Praxiseinsatz: Leistungsaufnahme

Es gehörte schon eine Portion Ingenieurskunst dazu, um eine Hauptplatine entsprechend so zu modifizieren, dass der gesamte Strom, welcher in den Prozessor fließt, messbar wird und die Toleranzen des Wandlers selbst außen vor bleiben.

Ist dies geschafft, so gilt es den Stromfluss zu messen und dabei natürlich ebenfalls die während der Messung anliegende Prozessorspannung zu ermitteln, damit ein exakter Wert zur Leistungsaufnahme errechnet werden kann. Wie die Praxis uns zeigte, genügt es nicht, die Spannung der CPU im Idle Mode zu ermitteln und diese dann als Grundlage für die spätere Multiplikation heranzuziehen. Auf den Athlon 64 Platinen steigt unter Last die Prozessorspannung nicht unerheblich an, weshalb diese Werte beachtet werden müssen.

Warum diese Spannungswerte ansteigen, darüber können wir letztlich nur spekulieren, gehen jedoch davon aus, dass es aus der nicht genutzten Derating-Funktion der Spannungswandler resultiert. Die Nutzung der Funktion, bei Intel-Vorgabe, sorgt dafür, dass die hochlaufende Prozessorspannung reduziert wird. Die Technik, die hier verwendet wird, nennt man Drooping. Bei zunehmendem Ausgangsstrom wird die Ausgangsimpedanz des Mehrphasenwandlers erhöht und somit die Ausgangsspannung verringert. Dies vermindert Regelüberschwingen der Wandler und ermöglicht ein besseres Reaktionsverhalten auf schnelle Lastwechsel und sorgt schlussendlich für stabilere Verhältnisse am Prozessor.

Immerhin treten, je nach Prozessortyp, Stromänderungen >900A/µs auf. Gute Reglersysteme haben ein Lastregelverhalten von max. 1,2...1,5mV/A. Beim plötzlichen Zuschalten von 50A Laststrom kann die Ausgangsspannung also durchaus mal um 75mV schwanken. Das Ausgangsimpedanzverhalten der Spannungswandler wird hierbei der jeweiligen Prozessorfamilie genau angepasst. Zudem wird bei zunehmender Last die Verlustleistung im Prozessor verringert.

Da Silizium einen negativen Temperaturkoeffizienten (ca. -2mV/K) hat, ist die Durchlassspannung für einen gegebenen Strom temperaturabhängig. Diese lineare Abnahme der Durchlassspannung bei konstantem Strom bedeutet, dass der Strom mit der Temperatur exponentiell zunimmt, was übrigens auch für den Sperrstrom gilt - er verdoppelt sich bei 10K Temperaturerhöhung! Anmerkung: Wer das vertiefen möchte, findet im Buch "Halbleiterschaltungstechnik" von Tietze/Schenk, Springer-Verlag, weitergehende Auskünfte.

Ist ein definiert gesperrter Zustand eines der Millionen Transistoren in einer CPU nicht mehr gegebenen, kommt es zu Rechenfehlern. Ein klarer Grund mehr, den Prozessor nicht zu überhitzen. Mancher Rechenfehler, den Prime95 ausweist, mag gerne durch eine Fehlschaltung aufgrund zu hoher Temperatur im Prozessor aufgetreten sein.

Was kann ein Derating der Kernspannung nun positives bewirken? Fließt ein großer Strom durch den Prozessor, erwärmt sich dieser und er wird leitfähiger, lässt somit demnach bei konstant anliegender Spannung noch mehr Strom fließen. Die Kernspannungsversorgung ist jedoch eine Quelle, die typisch mit kleinstem Innenwiderstand versehen eine (weitestgehende) Konstantspannungsquelle darstellt. Ein genau definiertes Derating der Kernspannung als Funktion des gemessenen Stromes wirkt deshalb dem Entstehen übermäßiger Verlustleistung entgegen.

Der festgestellte Umstand lässt sich allerdings nur mit geeigneten Messgeräten nachprüfen, denn die Spannungserhöhungen laufen an der Kenntnis der Monitoring-Tools schlicht vorbei. Die von diesen Tools präsentierten Werte sind leider schlicht unbrauchbar, was nicht an den Tools selbst, sondern vielmehr an den zumeist halbherzigen Umsetzungen und Integration der Monitoring-Einheiten der LPCs liegen dürfte.