht richtig, so dass er vom Bus abgekoppelt werden muss, was ebenfalls dazu führt, dass keine neuen Daten anliegen.

Der Benutzer hat somit viele Möglichkeiten, die dynamische Verlustleistung zu reduzieren. Oft bedeutet dies aber auch eine drastische Reduktion der Rechenleistung. Lediglich die Nutzung von HLT bzw. Disconnect bedeutet keinen merklichen Rechenleistungsverlust.

  4.6.5 Statische Verlustleistung

CMOS-Schaltungen haben im Gegensatz zu älteren Schaltungstechniken (wie TTL, RTL, ECL, nMOS- oder pMOS-Logik) vom Prinzip her keine statischen Ströme, die fliessen müssen um logische Signale darzustellen. Die Spannung allein genügt zur Darstellung der logischen Signale. Dennoch ist keine Schaltung ideal und es treten Leckströme auf. (Zur Vertiefung in dieses Gebiet seien folgende Stichworte genannt: Ströme in gesperrten PN-Übergängen, Subthreshold-Ströme und Ströme bedingt durch den Gateoxyd-Tunneleffekt.)

Je höher die zum Öffnen eines nMOSFET benötigte Spannung (die Schwellspannung) ist, desto mehr muss die parasitäre Gate-Source-Kapazität aufgeladen werden. Daher reduziert man die Schwellspannung mit schaltungstechnischen Mitteln und erreicht somit höhere Taktfrequenzen.

Eine niedrige Schwellspannung bedeutet aber auch, dass Transistoren nicht mehr so sicher sperren, wie bei hoher Schwellspannung. Es fliessen also mehr Leckströme.

In heutigen modernen Prozessoren hat die statische Verlustleistung durch die Leckströme inzwischen einen großen Anteil an der gesamten Verlustleistung. Statische Verlustleistung tritt zudem immer auf und ist nicht abhängig von der Taktfrequenz.

Daher setzt ein moderner Prozessor auch dann Leistung um, wenn es nichts zu berechnen gibt und er durch den HLT-Befehl schlafen geschickt wurde. Die Größe der statischen Verlustleistung variiert zudem mit dem Herstellungsprozess, sodass auch zwei gleiche CPUs keine identische Ruhe-Verlustleistung haben. Bei Mobilprozessoren wird ein hoher Aufwand betrieben, um die statische Verlustleistung klein zu halten. Der Benutzer kann meist nichts gegen die statische Verlustleistung machen. Lediglich bei Mobilprozessoren könnte beim Heruntertakten mittels SpeedStep / PowerNow! / LongRun automatisch die Schwellspannung erhöht werden, aber auch darauf hat der Benutzer keinen Einfluss.