Nehalem für alle - Intel Core i5 und Core i7 auf Sockel 1156 im Test

Prozessoren | 08.09.2009, 06:01 | Seite 12

Der Uncore: Die Power Control Unit



Angesichts der immer weiter steigenden Energiepreise und der Lage des Weltklimas, wird das Bewusstsein über den Energieverbrauch vieler Geräte bei vielen Anwendern immer stärker und spielt daher mittlerweile auch eine entscheidende Rolle beim Kauf neuer Gerätschaften. Auch in der Computerwelt ist dies nicht anders und so kann eine CPU, welche für die gebotene Leistung übermäßig viel Energie konsumiert schnell zum Ladenhüter werden.

Daher ist auch für die Chipentwickler der Energieverbrauch zu einem der wichtigsten Aspekte geworden, was die Einführung diverser neuer Technologien zur Reduzierung des Verbrauchs forciert hat. Zwei solcher Neuerungen hielten zusammen mit der Nehalem-Architektur Einzug in die Welt der Desktop-Prozessoren. Zum einen ist dies das "Power Gate" und zum anderen die schon angesprochene "Power Control Unit" oder kurz PCU, welche sich im Uncore der Nehalem-Prozessoren wiederfindet.

Bei der PCU handelt es sich um einen eigenständigen Microcontroller welcher im Prozessor integriert ist und von der Komplexität in etwa einem alten Pentium-Prozessor entspricht. Ziel der Einheit ist es dabei jeden einzelnen Kern nur so schnell zu takten und nur mit so viel Spannung zu versorgen wie es gerade für die aktuelle Anwendung nötig ist. Intel versucht also über die PCU stets ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung und dafür notwendiger Energie zu erzielen.

Bild: Nehalem für alle - Intel Core i5 und Core i7 auf Sockel 1156 im Test
Aufbau und Funktionsweise der Power Control Unit


Dazu überwacht die PCU in Echtzeit sowohl die Temperaturen sowie die Auslastung der einzelnen Prozessorkerne als auch die Leistungsaufnahme. Diese ermittelt die Einheit aus dem Strom, welcher durch die Wandler in die CPU-Kerne fließt, und der Versorgungsspannung für den Core-Bereich.

Der Energiebedarf des Uncore-Bereiches wird nicht vermessen, sondern anhand der technischen Datenblätter abgeschätzt, ähnlich wie wir dies hier taten. Der fiktive Ansatz für den Uncore-Bereich geht danach lediglich als Konstante mit in die Berechnung der gesamten Leistungsaufnahme ein. Berücksichtigt man, dass die TDP der Northbridge des P45, welche in etwa dem Funktionsumfang des Uncore entspricht, 22 Watt beträgt, ist somit eine Einstufung der Konstante zwischen 20 und 25 Watt durchaus realistisch.

In Abhängigkeit dieser Eingangsdaten und der vorgegebenen Thermal Design Power (TDP) von 95 Watt – welche anders als bei den Core i7 9xx Extrem Editions nicht geändert werden kann – berechnet die PCU dann die Taktfrequenz für jeden Kern und sorgt gegebenenfalls dafür, dass die Versorgungsspannung angehoben oder abgesenkt wird. Der Turbo-Modus der Nehalem-Prozessoren – auf welchen wir gleich noch eingehen wollen – ist also eigentlich nur ein Ergebnis aus der Einführung der Power Control Unit, ebenso wie der Umstand, dass Intel darüber ebenfalls in der Lage ist, einzelne Kerne mit Hilfe des Power Gates komplett abzuschalten.

Die zweite Neuheit, welche Intel im November 2008 einführte und nun auch im Lynnfield zu finden ist, ist das eben erwähnte "Power Gate". Um zu verstehen, was sich dahinter verbirgt, bietet sich der Vergleich zu einer Stereoanlage an, welche an einer abschaltbaren Steckdosenleiste hängt. Benötigt man die Anlage nicht und schaltet lediglich das Gerät selbst ab, so verbraucht sie nach wie vor eine gewisse Energiemenge (Standby). Erst wenn man die Steckdose auch noch ausschaltet geht der Verbrauch auf Null zurück. Genauso funktioniert es auch mit dem Power Gate. Wird ein Kern für die aktuelle Aufgabe nicht benötigt, so trennt das Power Gate diesen Kern von der Versorgungsspannung und verhindert damit, dass dieser Kern noch Energie verbraucht. In diesem Fall befindet sich der entsprechende Kern dann im C6-Zustand.

Der Ab- sowie Anschaltvorgang ist dabei allerdings etwas komplexer als bei einem gewöhnlichen Schalter und dauert daher auch verhältnismäßig lange, weshalb ein Kern nicht sofort abgeschaltet wird, wenn er nichts zu tun hat. Als erstes muss die PCU dafür sorgen, dass der Cache-Zustand gesichert wird, um anschließend die Taktversorgung für den entsprechenden Kern zu deaktivieren (Clockgating). Erst danach kann der Kern von der Spannungsversorgung getrennt werden (Powergating).

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Neben dem Powergating und der Power Control Unit sind natürlich auch beim Lynnfield die üblichen Schlafzustände C1E bis C4E sowie die Enhanced Intel Speedstep Technology (EIST) zur Reduktion von Versorgungsspannung und Taktfrequenz im Idle mit von der Partie. All dies soll gemäß Intel zu einem um 50 Prozent geringerem Energieverbrauch im Idle gegenüber den genügsamen Core-2-Modellen führen. Ob dies gelingt? Wir werden es später sehen.