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<2003-11-28> CPU+Mainboard FAQ - Kapitel 4/14 - CPU-Kuehlung

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Archive-name: de/comp/hardware/cpu+mainboard/kapitel_4
Posting-frequency: monthly
Last-modified: 2003-11-28
URL: http://dch-faq.de/kap04.html
Disclaimer: Approval for *.answers is based on form, not content.

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4. CPU-Kühlung
==============

Heutige CPUs produzieren eine enorme Wärmemenge, und so wird das Thema
CPU-Kühlung immer wichtiger. Deswegen möchten wir uns hier mit den
Grundlagen der CPU-Kühlung beschäftigen.
Spezielle Kühlung ist für 2 Gruppen wichtig:
- Die Uebertakter, die niedrige Temperaturen zum Erreichen höherer
  Prozessortakte benötigen.
- Die "Leisetreter", die ihren PC möglichst leise machen wollen. Ihre
  Systeme sind stark auf dieses Ziel abgestimmt.

Wenden wir uns nun zuerst der Funktionsweise von Kühlern zu.


 4.1 Kühlkörper und Lüfter
 =========================

 Moderne Kühler bestehen aus einem Kühlkörper und einem Lüfter.

 Der Kühlkörper ist, einfach gesagt, ein Stück Metall. Da der
 Wärmeaustausch proportional zur Oberfläche des Kühlkörpers ist, sind
 Kühlkörper mit Rippen ausgestattet, die die Oberfläche um ein  
 Vielfaches erhöhen. 
 Sie bestehen aus gut wärmeleitenden Materialien. Dies sind zurzeit
 entweder Aluminium oder Kupfer (besser), da diese Materialien die Wärme
 sehr gut leiten. Auch Wärme-Übergangs-Platten aus Silber sind in Mode
 gekommen, ihr Sinn ist aber umstritten.
 Man kann daraus also schließen, dass Kühlkörper mit einer großen
 Oberfläche und Kupfer besser sind. Diese haben aber den Nachteil,
 extrem schwer zu sein. 
 Da Intels Pentium 4 derzeit die größte Wärmemenge abgibt, führte Intel
 eine neue ATX-Spezifikation ein, die es erlaubt sehr schwere Kühlkörper
 mit dem Gehäuse zu verschrauben, um zu verhindern, dass durch ihr
 Gewicht die Plastiknasen vom Sockel brechen oder gar der Sockel aus dem
 Motherboard reißt.
 Aus diesen Gründen ist das maximale Kühlergewicht bei Sockel A 
 Motherboards (die noch mit dem alten ATX-Standard arbeiten) auf 300 g
 begrenzt. Viele neue "Kühlmonster" überschreiten diese Grenze locker.
 Falls ein zu schwerer Kühler verwendet wird sollte er beim Transport
 abmontiert werden, da sonst die Gefahr besteht das Mainboard zu
 zerstören.

 Der Lüfter ist ein normaler "Ventilator" und dient einzig und allein   
 dem Zuführen kühler Luft zum Kühlkörper. Ein kleiner Lüfter muss sich
 schneller drehen als ein größerer, er ist also oft lauter. Das Lager   
 und die Flügelform tragen aber ebenfalls zur Lautstärke bei.


 4.2 Falsche Temperaturen bei Athlon/Duron?
 ========================================

 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 Messfühler, der an der CPU
 anliegt. Diese Temperaturen entsprechen also nicht den realen
 Temperaturen, deswegen passen BIOS und Überwachungsprogramme (z.B.
 Motherboard Monitor 5) die Messwerte an. 
 Trotzdem sind sie oft zu niedrig. Daher sollte man 10 bis 15°C zu den
 angezeigten Werten addieren, um auf Nummer Sicher zu gehen.
 Seit dem Athlon XP Palomino hat AMD solche Messfehler ausgeräumt,
 ähnlich wie beim Pentium 3 ist nun eine Messdiode im Prozessor-Kern
 "eingebaut".
 Nicht alle Motherboards, auf denen der Athlon mit Palomino-Kern läuft,
 haben auch die Fähigkeit, diese Messdiode auszulesen. Unter Umständen
 wird weiterhin die Temperatur mit einem externen Messfühler bestimmt.


 4.3 Wie finde ich den optimalen Kühler?
 =======================================
 
 Auf den folgenden Seiten werden regelmäßig Kühlertests veröffentlicht.
 Auf ihnen kannst du aktuelle Kühlervergleiche auswerten und dir den für
 dich optimalen Kühler heraus suchen.

 http://www.tomshardware.de/
 http://www.tecchannel.de/
 http://www.anandtech.com/
 http://www.ocinside.de/

 AMD hat für seine Kunden eine Liste mit empfohlenen Kühlern
 zusammengestellt, sie ist hier zu finden:

 http://www1.amd.com/products/athlon/thermals/


 4.4 Mögliche Probleme mit der CPU-Kühlung
 =========================================

  4.4.1 Direkt nach dem Einschalten steigt die Temperatur im BIOS
  ===============================================================
        rapide an, danach friert der Rechner ein
        ========================================

  Der Rechner sollte sofort abgeschaltet werden. Folgende Dinge sind
  zu überprüfen:
  - Wurde Wärmeleitpaste/ein Wärmeleitpad verwendet?
  - Wenn ein Wärmeleitpad verwendet wurde: Wurde die Schutzfolie
    entfernt?
  - Wenn Wärmeleitpaste verwendet wurde: Wurde sie sehr sparsam
    aufgetragen? (stecknadelkopfgroßer Tropfen beim AMD Athlon/Duron)
  - Ist der Kühler gerade aufgesetzt, existiert kein Luftspalt?
  - Verkantet der Kühler nicht mit dem CPU-Sockel?
  - Dreht sich der Lüfter?
  - Sind keine Flachbandkabel direkt vor dem Lüfter?


  4.4.2 Trotz eines immer gelobten Kühlers bleiben die Temperaturen
  =================================================================
        vergleichsweise hoch
        ====================

  - Ist der Kühler richtig montiert (Wärmeleitpaste, gerade
    aufgesetzt)?
  - Dreht der Lüfter, hat er "freie Bahn"?
  - Existiert ein Luftstrom der warme Luft aus dem Gehäuse entfernt?
  - Werden Gehäuselüfter verwendet? Die optimale Verwendung sieht
    vor, dass hinten warme Luft aus dem Gehäuse geblasen wird, und
    vorn einströmt.


  4.4.3 Welche Temperatur ist normal im Betrieb?
  ==============================================

  Eine generelle Aussage kann nicht getroffen werden. Erstens
  variieren die Messmethoden (Kapitel 4.2) und zweitens kann es vor
  allem bei externen Messfühlern immer wieder zu Fehlmessungen kommen.
  Über den Daumen gepeilt sind bei einer externen Temperaturmessung 0
  bis 20 Grad zu der gemessenen Temperatur hinzu zu addieren, um die
  Die-Temperatur grob abzuschätzen. Manchmal erledigt das die
  Mess-Software (zu Teilen) selbstständig, 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 höheren
  Temperaturen kann sehr wohl ein fehlerfreier und auch langfristig
  problemloser Betrieb gewährleistet sein.

  Treten Abstürze auf und ist die CPU-Temperatur relativ hoch, so kann
  es sein, dass auch wirklich die CPU überhitzt und abstürzt.
  Allerdings können auch andere Komponenten im PC überhitzen und
  ebenfalls für einen Absturz verantwortlich sein. Die
  "Motherboard-Temperatur" ist für die Klärung der Ursache ein guter
  Anzeiger. Ist zu viel heiße Luft im Gehäuse, kann weder die CPU
  effektiv gekühlt werden, noch können anderen Komponenten problemlos
  betrieben werden. RAM kann z.B. bei erhöhter Temperatur schnell
  Fehler produzieren, die sich in Abstürzen zeigen. Eine pauschale
  Grenztemperatur kann man nicht angeben, wohl aber Richtwerte -
  oberhalb von 40°C können erste Probleme auftreten (man denke auch
  daran, daß z.B. Festplatten sich in solch warmer Umgebung leicht auf 
  Temperaturen jenseits der zumeist maximal zulässigen 55 oder 60°C 
  erwärmen, was der Lebensdauer und damit ggf. den Daten gar nicht 
  guttut - am liebsten laufen sie bei 25 bis 40°C), 50°C 
  Innentemperatur können als recht heiß gelten.

  Läuft das System stabil, aber misst man eine recht hohe
  Gehäusetemperatur (evtl. mit einem anderen Thermometer überprüfen, da
  die Sensoren auf dem Mainboard ungünstig angebracht sein können und
  evtl. nur einen lokalen Wärmestau feststellen), sollte man unter
  Umständen auch etwas dagegen unternehmen. Zum einen kann an einem
  heißen Sommertag endgültig das System überhitzen und zum anderen
  altern Bauteile auch schneller. Im Normalfall sollte die Lebensdauer
  des PCs dennoch weit über der Nutzungsdauer liegen, aber besonders
  negativ sind minderwertige Elektrolytkondensatoren aufgefallen. Dazu
  mehr in Kapitel 10.3.1.6.


 4.5 Stromverbrauch und Abwärme: Hintergründe und Gegenmaßnahmen
 ===============================================================

  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 Wärme um. Die pro Zeiteinheit abgegebene
  Wärmemenge wird als Verlustleistung bezeichnet; sie entspricht
  ziemlich genau der vom Prozessor aufgenommenen elektrischen Leistung,
  da die Energie ja schlecht irgendwohin verschwinden kann (ein
  bißchen geht noch für die Kommunikation mit der Außenwelt drauf).
  Damit ist auch klar, daß die Anforderungen an die Stromversorgung
  keine geringen sind (siehe Kapitel 10.2.2, Netzteile). Aber auch die
  Verlustleistung selbst muß durch leistungsfähige Kühler (= Kühlkörper
  und Lüfter, zumindest bei Luftkühlung) an die Umgebungsluft abgegeben
  werden, die wiederum von einem stetigen Luftstrom aus dem Gehäuse
  befördert werden muß, damit sich nicht die warme Luft im Inneren
  staut und PC-Komponenten im eigenen Saft schmoren läßt (gerade
  Festplatten sind darauf nicht sonderlich erpicht und fallen evtl.
  früher aus als nötig). Vergleicht man die heutige Situation mit der
  von ca. 1995, so stellt man fest, daß die damaligen CPUs nicht selten
  noch komplett passiv, d.h. nur mit einem entsprechend dimensionierten
  Kühlkörper ohne Lüfter, zu kühlen waren - was angesichts der
  maximalen Verlustleistungen z.B. von ca. 8 W für einen Pentium 75
  oder 6-7 W für einen AMD 5x86 133 (der aufgebohrte 486er mit
  P75-Rating, falls sich wer erinnert) kaum verwundert. Die aktuell
  heißesten Rechenheizkörper geben mal eben die zehnfache
  Verlustleistung oder mehr an ihre Umgebung ab. Dazu kommt ein
  weiteres Problem: Wurde damals[tm] die Wärme noch über ein recht
  großes Prozessorgehäuse abgegeben, muß heutzutage oft der nackte Die
  mit um oder weniger als 1 cm2 Fläche einige dutzend Watt an den
  Kühler abgeben (etwa beim AMD Athlon/Duron). - Der Die (siehe
  "dicing" in der Halbleiterherstellung) ist der eigentliche Prozessor
  und stellt sich als ein schimmerndes Siliziumplättchen dar. - Die
  Wärmestromdichte ist somit weitaus höher als bei einer
  Elektroherdplatte (ca. eine Größenordnung). (Humoristisch veranlagte
  Zeitgenossen könnten jetzt einwerfen, daß sicher weitaus mehr
  Herdplatten als Prozessoren mit dem Luxus einer "Wasserkühlung"
  beglückt werden...) Da verwundert es nicht, daß ein hervorragender
  Wärmeübergang von hoher Wichtigkeit ist. Diesen versucht man
  üblicherweise mit glatter Kühleroberfläche (oft aus Kupfer, das
  Wärme besser leitet als Aluminium), ein wenig Wärmeleitpaste (diese
  soll nur die Unebenheiten des Kühlkörpers ausfüllen - ein kleiner
  Klecks auf dem Die genügt!) und hohem Anpreßdruck zu realisieren.
  Gerade der hohe nötige Anpreßdruck birgt aber auch Risiken: Nicht
  wenige Prozessoren mit offenliegendem Die sind entweder optisch in
  Mitleidenschaft gezogen worden oder gar ganz in die ewigen Jagdgründe
  eingegangen, weil Anwender bei der Kühlermontage z.B. durch Verdrehen
  des Kühlers bei hohem Druck Ecken oder ganze Kanten des Die 
  abbrachen. Aber auch die mit Heatspreadern ausgerüstete 
  Konkurrenz in Form des Pentium 4 ist vor Problemen nicht gefeit:
  hier können bei einigen Konstruktionen mit zusätzlichen
  Versteifungselementen eventuell die Retention-Module oder andere
  Plastikteile brechen. (Die normalerweise vorgesehene Abfederung durch
  das Boardmaterial (!) ist wohl auch manchen Boardherstellern etwas
  suspekt.) Vertrauenswürdiger 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 Kühler helfen, dessen Halteklammer alle drei benutzt.


  4.5.2 Stromsparen beim Nichtstun - zuweilen mit Hindernissen
  ============================================================

  Wird der Prozessor nicht benötigt (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
  auszuführen (sprich: mit Nichtstun beschäftigt zu sein - NOP = No
  Operation) und somit sinnlos Strom zu verbrauchen. Dazu wird ein
  Befehl an die CPU gesendet (HLT = Halt), der sie "einschlafen" lässt,
  wobei viele Prozessorteile abgeschaltet werden. Das Aufwachen kann
  durch einen Interrupt oder durch einen Timer ausgelöst 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 höhere
  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) hängt. Erst die Abkopplung vom Bus in Idlezeiten
  ("Disconnect") bringt das erhoffte Ergebnis. Dies ist allerdings
  chipsatzspezifisch einzustellen, wobei auch nicht alle Chipsätze
  diese Funktion überhaupt anbieten und nicht alle Boards stabil und
  problemlos damit laufen (i.d.R. sind es die Spannungsregler, die ob
  der ständigen Lastwechsel streiken, aber auch Probleme mit
  PCI-Soundkarten können auftreten). Wer nicht zu begierig auf das
  Herumschrauben an Chipsatzregistern ist, aber trotzdem von
  Disconnect profitieren möchte, kann unter Windows Programme wie
  VCool, CPUIdle oder CPUCool einsetzen, für Linux gibt es LVCool.
  Mit dem Opteron und Athlon64 soll es keine Probleme in dieser
  Richtung mehr geben.


  4.5.3 Mechanische Maßnahmen
  ===========================

  Um den Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühlkörper zu verbessern,
  wurde schon vor längerer Zeit an der Vergrößerung der Kontaktfläche
  gearbeitet. Beim ersten hitzköpfigen x86er, dem Pentium Pro
  insbesondere in den Versionen mit größerem L2-Cache, wurde noch das
  Gehäuse extra glatt hergestellt. Schon wenig später kamen allerdings
  erste Prozessoren mit integriertem Heatspreader auf den Markt (siehe
  z.B. Pentium II SECC). Ein Heatspreader ist grundsätzlich nichts
  anderes als eine Metallplatte aus gut wärmeleitendem Material, die
  auf der einen Seite einen sehr guten Wärmeübergang vom Die her hat
  (deutlich besser als das, was sonst per Kühlkörperöberflache und
  Wärmeleitpaste/-pad zu erreichen ist), andererseits die Wärme auf
  eine große Fläche verteilt, damit auch bei höherem Wärmewiderstand
  auf dieser Seite eine gute Wärmeabgabe an den Kühlkörper (sprich:
  hoher Wärmestrom bei geringer Temperaturdifferenz) gewährleistet
  ist. Bei richtiger Konstruktion ist die Wärmeabgabe trotz des
  zusätzlichen Übergangs nicht schlechter als bei einem Konzept mit
  nacktem Die. Beispiele für Prozessoren mit Heatspreader sind z.B.
  späte Pentium III und PIII-Celerons mit Integrated Heat Spreader
  (IHS), die geradezu lächerlich einfach zu kühlen sind, und Pentium 4,
  die ebenfalls besser zu kühlen sind als es von der Verlustleistung
  her zu erwarten wäre. (Hierbei sollten man jedoch im Auge behalten,
  daß Pentium-4-Kühler oft mit recht großen Kühlkörpern mit
  80-mm-Lüftern betrieben werden, im AMD-Lager aber durchaus auch
  noch weniger leistungsfähigere Kühler mit 60er Lüftern üblich
  sind.) Die Heatspreader auf AMDs K6-2/III waren hingegen eher
  kontraproduktiv; die auf den Opterons dürften (und müssen) besser
  werden.
  Ganz nebenbei bietet ein Heatspreader guten mechanischen Schutz für
  den Die, so daß eine Beschädigung des Dies bei der Kühlermontage
  praktisch ausgeschlossen ist. (Spötter nannten den IHS daher auch
  "Integrated Lamer Protection".)


  4.5.4 Notabschaltung, Throttling
  ================================

  Sollte die Kühlung einer CPU ausfallen, so kann die sich aufstauende
  Hitze dazu führen, dass die Strukturen im Silizium zerstört werden.
  Dieser GAU sollte zwar nur bei Betrieb einer modernen CPU völlig ohne
  Kühlkörper auftreten, aber auch wenn meist durch einen ausgefallenen
  Lüfter die CPU lediglich abstürzt, so bleibt ein Restrisiko.
  Dem entgegen wirken Schutzmechanismen, die allesamt eine schnelle und
  hinreichend präzise Temperaturmessung voraussetzen. Dies ist nur
  direkt in der CPU mit einer Meßdiode im Die möglich. 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 muß das Mainboard derartige Funktionen
  bereitstellen, beim Intel Pentium 4 sind diese in der CPU integriert.
  Letzterer arbeitet bei Überhitzung i.d.R. nur noch 30 bis 50% der
  Zeit; zusätzlich 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 akkuschädliche Stromspitzen abzumildern oder die
  Laufzeit im Akkubetrieb zu verlängern.


 4.6 Verlustleistung in digitalen Schaltungen
 ============================================

 Im folgenden werden die Quellen für Verlustleistung in digitalen
 Schaltungen grob hergeleitet. Es werden CMOS-Schaltungen (CMOS =
 complementary metal oxide semiconductor) betrachtet, wie sie heute
 nahezu ausschliesslich für 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
  genügend 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 öffnet die Verbindung zwischen Drain und
  Source, wenn die Spannung zwischen Gate und Source groß ist, der
  pMOSFET öffnet diese Verbindung, wenn die Spannung klein ist. Legt
  man somit am Eingang "in" eine hohe Spannung an, so öffnet der
  nMOSFET und der pMOSFET schliesst. Da der Ausgang "out" über den
  geöffneten nMOSFET direkt mit Masse verbunden ist, führt er im
  Idealfall eine Spannung von 0 V.
  Legt man am Eingang dagegen eine kleine Spannung an, so wird der
  Ausgang über den pMOSFET mit Udd verbunden und führt somit eine
  hohe Spannung. Die Spannung repräsentiert 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 fließt
  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 (parasitäre) Kapazität
  zwischen Gate und Source (bzw. Gate und Drain). Somit sollten
  z.B. in einem CMOS-Inverter niemals wirklich Ströme fliessen, da
  ja immer einer der der beiden Transistoren gesperrt und das Gate
  isoliert ist. In der Realität muss die Kapazität zwischen Gate
  und Source aber auf eine Spannung aufgeladen werden, damit die
  FETs sich öffnen oder schliessen. Das bedeutet, es müssen 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 über 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, führt dieser Stromfluss zu einer Erwärmung. Hinzu kommt
  der Widerstand der Verbindungsleitungen zwischen den Gattern, der
  aber meist viel kleiner als der Widerstand der Transistoren ist
  und daher oft vernachlässigt 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
  näherungsweise gilt:

  Pm = n * f * C * Udd2

  Pm  = mittlere Verlustleistung [W]
  n   = mittlere Anzahl von Umladevorgängen pro Takt
  f   = Taktfrequenz [Hz]
  C   = Kapazität, 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, ändern sich die Eingangsspannungen
  nicht), aber während einer Rechnung können auch an einem Gatter
  mehrfach Umladungen auftreten, bis das Ergebnis wirklich
  feststeht. (Mehrfache Umladungen nennt man hazards bzw.
  glitches.)
  Umso größer die Kapazitäten sind, die umgeladen werden müssen,
  desto mehr Strom muss fliessen. Die Umladung geschieht umso
  schneller, je größer die Versorgungsspannung, ist da so ein
  größerer Strom auf die umzuladende Kapazität fliessen kann. Die
  Spannung geht quadratisch in die Verlustleistung ein.


  4.6.4 Reduktion dynamischer Verlustleistung - Praxis
  ====================================================

  Der erste Ansatz die Verlustleistung zu reduzieren, ist die
  Spannung zu senken, da diese den größten Einfluss hat. Je
  niedriger die Spannung ist, desto langsamer werden aber die
  Kapazitäten umgeladen. Dies bedeutet, dass die Gatter langsam
  werden, also im Endeffekt nur langsame Taktfrequenzen erreichet
  werden können. 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 ändern, desto weniger Umladevorgänge
  werden ausgelöst. Der HLT-Befehl (Kapitel 4.5.2) bringt moderne CPUs
  in einen Zustand, wo wenig Umladevorgänge ausgelöst werden. Beim
  Athlon funktioniert dies nicht richtig, so dass er vom Bus
  abgekoppelt werden muss, was ebenfalls dazu führt, dass keine
  neuen Daten anliegen.

  Der Benutzer hat somit viele Möglichkeiten, 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 älteren Schaltungstechniken
  (wie TTL, RTL, ECL, nMOS- oder pMOS-Logik) vom Prinzip her keine
  statischen Ströme, die fliessen müssen um logische Signale
  darzustellen. Die Spannung allein genügt zur Darstellung der
  logischen Signale. Dennoch ist keine Schaltung ideal und es
  treten Leckströme auf. (Zur Vertiefung in dieses Gebiet seien
  folgende Stichworte genannt: Ströme in gesperrten PN-Übergängen,
  Subthreshold-Ströme und Ströme bedingt durch den
  Gateoxyd-Tunneleffekt.)

  Je höher die zum Öffnen eines nMOSFET benötigte Spannung (die
  Schwellspannung) ist, desto mehr muss die parasitäre
  Gate-Source-Kapazität aufgeladen werden. Daher reduziert man die
  Schwellspannung mit schaltungstechnischen Mitteln und erreicht
  somit höhere Taktfrequenzen.

  Eine niedrige Schwellspannung bedeutet aber auch, dass
  Transistoren nicht mehr so sicher sperren, wie bei hoher
  Schwellspannung. Es fliessen also mehr Leckströme.

  In heutigen modernen Prozessoren hat die statische Verlustleistung
  durch die Leckströme inzwischen einen großen Anteil an der gesamten
  Verlustleistung. Statische Verlustleistung tritt zudem immer auf und
  ist nicht abhängig 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 Größe 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
  könnte beim Heruntertakten mittels SpeedStep / PowerNow! / LongRun
  automatisch die Schwellspannung erhöht werden, aber auch darauf hat
  der Benutzer keinen Einfluss.




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Last Update March 27 2014 @ 02:11 PM