Techniken zur Verringerung der Leistungsaufnahme (CnQ, EIST, Clockgating)

Bevor wir uns auf die Messungen der Leistungsaufnahmne und deren Interpretation stürzen sollte man zuerst einmal einen Blick darauf werfen, was für Typen des Energieverbrauches in heutigen Prozessoren auftreten und mit welchen Maßnahmen die Hersteller dagegen vorgehen.

Im Wesentlichen kann man sich für unsere Betrachtungen auf zwei Arten des Energieverbrauches für Mikroprozessoren festlegen. Da wäre zum einen der passive Verbrauch, also die Energie, welche die CPU verbrennt ohne dass sie etwas berechnet und zum anderen der aktive Verbrauch, also jene Energie, die verbraten wird, wenn die CPU Berechnungen durchführt. Für beide Parts haben die Techniker in den Kellern von AMD bzw. Intel ihre ganz eigenen Ideen entwickelt um den Verbrauch zu minimieren. Grob betrachtet gibt es jedoch nur drei Klassen um die Leistungsaufnahme für beide Arten wirkungsvoll zu reduzieren.

Cool'n'Quiet und EIST

Fangen wir mit einer Technik an, die jeder von uns mittlerweile kennt. Betrachten wir einmal den Zusammenhang zwischen der Taktfrequenz f, der Versorgungsspannung U und der Leistungsaufnahme im aktiven Betrieb, also während die CPU Berechnungen durchführt:

Paktiv = const * f * U²

Reduziert man also den Takt oder die Spannung, so verringert sich auch die Leistungsaufnahme. Da jedoch für einen bestimmten Takt eine gewisse Minimalspannung erforderlich ist, kann man U nicht unabhängig von f reduzieren, sondern muss immer beide gemeinsam betrachtet.


Sowohl die Prozessoren von AMD als auch die CPUs von Intel können seit einigen Jahren in Abhängigkeit des Lastzustandes unterschiedliche Taktfrequenzen und Versorgungsspannungen nutzen um jederzeit möglichst effizient zu arbeiten. Bei AMD heißt diese Technik Cool'n'Quiet und steht seit Einführung der Athlon-64-Prozessoren zur Verfügung. Intels Gegenstück ist EIST (Enhanced Intel Speedstep Technology) und ist seit den Pentium-4-6xx- bzw. Pentium-D-Prozessoren etabliert. AMD ist hier Intel allerdings einen Schritt vorraus, denn seit der Einführung der Phenom-CPUs können alle Modelle die Taktraten und Spannungen für jeden Kern unabhängig einstellen, während bei Intel immer der meist genutzte Kern die Richtung vorgibt.

Clockgating

Doch mit EIST oder Cool'n'Quiet kann man die Leistungsaufnahme im aktiven Betrieb nicht beliebig weit reduzieren ohne den Anwender mit einer zu geringen Performance zu quälen. Genau hier setzt die Technik des Clockgatings an. Prinzipiell versucht man damit Komponenten der CPU, welche gerade nicht an Berechnungen teilnehmen, "abzuschalten".

Beim Clockgating macht man sich den angenehmen Effekt zu nutze, dass die Ausgangssignale eines FlipFlops oder Latches nur ihren Wert bei steigender oder fallender Taktflanke ändern. Gibt es kein variierendes Taktsignal, so ändert sich auch der Datenausgang des FlipFlops nicht. Überträgt man dies auf alle FlipFlops in einer Recheneinheit, beispielsweise einem Addierer, so führt dieser keine Berechnungen durch, solange sich das anliegende Taktsignal nicht ändert.


Weiß man also, dass man in den nächsten Takten eine Einheit nicht benötigt, so schaltet man für diese Einheit das Taktsignal ab, d.h. der lokale Takt wird deaktiviert. Dadurch werden dort keine Berechnungen mehr durchgeführt und somit schlägt für diese Einheit nur noch der passive Energieverbrauch zu Buche.

Bei AMD findet sich diese Technologie seit den ersten Phenom-Prozessoren wieder. Intel hat bereits mit den ersten Pentium-4-Modellen ein sehr feines Clockgating eingeführt, mit dem auch Teile innerhalb eines Kerns, wie beispielsweise komplette Funktionseinheiten, vom Takt abgekoppelt werden können. Später folgte mit dem C1E-Zustand auch noch eine Form des Clockgatings für einen ganzen Prozessorkern.