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Intel Pentium 4 6xx-Serie und Extreme Edition 3.73 GHz

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Seite 3: Stromverbrauch und C1E, TM2 und EIST (1)

C1E:

Im Review des Pentium 4 570J haben wir schon C1E als Neuheit angepriesen - der Enhanced HaltState bewirkt, dass der Pentium 4 bei Nichtbelastung auf 2,8 GHz heruntertaktet. In den Tagen, in dem man Tools wie "CPU-Cool" oder Ähnliches verwendet hat, kannten viele User sicherlich noch das Problem, dass der Prozessor ständig mit Volllast lief - und entsprechend heiß den Betrieb verrichtete. CPU-Cool nutzte dann den C1-Modus des Prozessors. Sofern nichts zu tun war, setzte er den Prozessor in einen MWAIT/HALT-Modus und die CPU-Temperatur konnte aufgrund des Leerlaufbetriebs vom Prozessor sinken. Früher war dies aufgrund des geringen Stromverbrauchs eines Prozessors mehr ein Goodie als ein Feature, denn das Tool wurde nicht wirklich benötigt. Heute benötigen Prozessoren im Betrieb aber 50 bis 115 W je nach Modell - und somit ist es schon als kritisch anzusehen, wenn die CPU immer auf 115 W laufen würde.

Derartige MWAIT-Instruktionen werden heute direkt vom Betriebssystem ausgenutzt, um einen C1-Modus zu aktivieren. Das Prinzip ist dasselbe, nur ist der Leerlaufmodus praktisch in die Betriebssysteme integriert. Extra-Tools braucht man also nicht mehr. Allerdings ist es immer noch ärgerlich, wenn der Prozessor mit 3,8 GHz und voller Spannung laufen muss und somit auch im Idle-Modus noch seine Stromaufnahme höher ist als eigentlich notwendig.

Auswirkungen von C1E: Der Stromverbrauch des Prozessors
wird dauerhaft gesenkt und dadurch auch indirekt die Lautstärke
des Systems auf ein niedrigeres Niveau gesenkt.

Aus diesem Grund hat sich zunächst im Bereich der mobilen Prozessoren eine Technik entwickelt, um die Frequenz und Spannung der Prozessoren zu verändern. Intel nutzt seit dem Pentium III im mobilen Bereich diese Technik, genannt SpeedStep. Mit SpeedStep verändert der Prozessor im laufenden Betrieb seinen Takt. Wird beispielsweise heutzutage ein Pentium M 755 mit 2,0 GHz eingesetzt und seine Rechenleistung nicht benötigt, so taktet er sich auf bis zu 600 MHz herunter. Weiterhin kann auch die Spannung abgesenkt werden - beim Dothan ist dies beispielsweise eine Spannung von nur noch 0,988 V. Das hilft, die Stromaufnahme des Prozessors effektiv zu senken und auch die Temperatur ganz extrem zu mindern.

Enhanced SpeedStep ist ein Bestandteil der mobilen Prozessoren. Im Desktop-Bereich hatte Intel bislang keine Prozessoren mit einem derartigen Feature. Hier verwendet man nun seit dem Pentium 4 570J einen Enhanced HaltState, den es bereits im Server-Bereich gibt. Mit der Einführung der Prescott-verwandten Nocona-Prozessoren existiert in den Xeon-Prozessoren mit  "Demand Based Switching" eine ähnliche Technologie.

Die im Desktop-Bereich Enhanced HaltState genannte Technologie ist eigentlich der Demand Based Switching-Technik identisch. Auch hier wird bei Idle-Zeiten zusätzlich zum C1-Modus ein C1E-Modus aktiviert, der den Prozessor dann erst einmal auf 2,8 GHz heruntersetzt und anschließend die Spannung des Prozessors herunterdreht. Genauso funktioniert dies bei den E0-Steppings des Prescotts - auch hier werden 2,8 GHz und niedrigere Spannung gegenüber der üblichen 1,25 bis 1,4 V angelegt. Allerdings werden bei den Nocona-Prozessoren die Caches aufgrund der NetBurst-Architektur nicht heruntergetaktet. Es ist davon auszugehen, dass somit auch beim Pentium 4 die Caches weiterhin auf vollem Takt laufen.

Eine Formel kann uns dabei Auskunft geben, in welcher Form dies der Stromaufnahme hilft:

Power = C * V² * f + Leakage

Die Frequenzminderung hat ebenso einen Einfluss auf die Stromaufnahme, aber insbesondere natürlich die Spannung, die sogar im Quadrat auf die Aufnahme wirkt. Zudem wird die Leakage ganz erheblich vermindert.

Der Sinn dieses Modus besteht aber eigentlich nicht darin, dem Enduser ein ruhiges Gewissen zu verpassen, wenn er im Idle-Modus recht niedrige Temperaturen im Hardwaremonitor abfragen kann, sondern er bringt die Möglichkeit, entweder etwas günstigere Kühlmöglichkeiten zu verwenden oder die Akustik in heutigen PCs zu optimieren. Gerade dies kann ein Vorteil sein, denn wenn der PC nicht die volle Leistung benötigt, kann eine im Bios implementierte Lüftersteuerung die Gehäuse- und den CPU-Lüfter herunterdrehen und damit den Geräuschpegel beeinflussen.

Dabei unterstützen alle Prescott-basierenden Prozessoren im E0-Stepping das Feature. Neben dem Intel Pentium 4 wird dies dementsprechend auch der Celeron D der Fall sein, allerdings kommt dieses Feature nur für Sockel 775-Prozessoren. Wenn das Board eine dynamische Anpassung der VID unterstützt, was mit FMB2.0 / VRM10.0 der Fall sein sollte, unterstützt das Board hardwaretechnisch das Feature - und es bedarf auch keiner Betriebssystem- oder Softwareanpassung, da das Feature hardwareseitig gesteuert wird. Das ist durchaus ein Vorteil gegenüber der AMD-Technologie Cool & Quiet, die zusätzlich einen Prozessortreiber benötigt.

TM2:

Was C1E bewirkt, wenn der Prozessor im Idle-Modus ist, bewirkt der Thermal Monitor 2 (TM2), wenn der Prozessor zu heiss wird.

Mit der ersten Version des Thermal Monitors schuf Intel einen wirksamen On-Die-Schutzmechanismus (On-Die-Clock-Modulation) für den Prozessor. Funktioniert die Kühlung nicht effektiv, so steigt die Temperatur bis zu einer vordefinierten Maximaltemperatur an. Wird diese Temperatur erreicht, schiebt der Prozessor innerhalb von nur 100ns Wartezyklen ein, in denen er keine Berechnungen durchführt. Hierdurch bleibt er betriebsbereit, läuft zwar auf hoher Temperatur, aber er kann weiterhin Berechnungen durchführen. Durch die Wartezyklen bleibt er natürlich hinter seiner Normalperformance zurück.

Im Bild sieht man die Funktionsweise des Thermal Monitors 1. Der Proc_Hot#-Pin ist dafür verantwortlich, bei Überhitzung des Prozessors den Schutzmechanismus auszulösen. Anschließend wird der interne Takt des Prozessors moduliert, es resultiert daraus ein Betrieb mit "Pausen", um die Temperatur wieder unter das kritische Niveau zu bringen. Der Prozessor läuft dabei aber weiter - und wird vor allen Dingen nicht beschädigt.

Anstatt wie beim Thermal Monitor 1 einfach die Prozessortaktung auszusetzen und Rechenoperationen zu blockieren, bis der Prozessor die kritische Temperatur wieder verlassen hat, setzt Intel beim Thermal Monitor 2 ebenfalls auf Enhanced HaltState und taktet zum einen den Prozessor herunter, zum anderen setzt man auch die Spannung herunter. Somit erwärmt sich der Prozessor nicht mehr so stark, die Temperatur kann sinken. Erst wenn dies nichts bringt, wird die klassische Taktfrequenzbremse eingesetzt. Gerade durch die Veränderung der Spannung kann der Prozessor wieder einmal deutlich Abwärme sparen - es gilt dasselbe wie beim C1E-Modus.

Wie man sieht, gelingt es durch diese Modifikation, die Blockierung der Rechenoperationen zu modifizieren und das System dadurch selbst bei hoher Temperatur besser performen zu lassen.

Auch hier gilt - jeder Pentium 4 und Celeron D-Prozessor auf Basis des E0-Kerns kann mit dem Feature zurecht kommen, aber auch hier muss das Bios wieder das Feature unterstützen und entsprechend aktivieren. Auch hier ist keine besondere Hardwarevoraussetzung notwendig, wenn das Board die dynamische Veränderung der VID unterstützt. Es wird auch keine Softwareunterstützung benötigt.

Auf der nächsten Seite nehmen wir EIST als neues Feature und den Stromverbrauch im Praxistest genauer in den Augenschein.