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Stromspar Guide: Prozessoren
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Geschrieben: 30.05.2009 um 10:17 von Obi Wan


Stromspar-Guide (3 von 8)

Prozessor

Bei Stromsparrechnern ist die Wahl des Prozessors oft ausschlaggebend dafür, wie wenig Strom letztendlich wirklich verbraucht wird. Im Gegensatz zu Spielerechnern mit dedizierter Grafikkarte spielt hier der Verbrauch der CPU eine große Rolle. Effiziente Prozessoren finden schon seit langer Zeit in Notebooks und Embedded-Systemen für die Industrie Verwendung. Die dort verwendeten (Ultra-)LowVoltage Mobilprozessoren (oft mit dem Kürzel LV oder ULV) sind auch heute noch die Speerspitze der energieeffizienten CPUs. Aktuell bringen die großen Prozessor–Hersteller und einige Kleinanbieter aber auch einzelnen Serien ihrer Desktop-Angebote das Strom sparen bei. Hinzu kommen noch Prozessoren für Spezialanwendungen die sehr effizient zu Werke gehen.



Hinweis: Kürzel die üblicherweise sparsame Modelle einer Prozessorbaureihe bezeichnen:

AMD: Intel:
- EE - LV
- BE - ULV
- LE
- HE
Für den Aufbau eines Stromsparrechners ist es wichtig einen guten Kompromiss aus benötigter Rechenleistung und Energieverbrauch zu finden. Dazu muss man wissen wieso Prozessoren überhaupt Strom verbrauchen und welche Designmerkmale besonders großen Einfluss auf den Energieverbrauch haben.

Die Spannung

PC-Prozessoren sind komplexe Rechenwerk auf Halbleiterbasis die Befehle getaktet in digitaler Logik verarbeiten und mit Gleichstrom versorgt werden. Jeder Transistor setzt pro Schaltvorgang ein bestimmtes Quantum an elektrischer Energie in Wärme um. Hinzu kommen die ohmschen Verluste durch die Stromleitung in nicht aktiven Strukturen ("Leiterbahnen").
Die Transistoren eines Prozessors brauchen eine bestimmte Eingangsspannung, um sicher zu schalten. Allgemein lässt sich sagen, dass diese Eingangsspannungen mit zunehmender Verkleinerung des Fertigungsprozesses abnehmen. Die verkleinerte Fertigung führt zu schmaleren Transistorgates. Mit kleineren Gategrößen sinkt der Stromfluss pro Schaltvorgang und damit die Verlustleistung in Form von Wärme. Dabei ist zu beachten, dass tatsächlich 100% der aufgenommenen elektrischen Leistung im Prozessor in Wärme umgesetzt wird. Da der Stromfluss stark von der Belastung abhängig ist und auch davon abhängt welche Areale im Prozessor beansprucht werden, bietet sich als charakteristische Messgröße die Eingangsspannung (vCore) an. Die Kernspannung (vCore) geht quadratisch in die Berechnung der Verlustleistung ein:


PVerlust: Verlustleistung der CPU
UvCore: Kernspannung (vCore)
Rgesamt: äquivalnter Gesamtwiderstand der CPU

Eine geringe Absenkung der Kernspannung bedeutet daher schon eine beachtliche Senkung der Verlustleistung. In einer klassischen CPU ist Rgesamt relativ konstant und bietet normalerweise keine Möglichkeit die Verlustleistung zu senken. Rgesamt kann als äquivalente Größe zu den Leitungsverlusten, den Arbeitsströmen und den Leckströmen gesehen werden, welche als Widerstandsgröße angegeben werden können.
Manche moderne Prozessoren sind in der Lage ganze CPU-Areale abzuschalten und so deren Leitungsverluste und Leckströme zu reduzieren. In der Praxis sind jedoch vor allem bei Desktop-Prozessoren einfachere Maßnahmen die nur den Takt und die Spannung der gesamten CPU beeinflussen etablierter (Cool&Quiet, Speedstep/EIST).

Zusammenfassend lässt sich zur Spannung sagen, dass für einen sparsamen PC eine möglichst geringe Kernspannung der CPU, wie auch anderer komplexer Halbleiterelemente wünschenswert ist, da dies einen sehr großen Einfluss auf die Verlustleistung hat.

Der Takt

Der Prozessortakt galt lange Zeit als die alleinige (rechen-)leistungsbestimmende Größe bei CPUs. Spätestens seit sehr effizient arbeitende Prozessoren auf dem Markt sind, ist jedoch die Betrachtung des „Leistung pro Takt Verhältnisses“ (auch IPC genannt) sinnvoller.
Der Takt einer CPU gibt vor mit welcher Frequenz die Schaltvorgänge der Transistoren in der CPU von satten gehen. Bei einem seriellen Aufbau einer CPU würde davon direkt der Output pro Zeiteinheit abhängen. Heutige Prozessoren arbeiten aber intern massiv parallel und können pro Takt mehrere komplette Befehle ausführen. Je effizienter eine CPU konstruiert ist, desto mehr kann sie innerhalb gleicher Zeit berechnen. Bei älteren CPU-Architekturen mit besonders langen sog. Pipelines (z.B. Netburst/P4) fielen verhältnismäßig viele unnötige Schaltvorgänge an, weil z. B. mit einer falschen Sprungvorhersage die vorab berechneten Ergebnisse einer Pipeline alle wieder verworfen werden mussten. Da jeder unnötige Schaltvorgang zur Verlustleistung der CPU beiträgt, ist es also besonders wichtig, dass eine besonders effektive Prozessorarchitektur mit hoher IPC verwendet wird. Auf die entsprechenden Konzepte soll hier jedoch nicht weiter eingegangen werden.

Festzuhalten bleibt jedoch, dass der Takt linear in die Berechnung der Verlustleistung eingeht (steckt in Rgesamt). Eine Taktsenkung hat somit verlustleistungssenkende Wirkung. Diese ist jedoch nicht so stark wie die Wirkung einer gesenkten Kernspannung.

Für Stromsparrechner ist das Mittel der Taktsenkung dennoch eine effektive Maßnahme zur Reduzierung der Verlustleistung der CPU und somit des Gesamtverbrauchs des Rechners. Man sollte die Wirkung jedoch nicht überschätzen.

Meist kann mit der Senkung des Taktes auch eine Senkung der Kernspannung einhergehen, denn bei niedrigem Takt sind keine so hohen Spannungen mehr für sicheres Schalten der Transistoren nötig.


Stromspartechniken der Hersteller

Techniken wie Cool&Quiet (AMD) oder Speedstep/EIST (intel) bedienen sich sowohl der Absenkung des Taktes als auch der Kernspannung, wenn die Leistungsanforderungen an den Prozessor niedrig sind. Die Hersteller haben zu diesem Zwecke Schaltungen in ihre CPUs implementiert, die das aktuelle Belastungslevel analysieren und dementsprechend mit Hilfe eines kompatiblen Mainboards selbstständig Takt und Spannung der CPU anpassen. Auf diese Weise verheizen moderne Prozessoren schon deutlich weniger Energie als ihre Vorgänger z.B. in Form der Intel Pentium4 und AMD AthlonXP Baureihen die noch keine nennenswerten Stromspartechniken beherrschten. Heute unterstützen fast alle CPUs derartige Features. Teils deutliche Unterschiede bestehen aber hinsichtlich der Wirksamkeit und des Grundverbrauchs.

Ganz ausgereizt sind diese Hersteller-Konzepte im Regelfall nicht, so dass dem User weiterhin Möglichkeiten bleiben, mit Softwaretools und BIOS-Einstellungen Undervolting zu betreiben und den Takt herab zu setzen um den Verbrauch des Prozessors zu drosseln.

Hinweis: Bewährte Programme zur Einstellung von Takt und Spannungen im Betrieb (Windows):
rm-clock Utility
Crystal CPUID

TDP

Hersteller komplexer Halbleiter (CPUs, Chipsätze, GPUs, usw…) die gekühlt werden müssen um ordnungsgemäß zu arbeiten, geben heute meist eine sog. TDP = Thermal Design Power der Bauteile in Watt an. Besonders bei der CPUs wird dieser Werte leider allzu oft als Angabe der Verlustleistung missverstanden. Die TDP gibt jedoch nicht die Verlustleistung des Prozessors an, sondern ist eine Empfehlung der Hersteller zur Leistungsfähigkeit der zu verwendenden Kühlung. Eine TDP von 65W bedeutet also, dass der Hersteller empfiehlt, einen Kühler zu verwenden, der in der Lage ist unter normalen Umgebungsbedingungen kontinuierlich mindestens 65W Abwärme abzuführen.
Wie viel der Prozessor letztendlich verbraucht sagt diese Zahl jedoch keineswegs aus. Die TDP liegt bei allen Herstellern mal mehr, mal weniger deutlich über der tatsächlichen Verlustleistung der jeweiligen CPUs unter Volllast. Somit lässt sich anhand der TDP nur eine ganz grobe Abschätzung machen ob man ein besonders sparsames oder ein "Heizkörper"-Modell vor sich hat.

Bessere Anhaltspunkte für den Energieverbrauch von CPUs geben die Kernspannungen, der Fertigungsprozess und Angaben zum Verbrauch von Gesamtsystemen mit der CPU. Eine Noch bessere Grundlage sind natürlich Tests und eigene Messungen. Bei beidem muss man jedoch im Hinterkopf behalten, was alles Einfluss auf die Verlustleistung hat, und was man tatsächlich misst, bzw. was in einem Test gemessen wurde. Kritisches lesen von Tests ist daher beim Stromverbrauch mindestens so wichtig wie bei der Beurteilung von Benchmarkergebnissen.


MultiCore vs. SingleCore

Eine Frage die sich augenscheinlich bei der Auswahl einer sparsamen CPU stellt ist die Frage, ob ein Single-Core Prozessor nicht automatisch besser geeignet ist als ein Mehrkernprozessor. Zumindest DualCore CPUs sind momentan bei beiden großen Herstellern ihren SingelCore Verwandten inzwischen absolut ebenbürtig was den Stromverbrauch angeht. QuadCore-CPUs sollte man dagegen für sparsame Rechner bislang noch meiden, denn diese spielen noch in Verbrauchsligen, die weit ab von sparsam sind. Zudem können sie ihre Leistung meist nur in optimierten Anwendungen oder, im Zusammenspiel mit potenten Grafikkarten (z.B. in Spielen) zeigen. In Zukunft könnte sich dieses Bild ändern, aber momentan sind QuadCores für StromsparPC noch tabu.


Welche CPU-Serien bieten sich an?

Wenn es um die konkrete Auswahl einer Stromspar-CPU geht, stehen dem User inzwischen viele Möglichkeiten offen. Die folgende Aufstellung soll einen Überblick geben, mit welchen CPU-Reihen man in verschiedenen Preisklassen ein passendes Modell für Stromsparrechner in drei Geräteklassen finden kann:






Inhaltsverzeichnis:

Seite 01 - MK Stromspar-Guide Intro
Seite 02 - MK Stromspar-Guide: Warum einen Stromspar-PC nutzen?
Seite 03 - MK Stromspar-Guide: Prozessor
Seite 04 - MK Stromspar-Guide: Mainboards und Grafikkarten
Seite 05 - MK Stromspar-Guide: Netzteile
Seite 06 - MK Stromspar-Guide: Festplatten und SSDs
Seite 07 - MK Stromspar-Guide: Arbeitsspeicher
Seite 08 - MK Stromspar-Guide: Peripheriegeräte / Stromsparequipment
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Zuletzt aktualisiert: 20.07.2010




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