Rechnerischer Zusammenhang Spannung <-> Takt

[Cris Eichler]

Hallo,

also, ,mir ist zwar Grundsätzlich bekannt, dass ein langsamer getakteter
Prozessor gegenüber seinem schnelleren Zwilling weniger Strom (Leistung)
verbrät, Doch ich hätte da an die Spezialisten unter euch noch eine Frage:
Welchen mathematischen Zusammenhang (vielleicht eine Formel?) gibt es
zwischen CPU-Takt, Core-Spannung und Leistungsaufnahme einer CPU?

Vielen Dank schonmal.


Grüße

Cris





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[Marcel Müller]

Hallo,

Post by Cris Eichler
also, ,mir ist zwar Grundsätzlich bekannt, dass ein langsamer getakteter
Prozessor gegenüber seinem schnelleren Zwilling weniger Strom (Leistung)
Welchen mathematischen Zusammenhang (vielleicht eine Formel?) gibt es
zwischen CPU-Takt, Core-Spannung und Leistungsaufnahme einer CPU?

Für CMOS-CPUs gilt näherungsweise

P ~ U² * f

In noch etwas gröberer Näherung gilt in einem begrenzten Bereich um die
Nominalwerte

U ~ fmax

Wenn man das zusammenfasst und U immer an die aktuelle Frequenz anpasst,
kommt man auf

P ~ fmax³

Die Abhängigkeit in der dritten Potenz hat schon recht dramatische
Auswirkungen.

Wie gesagt, alles in Grenzen. Unterhalb einer gewissen Spannung wird die
CPU nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten, egal mit welchem Takt, weil die
Arbeitspunkte der Transistoren nicht mehr stimmen. Oberhalb einer
bestimmten Spannung werden die Leckströme und/oder die Temperatur die
CPU zerstören. Aber so -30% Spannung geht eigentlich immer.

Mit der Formel konnte man recht schön zeigen, dass AMD seinerzeit mal
ganz normale AthlonXP-CPUs als Notebook-CPUs verkauft hat. Weniger Takt,
weniger Spannung und damit auch den angegebenen, viel geringeren
Stromverbrauch.

Bei sehr kleinen Strukturgrößen wird die Formel mehr und mehr ungenau,
da ein zusätzlicher, exponentieller Term für die Leckströmen mehr und
mehr an Bedeutung gewinnt.

P ~ U² * f + k * exp(U/U0)

Da man weder k noch U0 kennt, hilft einem das aber wenig.


Marcel

[Cris Eichler]

Post by Marcel Müller
Für CMOS-CPUs gilt näherungsweise
P ~ U² * f
In noch etwas gröberer Näherung gilt in einem begrenzten Bereich um die
Nominalwerte
U ~ fmax
Wenn man das zusammenfasst und U immer an die aktuelle Frequenz anpasst,
kommt man auf
P ~ fmax³
Die Abhängigkeit in der dritten Potenz hat schon recht dramatische
Auswirkungen.
Wie gesagt, alles in Grenzen. Unterhalb einer gewissen Spannung wird die
CPU nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten, egal mit welchem Takt, weil die
Arbeitspunkte der Transistoren nicht mehr stimmen. Oberhalb einer
bestimmten Spannung werden die Leckströme und/oder die Temperatur die CPU
zerstören. Aber so -30% Spannung geht eigentlich immer.
Mit der Formel konnte man recht schön zeigen, dass AMD seinerzeit mal ganz
normale AthlonXP-CPUs als Notebook-CPUs verkauft hat. Weniger Takt,
weniger Spannung und damit auch den angegebenen, viel geringeren
Stromverbrauch.
Bei sehr kleinen Strukturgrößen wird die Formel mehr und mehr ungenau, da
ein zusätzlicher, exponentieller Term für die Leckströmen mehr und mehr an
Bedeutung gewinnt.
P ~ U² * f + k * exp(U/U0)
Da man weder k noch U0 kennt, hilft einem das aber wenig.
Marcel

Danke. Das sind schonmal sehr interessante Ausgangsinformationen. Hier der
Hintergrund meiner Frage:

Ich habe einen San Diego 3700+ auf einem DFI Lanparty NF3 Ultra D. Und habe
es bis jetzt trotz installiertem CPU Treiber und aktivierten BIOS-Funktionen
nicht geschafft damit C&Q zum laufen zu bringen. Mit Crystal CPUID
allerdings kann ich den Multi auf 4 und die Spannung auf 1,1V bringen und
alles funzt. Mich würde jetzt halt der Vergleich Leistungsaufnahme
vorher/nachher interessieren. Da ich zum Messen grad nix zur Hand hab,
wollte ich mich rechnerisch nähern.

Cris




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[Marcel Müller]

Post by Cris Eichler
Ich habe einen San Diego 3700+ auf einem DFI Lanparty NF3 Ultra D. Und habe
es bis jetzt trotz installiertem CPU Treiber und aktivierten BIOS-Funktionen
nicht geschafft damit C&Q zum laufen zu bringen. Mit Crystal CPUID
allerdings kann ich den Multi auf 4 und die Spannung auf 1,1V bringen und
alles funzt. Mich würde jetzt halt der Vergleich Leistungsaufnahme
vorher/nachher interessieren. Da ich zum Messen grad nix zur Hand hab,
wollte ich mich rechnerisch nähern.

Die absoluten Werte spuckt die Formel natürlich nicht aus. Das ist
logischerweise von CPU zu CPU verschieden (Typ, Stepping).

Man kann natürlich TDP bei Betrieb unter Nennwerten als Startwert
nehmen. Aber das ist oft etwas zu hoch. Der Wert ist eher als
garantierte obere Schranke gedacht. Der tatsächliche Verbrauch darf
durchaus niedriger liegen. Anders ist beispielsweise nicht zu erklären,
dass niedriger getaktete CPUs einer Serie (gleiches Stepping) zuweilen
identische TDP-Werte haben. In Realität reizt natürlich nur das
Spitzenmodell die Spezifikation aus.

Bei der realen Ersparnis muss man bei der Erzeugung von Vcore ferner den
Wirkungsgrad der Spannungswandler auf dem MoBo und des Netzteil mit
berücksichtigen. In Summe sind das vielleicht rund 65%. Die
Stromersparnis ist also gut einen Faktor 1,5 größer als die eingesparte
CPU-Leistung.

Mein alter Thoroughbred B läuft auch statt mit 133MHz * 13,5 @ 1,6V mit
166 * 10,5 @ 1,45V. Gibt bei praktisch unveränderter
Arbeitsgeschwindigkeit (I/O ist sogar besser) rund 20% weniger
Verbrauch. Dabei habe ich natürlich indirekt die oft vorhandenen
Übertaktungsreserven der kleineren Modelle einer Serie ausgenutzt.


Marcel

[Hendrik van der Heijden]

Marcel Müller wrote:
[CPU-Leistungsaufnahme schätzen]

Post by Marcel Müller
Man kann natürlich TDP bei Betrieb unter Nennwerten als Startwert
nehmen. Aber das ist oft etwas zu hoch. Der Wert ist eher als
garantierte obere Schranke gedacht.

Unterschiedlich. Bei AMD ist die TDP eine oft großzügige obere
Schranke für den Extremfall. Beim A64 3000+ Venice lag die etwa
70% über dem tatsächlichen gemessenen Maximalverbrauch.

Anders bei Intel, da ist die TDP ein "üblicher" Verbrauch, und der
tatsächliche Verbrauch liegt öfter ohne besondere Umstände höher.


Hendrik vdH

[Marcel Müller]

Post by Hendrik van der Heijden
[CPU-Leistungsaufnahme schätzen]
Unterschiedlich. Bei AMD ist die TDP eine oft großzügige obere
Schranke für den Extremfall. Beim A64 3000+ Venice lag die etwa
70% über dem tatsächlichen gemessenen Maximalverbrauch.
Anders bei Intel, da ist die TDP ein "üblicher" Verbrauch, und der
tatsächliche Verbrauch liegt öfter ohne besondere Umstände höher.

Oh, dass sollte man wissen, wenn man die Zahlen vergleicht!

Ich habe immer eher zu AMD gegriffen, weil man die ziemlich einfach auf
die persönlichen Bedürfnisse runtertakten bzw. -spannen konnte, und ich
nicht solche Eierbräter wollte. Aber dass es noch einen Unterschied in
der Größenordnung gibt, war mir gar nicht bewusst.


Marcel

[Ralf Hildebrandt]

Post by Cris Eichler
also, ,mir ist zwar Grundsätzlich bekannt, dass ein langsamer getakteter
Prozessor gegenüber seinem schnelleren Zwilling weniger Strom (Leistung)
Welchen mathematischen Zusammenhang (vielleicht eine Formel?) gibt es
zwischen CPU-Takt, Core-Spannung und Leistungsaufnahme einer CPU?

http://www.dch-faq.de/kap04.html#4.6.3

Kurz: die dynamische Verlustleistung ist direkt proportional zur
Taktfrequenz und direkt proportional zum Quadrat der Spannung.

Ralf