<2003-11-28> CPU+Mainboard FAQ - Kapitel 4/14 - CPU-Kuehlung
CPU und Mainboard FAQ Team
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Last-modified: 2003-11-28
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4. CPU-Kï¿œhlung
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Heutige CPUs produzieren eine enorme Wï¿œrmemenge, und so wird das Thema
CPU-Kï¿œhlung immer wichtiger. Deswegen mï¿œchten wir uns hier mit den
Grundlagen der CPU-Kï¿œhlung beschï¿œftigen.
Spezielle Kï¿œhlung ist fï¿œr 2 Gruppen wichtig:
- Die Uebertakter, die niedrige Temperaturen zum Erreichen hï¿œherer
Prozessortakte benï¿œtigen.
- Die "Leisetreter", die ihren PC mï¿œglichst leise machen wollen. Ihre
Systeme sind stark auf dieses Ziel abgestimmt.
Wenden wir uns nun zuerst der Funktionsweise von Kï¿œhlern zu.
4.1 Kï¿œhlkï¿œrper und Lï¿œfter
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Moderne Kï¿œhler bestehen aus einem Kï¿œhlkï¿œrper und einem Lï¿œfter.
Der Kï¿œhlkï¿œrper ist, einfach gesagt, ein Stï¿œck Metall. Da der
Wï¿œrmeaustausch proportional zur Oberflï¿œche des Kï¿œhlkï¿œrpers ist, sind
Kï¿œhlkï¿œrper mit Rippen ausgestattet, die die Oberflï¿œche um ein
Vielfaches erhï¿œhen.
Sie bestehen aus gut wï¿œrmeleitenden Materialien. Dies sind zurzeit
entweder Aluminium oder Kupfer (besser), da diese Materialien die Wï¿œrme
sehr gut leiten. Auch Wï¿œrme-ï¿œbergangs-Platten aus Silber sind in Mode
gekommen, ihr Sinn ist aber umstritten.
Man kann daraus also schlieï¿œen, dass Kï¿œhlkï¿œrper mit einer groï¿œen
Oberflï¿œche und Kupfer besser sind. Diese haben aber den Nachteil,
extrem schwer zu sein.
Da Intels Pentium 4 derzeit die grￜￜte Wￜrmemenge abgibt, fￜhrte Intel
eine neue ATX-Spezifikation ein, die es erlaubt sehr schwere Kï¿œhlkï¿œrper
mit dem Gehï¿œuse zu verschrauben, um zu verhindern, dass durch ihr
Gewicht die Plastiknasen vom Sockel brechen oder gar der Sockel aus dem
Motherboard reiï¿œt.
Aus diesen Grï¿œnden ist das maximale Kï¿œhlergewicht bei Sockel A
Motherboards (die noch mit dem alten ATX-Standard arbeiten) auf 300 g
begrenzt. Viele neue "Kï¿œhlmonster" ï¿œberschreiten diese Grenze locker.
Falls ein zu schwerer Kï¿œhler verwendet wird sollte er beim Transport
abmontiert werden, da sonst die Gefahr besteht das Mainboard zu
zerstï¿œren.
Der Lï¿œfter ist ein normaler "Ventilator" und dient einzig und allein
dem Zufï¿œhren kï¿œhler Luft zum Kï¿œhlkï¿œrper. Ein kleiner Lï¿œfter muss sich
schneller drehen als ein grￜￜerer, er ist also oft lauter. Das Lager
und die Flï¿œgelform tragen aber ebenfalls zur Lautstï¿œrke bei.
4.2 Falsche Temperaturen bei Athlon/Duron?
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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 Messfï¿œhler, der an der CPU
anliegt. Diese Temperaturen entsprechen also nicht den realen
Temperaturen, deswegen passen BIOS und ï¿œberwachungsprogramme (z.B.
Motherboard Monitor 5) die Messwerte an.
Trotzdem sind sie oft zu niedrig. Daher sollte man 10 bis 15ï¿œC zu den
angezeigten Werten addieren, um auf Nummer Sicher zu gehen.
Seit dem Athlon XP Palomino hat AMD solche Messfehler ausgerï¿œumt,
ï¿œhnlich wie beim Pentium 3 ist nun eine Messdiode im Prozessor-Kern
"eingebaut".
Nicht alle Motherboards, auf denen der Athlon mit Palomino-Kern lï¿œuft,
haben auch die Fï¿œhigkeit, diese Messdiode auszulesen. Unter Umstï¿œnden
wird weiterhin die Temperatur mit einem externen Messfï¿œhler bestimmt.
4.3 Wie finde ich den optimalen Kï¿œhler?
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Auf den folgenden Seiten werden regelmￜￜig Kￜhlertests verￜffentlicht.
Auf ihnen kannst du aktuelle Kï¿œhlervergleiche auswerten und dir den fï¿œr
dich optimalen Kï¿œhler heraus suchen.
http://www.tomshardware.de/
http://www.tecchannel.de/
http://www.anandtech.com/
http://www.ocinside.de/
AMD hat fï¿œr seine Kunden eine Liste mit empfohlenen Kï¿œhlern
zusammengestellt, sie ist hier zu finden:
http://www1.amd.com/products/athlon/thermals/
4.4 Mï¿œgliche Probleme mit der CPU-Kï¿œhlung
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4.4.1 Direkt nach dem Einschalten steigt die Temperatur im BIOS
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rapide an, danach friert der Rechner ein
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Der Rechner sollte sofort abgeschaltet werden. Folgende Dinge sind
zu ï¿œberprï¿œfen:
- Wurde Wï¿œrmeleitpaste/ein Wï¿œrmeleitpad verwendet?
- Wenn ein Wï¿œrmeleitpad verwendet wurde: Wurde die Schutzfolie
entfernt?
- Wenn Wï¿œrmeleitpaste verwendet wurde: Wurde sie sehr sparsam
aufgetragen? (stecknadelkopfgroï¿œer Tropfen beim AMD Athlon/Duron)
- Ist der Kï¿œhler gerade aufgesetzt, existiert kein Luftspalt?
- Verkantet der Kï¿œhler nicht mit dem CPU-Sockel?
- Dreht sich der Lï¿œfter?
- Sind keine Flachbandkabel direkt vor dem Lï¿œfter?
4.4.2 Trotz eines immer gelobten Kï¿œhlers bleiben die Temperaturen
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vergleichsweise hoch
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- Ist der Kï¿œhler richtig montiert (Wï¿œrmeleitpaste, gerade
aufgesetzt)?
- Dreht der Lï¿œfter, hat er "freie Bahn"?
- Existiert ein Luftstrom der warme Luft aus dem Gehï¿œuse entfernt?
- Werden Gehï¿œuselï¿œfter verwendet? Die optimale Verwendung sieht
vor, dass hinten warme Luft aus dem Gehï¿œuse geblasen wird, und
vorn einstrï¿œmt.
4.4.3 Welche Temperatur ist normal im Betrieb?
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Eine generelle Aussage kann nicht getroffen werden. Erstens
variieren die Messmethoden (Kapitel 4.2) und zweitens kann es vor
allem bei externen Messfï¿œhlern immer wieder zu Fehlmessungen kommen.
ï¿œber den Daumen gepeilt sind bei einer externen Temperaturmessung 0
bis 20 Grad zu der gemessenen Temperatur hinzu zu addieren, um die
Die-Temperatur grob abzuschï¿œtzen. Manchmal erledigt das die
Mess-Software (zu Teilen) selbststï¿œndig, 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 hï¿œheren
Temperaturen kann sehr wohl ein fehlerfreier und auch langfristig
problemloser Betrieb gewï¿œhrleistet sein.
Treten Abstï¿œrze auf und ist die CPU-Temperatur relativ hoch, so kann
es sein, dass auch wirklich die CPU ï¿œberhitzt und abstï¿œrzt.
Allerdings kï¿œnnen auch andere Komponenten im PC ï¿œberhitzen und
ebenfalls fï¿œr einen Absturz verantwortlich sein. Die
"Motherboard-Temperatur" ist fï¿œr die Klï¿œrung der Ursache ein guter
Anzeiger. Ist zu viel heiï¿œe Luft im Gehï¿œuse, kann weder die CPU
effektiv gekï¿œhlt werden, noch kï¿œnnen anderen Komponenten problemlos
betrieben werden. RAM kann z.B. bei erhï¿œhter Temperatur schnell
Fehler produzieren, die sich in Abstï¿œrzen zeigen. Eine pauschale
Grenztemperatur kann man nicht angeben, wohl aber Richtwerte -
oberhalb von 40ï¿œC kï¿œnnen erste Probleme auftreten (man denke auch
daran, daￜ z.B. Festplatten sich in solch warmer Umgebung leicht auf
Temperaturen jenseits der zumeist maximal zulï¿œssigen 55 oder 60ï¿œC
erwï¿œrmen, was der Lebensdauer und damit ggf. den Daten gar nicht
guttut - am liebsten laufen sie bei 25 bis 40ï¿œC), 50ï¿œC
Innentemperatur kￜnnen als recht heiￜ gelten.
Lï¿œuft das System stabil, aber misst man eine recht hohe
Gehï¿œusetemperatur (evtl. mit einem anderen Thermometer ï¿œberprï¿œfen, da
die Sensoren auf dem Mainboard ungï¿œnstig angebracht sein kï¿œnnen und
evtl. nur einen lokalen Wï¿œrmestau feststellen), sollte man unter
Umstï¿œnden auch etwas dagegen unternehmen. Zum einen kann an einem
heiï¿œen Sommertag endgï¿œltig das System ï¿œberhitzen und zum anderen
altern Bauteile auch schneller. Im Normalfall sollte die Lebensdauer
des PCs dennoch weit ï¿œber der Nutzungsdauer liegen, aber besonders
negativ sind minderwertige Elektrolytkondensatoren aufgefallen. Dazu
mehr in Kapitel 10.3.1.6.
4.5 Stromverbrauch und Abwï¿œrme: Hintergrï¿œnde und Gegenmaï¿œnahmen
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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 Wï¿œrme um. Die pro Zeiteinheit abgegebene
Wï¿œrmemenge wird als Verlustleistung bezeichnet; sie entspricht
ziemlich genau der vom Prozessor aufgenommenen elektrischen Leistung,
da die Energie ja schlecht irgendwohin verschwinden kann (ein
biï¿œchen geht noch fï¿œr die Kommunikation mit der Auï¿œenwelt drauf).
Damit ist auch klar, daￜ die Anforderungen an die Stromversorgung
keine geringen sind (siehe Kapitel 10.2.2, Netzteile). Aber auch die
Verlustleistung selbst muￜ durch leistungsfￜhige Kￜhler (= Kￜhlkￜrper
und Lï¿œfter, zumindest bei Luftkï¿œhlung) an die Umgebungsluft abgegeben
werden, die wiederum von einem stetigen Luftstrom aus dem Gehï¿œuse
befￜrdert werden muￜ, damit sich nicht die warme Luft im Inneren
staut und PC-Komponenten im eigenen Saft schmoren lￜￜt (gerade
Festplatten sind darauf nicht sonderlich erpicht und fallen evtl.
frï¿œher aus als nï¿œtig). Vergleicht man die heutige Situation mit der
von ca. 1995, so stellt man fest, daￜ die damaligen CPUs nicht selten
noch komplett passiv, d.h. nur mit einem entsprechend dimensionierten
Kï¿œhlkï¿œrper ohne Lï¿œfter, zu kï¿œhlen waren - was angesichts der
maximalen Verlustleistungen z.B. von ca. 8 W fï¿œr einen Pentium 75
oder 6-7 W fï¿œr einen AMD 5x86 133 (der aufgebohrte 486er mit
P75-Rating, falls sich wer erinnert) kaum verwundert. Die aktuell
heiï¿œesten Rechenheizkï¿œrper geben mal eben die zehnfache
Verlustleistung oder mehr an ihre Umgebung ab. Dazu kommt ein
weiteres Problem: Wurde damals[tm] die Wï¿œrme noch ï¿œber ein recht
groￜes Prozessorgehￜuse abgegeben, muￜ heutzutage oft der nackte Die
mit um oder weniger als 1 cm2 Flï¿œche einige dutzend Watt an den
Kï¿œhler abgeben (etwa beim AMD Athlon/Duron). - Der Die (siehe
"dicing" in der Halbleiterherstellung) ist der eigentliche Prozessor
und stellt sich als ein schimmerndes Siliziumplï¿œttchen dar. - Die
Wï¿œrmestromdichte ist somit weitaus hï¿œher als bei einer
Elektroherdplatte (ca. eine Grￜￜenordnung). (Humoristisch veranlagte
Zeitgenossen kￜnnten jetzt einwerfen, daￜ sicher weitaus mehr
Herdplatten als Prozessoren mit dem Luxus einer "Wasserkï¿œhlung"
beglￜckt werden...) Da verwundert es nicht, daￜ ein hervorragender
Wï¿œrmeï¿œbergang von hoher Wichtigkeit ist. Diesen versucht man
ï¿œblicherweise mit glatter Kï¿œhleroberflï¿œche (oft aus Kupfer, das
Wï¿œrme besser leitet als Aluminium), ein wenig Wï¿œrmeleitpaste (diese
soll nur die Unebenheiten des Kï¿œhlkï¿œrpers ausfï¿œllen - ein kleiner
Klecks auf dem Die genï¿œgt!) und hohem Anpreï¿œdruck zu realisieren.
Gerade der hohe nï¿œtige Anpreï¿œdruck birgt aber auch Risiken: Nicht
wenige Prozessoren mit offenliegendem Die sind entweder optisch in
Mitleidenschaft gezogen worden oder gar ganz in die ewigen Jagdgrï¿œnde
eingegangen, weil Anwender bei der Kï¿œhlermontage z.B. durch Verdrehen
des Kï¿œhlers bei hohem Druck Ecken oder ganze Kanten des Die
abbrachen. Aber auch die mit Heatspreadern ausgerï¿œstete
Konkurrenz in Form des Pentium 4 ist vor Problemen nicht gefeit:
hier kï¿œnnen bei einigen Konstruktionen mit zusï¿œtzlichen
Versteifungselementen eventuell die Retention-Module oder andere
Plastikteile brechen. (Die normalerweise vorgesehene Abfederung durch
das Boardmaterial (!) ist wohl auch manchen Boardherstellern etwas
suspekt.) Vertrauenswï¿œrdiger 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 Kï¿œhler helfen, dessen Halteklammer alle drei benutzt.
4.5.2 Stromsparen beim Nichtstun - zuweilen mit Hindernissen
============================================================
Wird der Prozessor nicht benï¿œtigt (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
auszufï¿œhren (sprich: mit Nichtstun beschï¿œftigt zu sein - NOP = No
Operation) und somit sinnlos Strom zu verbrauchen. Dazu wird ein
Befehl an die CPU gesendet (HLT = Halt), der sie "einschlafen" lï¿œsst,
wobei viele Prozessorteile abgeschaltet werden. Das Aufwachen kann
durch einen Interrupt oder durch einen Timer ausgelï¿œst 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 hï¿œhere
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) hï¿œngt. Erst die Abkopplung vom Bus in Idlezeiten
("Disconnect") bringt das erhoffte Ergebnis. Dies ist allerdings
chipsatzspezifisch einzustellen, wobei auch nicht alle Chipsï¿œtze
diese Funktion ï¿œberhaupt anbieten und nicht alle Boards stabil und
problemlos damit laufen (i.d.R. sind es die Spannungsregler, die ob
der stï¿œndigen Lastwechsel streiken, aber auch Probleme mit
PCI-Soundkarten kï¿œnnen auftreten). Wer nicht zu begierig auf das
Herumschrauben an Chipsatzregistern ist, aber trotzdem von
Disconnect profitieren mï¿œchte, kann unter Windows Programme wie
VCool, CPUIdle oder CPUCool einsetzen, fï¿œr Linux gibt es LVCool.
Mit dem Opteron und Athlon64 soll es keine Probleme in dieser
Richtung mehr geben.
4.5.3 Mechanische Maï¿œnahmen
===========================
Um den Wï¿œrmeï¿œbergang zwischen Prozessor und Kï¿œhlkï¿œrper zu verbessern,
wurde schon vor lￜngerer Zeit an der Vergrￜￜerung der Kontaktflￜche
gearbeitet. Beim ersten hitzkï¿œpfigen x86er, dem Pentium Pro
insbesondere in den Versionen mit grￜￜerem L2-Cache, wurde noch das
Gehï¿œuse extra glatt hergestellt. Schon wenig spï¿œter kamen allerdings
erste Prozessoren mit integriertem Heatspreader auf den Markt (siehe
z.B. Pentium II SECC). Ein Heatspreader ist grundsï¿œtzlich nichts
anderes als eine Metallplatte aus gut wï¿œrmeleitendem Material, die
auf der einen Seite einen sehr guten Wï¿œrmeï¿œbergang vom Die her hat
(deutlich besser als das, was sonst per Kï¿œhlkï¿œrperï¿œberflache und
Wï¿œrmeleitpaste/-pad zu erreichen ist), andererseits die Wï¿œrme auf
eine groï¿œe Flï¿œche verteilt, damit auch bei hï¿œherem Wï¿œrmewiderstand
auf dieser Seite eine gute Wï¿œrmeabgabe an den Kï¿œhlkï¿œrper (sprich:
hoher Wï¿œrmestrom bei geringer Temperaturdifferenz) gewï¿œhrleistet
ist. Bei richtiger Konstruktion ist die Wï¿œrmeabgabe trotz des
zusï¿œtzlichen ï¿œbergangs nicht schlechter als bei einem Konzept mit
nacktem Die. Beispiele fï¿œr Prozessoren mit Heatspreader sind z.B.
spï¿œte Pentium III und PIII-Celerons mit Integrated Heat Spreader
(IHS), die geradezu lï¿œcherlich einfach zu kï¿œhlen sind, und Pentium 4,
die ebenfalls besser zu kï¿œhlen sind als es von der Verlustleistung
her zu erwarten wï¿œre. (Hierbei sollten man jedoch im Auge behalten,
daￜ Pentium-4-Kￜhler oft mit recht groￜen Kￜhlkￜrpern mit
80-mm-Lï¿œftern betrieben werden, im AMD-Lager aber durchaus auch
noch weniger leistungsfï¿œhigere Kï¿œhler mit 60er Lï¿œftern ï¿œblich
sind.) Die Heatspreader auf AMDs K6-2/III waren hingegen eher
kontraproduktiv; die auf den Opterons dï¿œrften (und mï¿œssen) besser
werden.
Ganz nebenbei bietet ein Heatspreader guten mechanischen Schutz fï¿œr
den Die, so daￜ eine Beschￜdigung des Dies bei der Kￜhlermontage
praktisch ausgeschlossen ist. (Spï¿œtter nannten den IHS daher auch
"Integrated Lamer Protection".)
4.5.4 Notabschaltung, Throttling
================================
Sollte die Kï¿œhlung einer CPU ausfallen, so kann die sich aufstauende
Hitze dazu fï¿œhren, dass die Strukturen im Silizium zerstï¿œrt werden.
Dieser GAU sollte zwar nur bei Betrieb einer modernen CPU vï¿œllig ohne
Kï¿œhlkï¿œrper auftreten, aber auch wenn meist durch einen ausgefallenen
Lï¿œfter die CPU lediglich abstï¿œrzt, so bleibt ein Restrisiko.
Dem entgegen wirken Schutzmechanismen, die allesamt eine schnelle und
hinreichend prï¿œzise Temperaturmessung voraussetzen. Dies ist nur
direkt in der CPU mit einer Meï¿œdiode im Die mï¿œglich. 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 muￜ das Mainboard derartige Funktionen
bereitstellen, beim Intel Pentium 4 sind diese in der CPU integriert.
Letzterer arbeitet bei ï¿œberhitzung i.d.R. nur noch 30 bis 50% der
Zeit; zusï¿œtzlich 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 akkuschï¿œdliche Stromspitzen abzumildern oder die
Laufzeit im Akkubetrieb zu verlï¿œngern.
4.6 Verlustleistung in digitalen Schaltungen
============================================
Im folgenden werden die Quellen fï¿œr Verlustleistung in digitalen
Schaltungen grob hergeleitet. Es werden CMOS-Schaltungen (CMOS =
complementary metal oxide semiconductor) betrachtet, wie sie heute
nahezu ausschliesslich fï¿œr 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
genï¿œgend 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 ï¿œffnet die Verbindung zwischen Drain und
Source, wenn die Spannung zwischen Gate und Source groￜ ist, der
pMOSFET ï¿œffnet diese Verbindung, wenn die Spannung klein ist. Legt
man somit am Eingang "in" eine hohe Spannung an, so ï¿œffnet der
nMOSFET und der pMOSFET schliesst. Da der Ausgang "out" ï¿œber den
geï¿œffneten nMOSFET direkt mit Masse verbunden ist, fï¿œhrt er im
Idealfall eine Spannung von 0 V.
Legt man am Eingang dagegen eine kleine Spannung an, so wird der
Ausgang ï¿œber den pMOSFET mit Udd verbunden und fï¿œhrt somit eine
hohe Spannung. Die Spannung reprï¿œsentiert 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 flieï¿œt
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 (parasitï¿œre) Kapazitï¿œt
zwischen Gate und Source (bzw. Gate und Drain). Somit sollten
z.B. in einem CMOS-Inverter niemals wirklich Strï¿œme fliessen, da
ja immer einer der der beiden Transistoren gesperrt und das Gate
isoliert ist. In der Realitï¿œt muss die Kapazitï¿œt zwischen Gate
und Source aber auf eine Spannung aufgeladen werden, damit die
FETs sich ï¿œffnen oder schliessen. Das bedeutet, es mï¿œssen 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 ï¿œber 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, fï¿œhrt dieser Stromfluss zu einer Erwï¿œrmung. Hinzu kommt
der Widerstand der Verbindungsleitungen zwischen den Gattern, der
aber meist viel kleiner als der Widerstand der Transistoren ist
und daher oft vernachlï¿œssigt 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
nï¿œherungsweise gilt:
Pm = n * f * C * Udd2
Pm = mittlere Verlustleistung [W]
n = mittlere Anzahl von Umladevorgï¿œngen pro Takt
f = Taktfrequenz [Hz]
C = Kapazitï¿œt, 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, ï¿œndern sich die Eingangsspannungen
nicht), aber wï¿œhrend einer Rechnung kï¿œnnen auch an einem Gatter
mehrfach Umladungen auftreten, bis das Ergebnis wirklich
feststeht. (Mehrfache Umladungen nennt man hazards bzw.
glitches.)
Umso grￜￜer die Kapazitￜten sind, die umgeladen werden mￜssen,
desto mehr Strom muss fliessen. Die Umladung geschieht umso
schneller, je grￜￜer die Versorgungsspannung, ist da so ein
grￜￜerer Strom auf die umzuladende Kapazitￜt fliessen kann. Die
Spannung geht quadratisch in die Verlustleistung ein.
4.6.4 Reduktion dynamischer Verlustleistung - Praxis
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Der erste Ansatz die Verlustleistung zu reduzieren, ist die
Spannung zu senken, da diese den grￜￜten Einfluss hat. Je
niedriger die Spannung ist, desto langsamer werden aber die
Kapazitï¿œten umgeladen. Dies bedeutet, dass die Gatter langsam
werden, also im Endeffekt nur langsame Taktfrequenzen erreichet
werden kï¿œnnen. 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 ï¿œndern, desto weniger Umladevorgï¿œnge
werden ausgelï¿œst. Der HLT-Befehl (Kapitel 4.5.2) bringt moderne CPUs
in einen Zustand, wo wenig Umladevorgï¿œnge ausgelï¿œst werden. Beim
Athlon funktioniert dies nicht richtig, so dass er vom Bus
abgekoppelt werden muss, was ebenfalls dazu fï¿œhrt, dass keine
neuen Daten anliegen.
Der Benutzer hat somit viele Mï¿œglichkeiten, 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 ï¿œlteren Schaltungstechniken
(wie TTL, RTL, ECL, nMOS- oder pMOS-Logik) vom Prinzip her keine
statischen Strï¿œme, die fliessen mï¿œssen um logische Signale
darzustellen. Die Spannung allein genï¿œgt zur Darstellung der
logischen Signale. Dennoch ist keine Schaltung ideal und es
treten Leckstrï¿œme auf. (Zur Vertiefung in dieses Gebiet seien
folgende Stichworte genannt: Strï¿œme in gesperrten PN-ï¿œbergï¿œngen,
Subthreshold-Strï¿œme und Strï¿œme bedingt durch den
Gateoxyd-Tunneleffekt.)
Je hï¿œher die zum ï¿œffnen eines nMOSFET benï¿œtigte Spannung (die
Schwellspannung) ist, desto mehr muss die parasitï¿œre
Gate-Source-Kapazitï¿œt aufgeladen werden. Daher reduziert man die
Schwellspannung mit schaltungstechnischen Mitteln und erreicht
somit hï¿œhere Taktfrequenzen.
Eine niedrige Schwellspannung bedeutet aber auch, dass
Transistoren nicht mehr so sicher sperren, wie bei hoher
Schwellspannung. Es fliessen also mehr Leckstrï¿œme.
In heutigen modernen Prozessoren hat die statische Verlustleistung
durch die Leckstrï¿œme inzwischen einen groï¿œen Anteil an der gesamten
Verlustleistung. Statische Verlustleistung tritt zudem immer auf und
ist nicht abhï¿œngig 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 Grￜￜe 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
kï¿œnnte beim Heruntertakten mittels SpeedStep / PowerNow! / LongRun
automatisch die Schwellspannung erhï¿œht werden, aber auch darauf hat
der Benutzer keinen Einfluss.