Das Power Management
Die Energieverwaltungsfunktionen ermöglichen es dem Prozessor, maximale Leistung zu erbringen und innerhalb des spezifizierten Stromversorgungs- und Leistungsaufnahme-Rahmens zu bleiben. Die Grundidee dabei ist, dass nur eine kleine Anzahl von für das Betriebssystem sichtbaren P-Zuständen definiert wird: einen Basis-P-Zustand, einen niedrigeren P-Zustand und einen sogenannten 3. Zustand. Der gesamte vom Prozessor unterstützte Frequenzbereich wird jedoch durch wesentlich feinkörnigere P-Zustände (FGPS) definiert.
Hierfür dient eine Kombination aus einer PLL mit 25-MHz-Auflösung und einem digitalen Frequenzsynthesizer. “Skin Temperature Aware Power Management” – kurz STAPM – ist AMDs Lösung, um mobile Geräte auf einer angenehmen Betriebstemperatur zu halten und in diesem Fall komplett deaktiviert.
Es ist wichtig zu beachten, dass bestimmte Energieverwaltungsfunktionen wie das Package Power Tracking (PPT) den Stromverbrauch typischer Anwendungen bis über die TDP des Prozessors hinaus erhöhen können! Diese Leistungsgrenze, bis zu der das Bauteil über den TDP hinaus Strom verbrauchen kann, wird als sogenannte PPT-Grenze definiert.
Der PPT-Grenzwert kann zur Laufzeit über das BIOS geändert werden. Im Übrigen ist interessant, wie AMD intern die Übergabe der Vorgabewerte handhabt, da das BIOS (vereinfacht betrachtet) alles mit 1,35 multipliziert, um das neue PPT-Limit festzulegen. Zur Sicherheit gibt es jedoch interne Prüfungen, die verhindern, dass ein PPT-Grenzwert gesetzt wird, der höher ist, als der Standard-Wert. Es kann jedoch ein beliebiger PPT-Grenzwert eingestellt werden, der niedriger ist als der Standard-PPT-Grenzwert.
Grundlagen zur Leistungsregelung (Spannungswandler)
Auch hier lässt sich viel sparen oder im Gegenzug leider auch vergeuden. AMD setzt hier jedoch seit Längerem klare Richtlinien in Bezug auf die Optimierung der Komponentenauswahl und -implementierung neu entwickelter Systeme. Neben der Berücksichtigung dessen, was für jeden Modus aktiv ist und was mit Strom versorgt werden muss, spielt auch die Gesamteffizienz des Stromverteilungsnetzes eine sehr wichtige Rolle bei der Fähigkeit der Plattform, diese hoch angesetzten Anforderungen zu erfüllen.
Das gilt auch und vor allem für die Einführung der neuen AM5-Plattform. Eine möglichst hohe Leistungseffizienz muss natürlich bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Versuche, ein bereits bestehendes Platinendesign zu modifizieren, um dadurch um die Energieeffizienz zu erhöhen, führt in der Regel nicht zu den gewünschten Ergebnissen. BIOS-Verbesserungen allein bringen ebenfalls nicht den maximalen Nutzen. Der größte Zugewinn wird nur erzielt, wenn die Hardware mit Blick auf maximale Effizienz entwickelt wurde und die Auswahl der verwendeten Komponenten dem ganzen Rechnung trägt.
AMD weist darauf hin, bei der Erzeugung von Teilspannungen übermäßig viele Ebenen (Stufen) der Leistungsumwandlung zu vermeiden, um die Effizienz zu erhalten und den Gesamtwirkungsgrad nicht zu sehr nach unten zu drücken. Die Topologie der Leistungsumwandlung muss im Vorfeld also sorgfältig geprüft werden. Die Anzahl und die Höhe der Spannungen sowie der Strombedarf für jede dieser Schienen müssen den Anforderungen entsprechen. Bei hohem Strombedarf müssen Schaltregler eingesetzt werden, die ausreichend hoch bemessen sind. Die Gesamtzahl der Stufen im Strompfad ist dabei auf zwei zu beschränken, einschließlich der Haupteingangsstromversorgung, denn jede Stufe senkt den Gesamtwirkungsgrad der gelieferten Endspannung signifikant. Reihenschaltung von Stromversorgungen sind also stets extrem kontraproduktiv. Ausnahmen sind hier nur die Referenzspannungen, die einer anderen Spannung folgen müssen, oder wenn der Strom z.B. außergewöhnlich niedrig ist.
Wirkungsgrade und Netzteil
Der Wirkungsgrad des Systems kann nicht höher sein als der Wirkungsgrad des verbauten Netzteils im Rechner, das ist natürlich logisch. Es muss groß genug bemessen sein, um alle anzuschließenden Peripheriegeräte und Erweiterungskarten stabil zu versorgen, darf aber im Gegenzug auch nicht so groß sein, dass die Effizienz in einer typischen Systemkonfiguration aufgrund unzureichender Belastung wieder stark abfällt. Alle Netzteile haben Effizienzkurven und wenn die Stromlast gleich Null ist, dann ist der ist auch der Wirkungsgrad gleich Null.
Die meisten aktuellen PC-Netzteile bieten ihren maximalen Wirkungsgrad bei einer Belastung von über 80 %. Ein weiterer wichtiger Bereich ist bei Stromversorgungen mit mehreren Ausgängen die Auswirkung auf den Gesamtwirkungsgrad bei einer unterschiedlichen Belastung der einzelnen Ausgänge (Crossload). Die Netzteile haben drei Betriebsbereiche:
– Unterbelastet
– Richtig belastet
– Überlastet
AMD führt ein Beispiel für die Leistungseffizienzkurven an, das die drei Bereiche zeigt. Ein Extremfall liegt vor, wenn der Laststrom gleich Null ist, da der Wirkungsgrad ebenfalls gleich Null ist.
Auch wenn ich immer wieder Prügel bekomme, wenn ich über den Sinn oder besser Unsinn sehr stark überdimensionierter Netzteile schreibe – es ergibt in der Summe nun einmal kaum einen Sinn, da die Systeme fast nie konstant mit Volllast laufen und sich die Kurve damit stets in den Bereich zu kleiner Lasten verschiebt.
Zusammenfassung
Es ist schwierig, viele der wichtigen Details auf einen gemeinsamen Nenner herunterzubrechen, mit dem auch ein Enduser noch etwas anfangen kann. Für den typischen PC-Nutzer und Selbstbauer ist auf alle Fälle erst einmal interessant, wie AMD den Wert für Tctl definiert und nutzt (obwohl die Sperrschichttemperaturen sicher deutlich höher liegen) und man den Endanwender mit normalisierten Werten auch vor Panik schützt. Und es ist auch eine einheitliche Größe für alle TDP-Klassen, um eine klassenübergreifende Regelung (Lüfter) und Kontrolle zu realisieren.
Die Erläuterungen zum thermischen Management sollen dem Anwender heute ein gewisses Gefühl der Sicherheit geben, denn so einfach “brennt” eine CPU nicht mehr durch, diese Zeiten sind Gott sei Dank vorbei. Der kleine Exkurs zu Tcase zeigt übrigens, dass man sich an diesem Wert eher nicht orientieren sollte. Das Power-Management bestätigt noch einmal, was wir schon von Zen 3 kennen, bis hin zu feinen Abstufung der FGPS und somit auch der sehr variablen Taktraten.
Den Part mit der Spannungsversorgung (Netzteil, Motherboard) habe ich aus gutem Grund mit eingefügt, denn ich hatte bei einigen Motherboard-Tests in der Vergangenheit schon so einige Effizienz-Fehltritte beobachten können. Man darf ja auch nie außer Acht lassen, dass AMDs Prozessoren echte SoC sind und man die Leistungsaufnahmewerte vor allem im Idle nicht so einfach mit denen von Intel vergleichen kann. Im Zweig der CPU (EPS) hängen nun einmal mehr Funktionsgruppen.
Ich hoffe, es war weder langweilig, noch zu komplex. Vieles von dem, was AMD zu Raphael schreibt, kennen wir in dieser oder einer ähnlichen Form bereits. Es ist allerdings auch beruhigend zu wissen, dass AMD den eingeschlagenen Weg kontinuierlich fortsetzt, so dass man bereits jetzt schon weiß, was einen so ungefähr bei diesen Punkten erwartet. Man wird also nicht gravierend umdenken müssen und das ist gut so.
Quellen: AMD, Intel (via Leaks)
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