Ruheleistung von Intels Pentium-4-Prozessoren soll deutlich sinken

Nach wie vor geizt Intel mit konkreten Daten, doch anscheinend soll ein neues Prozessor-Stepping den Pentium 4 deutlich sparsamer und damit leiser kühlbar machen.

Seit Einführung des Prescott-Kerns mit 90-Nanometer-Strukturen bei Pentium 4 und Celeron D in Sockel-478- und LGA775-Gehäusen wurde der extrem hohe Leistungsbedarf dieser Prozessoren kritisiert. Zwar war schon der 130-Nanometer-Northwood-Kern kein Kostverächter und erzielte eine Thermal Design Power von bis zu 89 Watt (3,4-GHz-Typ), doch die schnellsten Prescott-Typen bringen es auf bis zu 115 Watt (PRB=1) und ziehen vor allem eine enorm hohe Ruheleistung: Intel toleriert Ruheströme von bis zu 56 Ampere bei maximaler Betriebsspannung von 1,425 Volt, unter Praxisbedingungen und Berücksichtigung der Strom-/Spannungs-Kennlinie errechnen sich daraus Ruheleistungen von etwa 80 Watt.

Eine exakte Analyse des Problems erschwert Intel, weil konkrete Angaben fehlen. Einerseits sind die Angaben zum Strombedarf der Prozessoren im unbelasteten (Halt-)Zustand Maximalwerte bei höchstzulässiger Temperatur und Spannung, die viele ausgelieferte Prozessoren unterschreiten. Andererseits kommen Prozessoren gleicher Taktfrequenz mit unterschiedlicher Kalibrierung der Kernspannung auf den Markt, was Intel Multiple Voltage Identification nennt: Über eine 6-Bit-VID-Kennung teilen die Prozessoren dem Spannungswandlers des Mainboards mit, welche Nominalspannung sie benötigen, um stabil mit voller Frequenz zu arbeiten.

Der Spannungswandler stellt nun nicht etwa diese Nominalspannung fest ein, sondern muss je nach Stromaufnahme des Prozessors die Spannung senken. Offenbar laufen die Prozessoren unter voller Belastung auch mit kleineren Kernspannungen stabil. Durch die Spannungsabsenkung reduziert Intel nicht nur die Verlustleistung und erleichtert damit eine (leise) Kühlung, sondern reduziert auch die Auswirkungen der Elektromigration und sichert so die Langzeitstabilität der Prozessoren mit ultrafeinen Strukturen.

Werden Pentium-4- oder Celeron-Prozessoren wegen schlechter Kühlung zu heiß, so drosseln sie ihre Taktfrequenz im laufenden Betrieb und damit die Abwärmeproduktion. Diese Technik des Clock Throttlings durch Modulation (beziehungsweise Gating) des internen Taktsignals nennt Intel Thermal Control Circuit TCC. TCC funktioniert automatisch, wenn das Mainboard-BIOS den so genannten Thermal Monitor aktiviert. Laut Datenblatt ist diese Aktivierung der Schutzfunktion für spezifikationstreuen Prozessorbetrieb absolut notwendig (weshalb sie überhaupt abschaltbar ist, bleibt Intels Geheimnis).

Nach der Näherungsformel P = 0,5 x C x U² x f ändert sich die Leistungsaufnahme (P) von CMOS-Schaltungen linear proportional mit deren Kapazität (C) und Betriebsfrequenz (f), steht aber in quadratischem Verhältnis zur Betriebsspannung (U). Das bedeutet, dass sich durch eine Senkung der Kernspannung bedeutend mehr Energie sparen lässt als durch die Frequenzminderung. Nach diesem Prinzip arbeiten die Stromsparfunktionen vieler Mobilprozessoren (SpeedStep, PowerNow!) und der AMD-Athlon-64-Desktop-Typen (Cool'n'Quiet). Dort nutzt man den Effekt vor allem, um im Halt-Zustand, also bei unbelastetem Prozessor die Leistung drosseln zu können und so den Kühlungsaufwand und den mittleren Energiebedarf zu drosseln. Dabei ist es allerdings erforderlich, gleichzeitig auch die Taktfrequenz im laufenden Betrieb umzuschalten, denn mit der niedrigen Kernspannung würde der Prozessor nicht mehr stabil laufen. Die Kombination aus abgesenkter Frequenz und Spannung reduziert allerdings auch die Leistungsaufnahme noch weiter.

Schon vor geraumer Zeit hat Intel die Voraussetzungen für eine ähnliche Funktion in den Spezifikationen für Pentium-4-Spannungswandler verbindlich vorgeschrieben: Per Dynamic Voltage ID (D-VID) können diese Prozessoren den Spannungswandler im laufenden Betrieb in schnell aufeinander folgenden 12,5-Millivolt-Schritten herunterfahren. Zuvor schaltet der Prozessor (durch Änderung seines internen Multiplikators) jeweils auf niedrige Frequenzen herunter.

Mit der etwas mysteriösen Ankündigung des E0-Steppings der Prescott-Kerne hatte Intel "Additional thermal management features" avisiert, diese aber beim ersten Prozessor im E0-Stepping, dem Celeron D im LGA775-Gehäuse, etwas anders umgesetzt als erwartet: Der "Thermal Monitor 2" (TM2) nutzt D-VID dort bisher nur, um bei Überhitzung Taktfrequenz und Kernspannung zu senken. Auf Befehl von außen lässt sich diese Funktion (anders als TCC) nicht aktivieren.

Doch im aktuellen Datenblatt des Pentium 4 im LGA775-Gehäuse zeigen sich die erwarteten Auswirkungen: Sofern das BIOS es erlaubt, nutzen bestimmte Ausführungen des Prescott-E0-Kerns D-VID auch für einen so genannten Enhanced Auto Halt State, der eine niedrigere Leistungsaufnahme verspricht.

Die konkrete Höhe der Einsparungen lässt sich nur schwer einschätzen, denn Intel verrät weder die gesenkte Betriebsfrequenz im Enhanced-Auto-Halt-Modus noch die dann genaue anliegende, niedrigere Kernspannung. Möglicherweise ist letztere von Prozessor zu Prozessor verschieden.

Einige Hinweise liefert das genannte Datenblatt dennoch: So soll der Ruhestrom etwa beim 3,4-GHz-LGA775-Prescott (550) -- der im E0-Stepping jetzt mit 84 statt 115 Watt TDP auskommen soll -- von 40 auf 31 Ampere sinken. Beim 3,6-GHz-Typ (560), der die stärkere Spannungswandlerkennlinie B (115 Watt TDP) nutzt, betragen die Werte 56 und 37 Ampere. Bei den Versionen mit 2,8 (520) und 3 GHz (530) bringt der Enhanced-Auto-Halt-Modus laut Datenblatt keine Vorteile bei der Stromaufnahme.

Dies deutet zum Einen darauf hin, dass die Stromspar-Frequenz bei 2,8 GHz liegt -- das entspricht auch der Minimalfrequenz bei den neuen Xeons mit Demand-Based Switching (DBS). Weil Intel offenbar nicht weiter herunterschalten kann oder will, bring wohl auch das Umschalten bei den langsameren Xeon-, Celeron-D- und Pentium-4-Typen nichts oder ist gar nicht erst aktiviert (der Enhanced Halt State findet sich übrigens bei genauem Hinsehen auch im Celeron-D-Datenblatt).

Andererseits gelten die angegebenen Ruhestrom-Maximalwerte für die höchstzulässige Kernspannung, während im Stromspar-Zustand möglicherweise je nach CPU-Version eine deutlich niedrigere Kernspannung anliegt, wodurch der Strom weiter sinkt -- das ist allerdings eine Spekulation. Bisher sind E0-Prescotts kaum zu bekommen, außerdem wäre noch ein Mainboard mit definitiv funktionsfähiger D-VID-Steuerung und passendem BIOS zum Nachmessen nötig.

So niedrige Leistungsbedarfswerte wie AMD mit Cool'n'Quiet scheint Intel jedenfalls nicht anzustreben. Doch möglicherweise lässt sich wenigstens die Lautstärke des Prozessorkühler-Ventilators deutlich senken, sofern ein Kühler mit regelndem Lüfter zum Einsatz kommt: Über einen vierten Pin am Lüfteranschluss des Mainboards können LGA775-Mainboards ein pulsweitenmoduliertes (PWM-)Signal ausgeben, das in Zusammenhang mit der aktuellen Prozessortemperatur steht. Damit wird es möglich, die Lüfterdrehzahl auch an die aktuelle Prozessortemperatur anzupassen -- bisher regeln die meisten Prozessorkühler mit variabler Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit von der Ansaugluft-Temperatur. Nur wenige Mainboards (darunter einige von Fujitsu-Siemens) sind bisher in der Lage, die CPU-Lüfterdrehzahl unabhängig vom Betriebssystem und gleitend zu verstellen. (ciw)