Intel verrät Tricks der in Haswell-Prozessoren eingebauten CPU-Spannungswandler

Intels aktuelle Haswell-Prozessoren rechnen unter Last besonders effizient, vor allem aber kommen sie im Leerlauf mit weniger Energie aus als viele andere x86-CPUs. Sorgfältig aufgebaute Notebooks erreichen deshalb bei typischer Nutzung längere Akkulaufzeiten und Desktop-PCs schlucken sehr wenig Leistung im Leerlauf.

Einen erheblichen Beitrag zur Sparsamkeit im Leerlauf und zur Effizienz unter Last leistet der "Fully-integrated Voltage Regulator" (FIVR), wie Intel den eingebauten Spannungswandler nennt. Auf der ISSCC hat der CPU-Hersteller nun einige Details der FIVR-Implementierung bei Haswell-Chips erläutert.

So war es bisher nicht ganz klar, wie Intel die bei Schaltwandlern nötigen Kondensatoren (Capacitors) und Spulen (Inductors) im Siliziumchip realisiert. Dank der hohen Schaltfrequenzen des FIVR reichen sehr kleine Werte für Induktivität und Kapazität aus. Doch im Verhältnis zu 22-Nanometer-Transistoren sind diese passiven Bauelemente gigantisch groß. Sie lassen sich nicht mit den nötigen Eigenschaften wirtschaftlich sinnvoll wie normale CMOS-Schaltungsteile realisieren.

Nun zeigt Intel, dass die Spulen im Die Carrier stecken. Mit letzterem ist eine spezielle Platine gemeint, die das sogenannte Silizium-Die trägt, also den eigentlichen Prozessor. Der Die Carrier bildet die Unterseite des Prozessorgehäuses und besitzt entweder Pins, Kontaktflächen (etwa für die LGA1150-Fassung) oder Lotkugeln (BGA-Gehäuse zum Auflöten).

Das Die ist kopfüber (Flip-Chip) mit dem Die Carrier verlötet (C4-Verfahren). Der Die Carrier hat viele Metalllagen. Die "kernlosen" Luftspulen (Air Core Inductors, ACI) bestehen nun schlichtweg aus Durchkontaktierungen (Plated Through-Hole, PTH) und speziell geformten Leiterbahnstücken in inneren Lagen des Die Carriers.

Viele Kondensatoren des FIVR stecken dagegen direkt im Die. Die Entwickler nutzen die Kapazität zwischen zwei Metalllagen. Intel spricht von Metal-Insulator-Metal-(MIM-)Kondensatoren. Sie verwenden je zwei der insgesamt 11 Metalllagen eines Haswell-Die.

Für größere Kapazitätswerte sind externe Kondensatoren nötig. Diese sitzen wie gehabt auf der Unterseite des Die Carrier. Bei den gesockelten Haswell-Chips für LGA1155-Mainboards sind diese Multi-Layer Ceramic Chip-(MLCC-)Kondensatoren sichtbar.

Die Integration des Spannungswandlers machte zwar neue Mainboards nötig und steigert den Aufwand bei CPU-Die und Die Carrier. Doch der FIVR bringt außer hoher Effizienz der eigentlichen Schaltung noch viele weitere Vorteile. So spart er Fläche und Kosten auf dem Mainboard. Die CPU kann man zwar nicht direkt mit der 12-Volt-Schiene des Netzteils verbinden, aber sie kommt mit einer wesentlich höheren Spannung als zuvor aus, die außerdem stärker schwanken darf. Folglich braucht der externe Spannungswandler weniger Strom zu liefern und kann viel schneller um- beziehungsweise abschalten. Beides wirkt sich positiv auf die Effizienz aus.

Schließlich war es laut Intel dank FIVR auch möglich, die Taktfrequenz und somit auch die Leistungsfähigkeit des eingebauten Grafikkerns deutlich zu steigern, ohne die Anfoderungen an den Spannungswandler auf dem Mainboard hochschrauben zu müssen. (ciw)