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.
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.
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