Leistungsaufnahme von Pentium 4 Sockel 775 Prozessoren

Thermal Design Power (TDP) und Loadline & Derating

Die TDP stellt die Nennung der Leistungsaufnahme von Prozessoren dar, doch wie von uns bereits angeschnitten, mit Ausrichtung auf die Kühlerhersteller, die damit ihren Kühler nicht mehr nach einem einzelnen Prozessortyp kreieren, sondern eben auf eine ganze Gruppe von Prozessoren, welche dieser TDP-Nennung unterliegen.

Nehmen wir dabei als Beispiel die derzeitigen Intel Pentium 4 Sockel 775 Prozessoren bis zu einer Taktung von 3,4 GHz, so nennt Intel die Thermal Design Power dort mit 84 Watt, bei den derzeitigen Modellen darüber bis 3,8 GHz mit 115 Watt. Damit kann sich die Kühlerindustrie an diesen beiden Werten orientieren und eigene Produkte entsprechend fertigen.

Es sollte aber auch einleuchtend sein, dass die Taktsteigerung von 400 MHz bei diesen Prozessoren damit keiner Steigerung der Leistungsaufnahme von realen 31 Watt gleichsteht. Hier wurden schlicht Gruppierungen gebildet und in den einzelnen Gruppen gibt es selbstverständlich Streuungen, was immer fertigungsbedingt geschehen kann und dazu wird dann noch ein Sicherheitszuschlag hinzuaddiert.

Nun ist die Leistungsaufnahme (Watt) das Produkt aus Strom (Ampere), multipliziert mit der Spannung (Volt):
                Watt (W) = Ampere (A)*Volt (V)

Doch weder die reale Spannung verrät Intel dem Anwender, denn man arbeitet mit so genannten multiple VID, noch die tatsächliche Stromaufnahme des Prozessors lässt sich problemlos herausfinden. Bei den multiplen Prozessorspannungen spricht Intel davon, dass eine gewisse Reihe an Prozessoren mit Spannungen von x bis y angetroffen werden können. So ist es also möglich, dass man einen Pentium 4 530 erwirbt und dieser eine reale CPU-Spannung von 1,25V einfordert, während ein gleichnamiges Modell einer anderen Fertigung möglicherweise mit 1,4V Kernspannung arbeiten möchte. Bei den aktuellen Sockel 775 Modellen mit Prescott Kern nennt Intel die niedrigste Spannung mit 1,25V und die maximale Spannung mit 1,4V.

Diese Angaben beziehen sich allerdings nicht auf das Spannungsverhalten unter Systemvolllast. Hier kommt Intels so genannte Loadline zum tragen. Schon seit einer ganzen Generation von Northwood Prozessoren existiert diese Loadline, doch wurde sie kaum bemerkt oder gar großartig erwähnt. Dabei sieht Intels Loadline vor, dass die dem Prozessor zur Verfügung gestellte Spannung unter Volllast absinkt. Nachstehend eine aktuelle Intel Loadline Tabelle für so genannte 04B Prozessoren (>3,4 GHz Takt).


Leistungsaufnahme von Pentium 4 Sockel 775 Prozessoren


Am praktischen Beispiel sagt diese Tabelle folgendes aus: Der Spannungswandler eines Motherboards mit Pentium 4 3,73 GHz EE, bei welchem gerade ein Strom von 60 Ampere fließt, senkt die Prozessor-Spannung typisch um 0,1V, höchstens um 0,122V und mindestens um 0,078V ab, ausgehend von der definierten Kernspannung des jeweiligen Prozessors. Hätte unser Beispielkandidat 3,73 GHz EE von Hause aus also eine Spannung von 1,3V, so sollte diese bei einem Strom von 60 Ampere auf 1,2V abgesenkt werden.

Nun mag die Frage aufkommen, wieso Intel es hier unbedenklich sieht, die Prozessorspannung unter Last zurück zu fahren. Dies ist physikalisch bedingt. Fließt ein großer Strom durch den Prozessor, erwärmt sich dieser und er wird leitfähiger, lässt somit demnach bei konstant anliegender Spannung noch mehr Strom fließen. Intel hat die minimal benötigte Kernspannung für einen stabilen Betrieb genau vorgegeben, die Loadline zeigt dabei das Toleranzfenster für die Kernspannung auf.

Die Kernspannungsversorgung ist jedoch eine Quelle, die typisch mit kleinstem Innenwiderstand versehen (weitestgehend) eine Konstantspannungsquelle darstellt und - bei einem idealisierten Innenwiderstand von Null - in ihrer Ausgangsspannung nicht nachgeben würde. Dieses gewollte, kontrollierte "Nachgeben", was ein Absinken der Kernspannung zur Folge hat, muß mittels einer speziellen Funktion implementiert werden.

Alles in allem handelt es sich dabei um eine Art Derating-Funktion der Kernspannung, welche wir in dieser Form eher selten bis gar nicht bei derzeitigen Athlon 64 Plattformen angetroffen haben. Die Technik, die hier verwendet wird, nennt man Drooping. Bei zunehmendem Ausgangsstrom wird die Ausgangsimpedanz des Mehrphasenwandlers erhöht und somit die Ausgangsspannung verringert. Der Sinn des Drooping ist es, Regelüberschwingen der Spannungswandler bei sehr großen, schnellen Lastwechseln (Transienten) entgegenzuwirken, es ermöglicht ein besseres Reaktionsverhalten auf schnelle Lastwechsel und sorgt schlussendlich für stabilere Verhältnisse am Prozessor.

Immerhin treten, je nach Prozessortyp, Stromänderungen >900A/µs auf. Die steilsten Transienten werden dabei von keramischen Kondensatoren direkt in Prozessornähe abgefangen. Sie unterstützen die strompotenteren, aber langsameren Elkos, die in engstem Kontakt zum Sockel platziert sind. Gute Reglersysteme haben ein Lastregelverhalten von max. 1,2...1,5mV/A. Beim plötzlichen Zuschalten von 50A Laststrom kann die Ausgangsspannung also durchaus mal um 75mV schwanken, was die dem Prozessor beigestellte "Kondensatorbank" dann abfedern hilft.

Ein ausgeklügeltes Drooping lässt den gesamten Wandler mit weniger Ausgangselkos auskommen, was Kosten und nicht zuletzt auch Platz auf dem Mainboard einspart. Das Ausgangsimpedanzverhalten der Spannungswandler wird hierbei der jeweiligen Prozessorfamilie genau angepasst. Zudem kann ein Derating der Kernspannung als Funktion des gemessenen Stromes in gewissem Umfange dem Entstehen weiterer Verlustleistung entgegen wirken. Da Silizium einen negativen Temperaturkoeffizienten (ca. -2mV/K) hat, ist die Durchlassspannung für einen gegebenen Strom temperaturabhängig.

Diese lineare Abnahme der Durchlassspannung bei konstantem Strom bedeutet, dass der Strom mit der Temperatur exponentiell zunimmt, was übrigens auch für den Sperrstrom gilt - er verdoppelt sich bei 10K Temperaturerhöhung! Anmerkung: Wer das vertiefen möchte, findet im Buch "Halbleiterschaltungstechnik" 12. Auflage, von Tietze/Schenk, Springer-Verlag, ISBN: 3-540-42849-6 (Preis: ca. 90,- Euro) weitergehende Auskünfte.

Ist ein definiert gesperrter Zustand eines der Millionen Transistoren in einer CPU nicht mehr gegebenen, kommt es zu Rechenfehlern. Ein klarer Grund mehr, den Prozessor nicht zu überhitzen. Mancher Rechenfehler, den Prime95 ausweist, mag gut und gerne durch eine Fehlschaltung aufgrund zu hoher Temperatur im Prozessor aufgetreten sein.

Dieser Umstand macht die praxisbezogenen Messungen nicht eben leichter, denn an den Mosfets lässt sich das Derating, also das Absenken der Prozessorspannungen leider nicht oder hinreichend genau messen, aber dieser Wert ist zwingend notwendig (siehe oben genannte Formel), um die korrekte Leistungsaufnahme ermitteln zu können.



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