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AMDs neue Zen 4 CPUs für Sockel AM5 – Temperatur- und Power-Management von Raphael im Detail erklärt | Exklusiv

Zunächst kann ich alle erst einmal beruhigen, es wird sich um Gegensatz zur aktuellen Zen 3 Generation auch bei Zen 4 nicht viel ändern. Allerdings existieren auch jetzt noch jede Menge schwammige Hypothesen und Unklarheiten über AMDs Lesart, die Temperaturen zu überwachen und auch für den Benutzer auszugeben. Da möchte ich heute, auch im Hinblick auf die kommenden CPUs einmal etwas Licht ins Dunkel bringen. Denn bereits Begriffe wie Tctl werden leider oft genug falsch interpretiert und verstanden. Und wenn es dann noch um das Temperatur- und Power-Management geht, bleibt nur noch dunkler Wald. Doch keine Angst, ich werde das alles so allgemeinverständlich wie möglich herunterbrechen.

© igorsLAB 2021

Die Tctl und Tcase entmystifiziert

Um den Wert für Tctl richtig zu verstehen, muss man einmal genauer auf den Ursprung und den Zweck dieser Temperatur-Daten schauen. Bei den Sockel AM5 Prozessoren wird diese sogenannte On-Die Temperaturüberwachung entweder über die Seitenband-Temperatursensor-Schnittstelle (SB-TSI) nach der SMBus v2.0-Spezifikation oder durch das Lesen des  Registers für THM_TCON_CUR_TMP realisiert, was bei beiden Methoden aber aufs Gleiche hinausläuft und hier als genauere Erklärung nur verwirren würde. SB-TSI ist somit weitgehend identisch zu den Schnittstellen gängiger thermischer Diodenüberwachungs-Geräte und kann wie üblich auch recht simpel ausgelesen werden.

Der gemeldete Wert Tcontrol (kurz Tctl) wird der Plattform zur Steuerung der Kühlungslösung zur Verfügung gestellt, stellt jedoch nicht die tatsächliche Temperatur des Chips oder des Prozessorgehäuses dar! Der maximale Wert von Tcontrol ist für alle Prozessoren stets fest und unabänderbar auf 100 normiert, unabhängig von der der maximalen Gehäusetemperatur Tcase des Prozessors. 

Bevor wir auf Tcase als (TDP-Klassen-abhängige) Gehäusetemperatur eingehen, interessiert und zunächst noch Tjunction (kurz Tj) als Sperrschicht-Temperatur. Der Kunde kann die tatsächliche Sperrschichttemperatur wie schon bei Zen 3 (und älter) mit der bekannten Formel Tj = Tctl + Tj,offset ermitteln. Interessanterweise enthalten die Unterlagen für Zen 4 als Offset für alle TDP-Klassen  nur den Wert 0, so dass in den Specs entweder noch nichts eingetragen wurde oder hier gar kein Offset verwendet wird.  Dann könnte man sogar davon ausgehen, dass Tj und Tctl identisch sind, wobei ich persönlich von einem höheren Wert ausgehe, der aber nicht offengelegt wird, um den Endanwender nicht zu verängstigen.

Tctl sollte stets zur Steuerung der Lüftergeschwindigkeit verwendet werden, um den Prozessor innerhalb seiner Temperaturspezifikation zu halten und kann darüber hinaus auch vom System verwendet werden, um den Prozessor zu drosseln.  Der Prozessor verfügt zudem auch über einen schnellen ALERT_L-Pin, um ein interruptgesteuertes Modell anstelle des eher langsamen von Pollings zu nutzen. Die übliche Rechnung mit Tctl – Tctl,max (wie z.B. in HWinfo64) gibt letztendlich nur an, um wie viel Grad Celsius ein Prozessor unter der maximalen Temperatur (100) liegt.

Was man bei Raphael jedoch weiter verbessert hat, ist CUR_TEMP. Diese Filter-Funktion glättet die gemeldete Temperatur und hilft dabei, nervöse Änderungen der Lüfterdrehzahl des Lüfters als Reaktion auf gemeldete Spikes zu vermeiden. Das willkürlich scheinende, plötzliche Aufheulen der CPU-Lüfter kennen wir ja noch insbesondere von älteren Intel-Mainbords, wo das nervtötende Auf und Ab bis zur Korrektur der Umstände auf harte Kritik stieß. Hier werden die Werte für Tctl faktisch gecuttet und entschleunigt.

Mit Tcase als Richtwert ist das so eine Sache, denn je nach TDP-Klasse orientiert man sich bei Raphael an einem anderen, zur geforderten Kühllösung passenden Wert. Das bezieht sich auch auf die Summe der Wärmewiderstände zwischen dem IHS (Prozessordeckel) und der Umgebung. Allen Werten gemeinsam ist jedoch der Bezugspunkt in der Mitte der Oberfläche des IHS. Die anvisierten Werte selbst zeigt uns die Tabelle für Tcase:

 

 

Das Thermische Management

Parallel zu diesen Auslesewerten für die Lüftersteuerung und Temperaturkontrolle gibt es noch weitere thermische Funktionen. Die wichtigsten sind die konfigurierbare Hardware-Wärmekontrolle (cHTC), PROCHOT und ThermTrip. Das ist insofern hochinteressant, weil es Dinge sind, die nur im Inneren des Prozessors stattfinden und nicht von außen beeinflussbar und unmittelbar sichtbar sind.  Eine dieser Funktionen ist die Konfigurierbare Hardware-Wärmeregelung (cHTC), die sanfte p-Zustandsübergänge bietet und so die Leistung während des tatsächlichen Betriebs maximiert. Der Standard-Tctl-Grenzwert für cHTC ist auf 95 eingestellt. Dies ist ein speziell abgesicherter Wert und er kann auch nicht vom BIOS geändert werden. Der Endanwender sollte also die Lüfterdrehzahl so anpassen, dass dann der Prozessor unter Volllast maximal bei oder besser noch unter dem Tctl-Grenzwert agiert, weil sonst die Spielräume für den Takt nicht mehr ausgenutzt werden können (thermisches Throttling).

PROCHOT gibt es seit Intels Pentium 4 Prozessoren und der digitale Ausgabe-Pin zeigt, dass der interne Thermalkontrollschaltkreis aktiviert wurde. Dies geschieht, wenn der Prozessor seine maximale sichere Betriebstemperatur erreicht hat. Die SoC-Frequenz wird auch bei den kommenden Alder Lake und Raptor Lake CPUs weiterhin durch das PL4 bestimmt. Nicht so bei AMD. PROCHOT_L  ist im Gegensatz zu Intel ein echter unidirektionaler Pin, bei dem nur das System PROCHOT auslösen und den Prozessor in den aktiven PROCHOT-Zustand versetzen kann.

In diesem Zustand leitet der Prozessor einen Übergang zur niedrigsten Frequenz (Fmin) ein. Dieser Wert ist ebenfalls festgeschrieben und kann nicht geändert werden. Die Leistungsreduzierung wird innerhalb von 1,5 ms nach dem Einschalten erreicht. PROCHOT kann nur alle 5 ms durch einen externen Agenten ausgelöst werden (für eine unbegrenzte Dauer). Intels Fast PROCHOT# ist hier deutlich schneller. Vsys1 wird vom IMPV9.1-Controller überwacht und PROCHOT wird innerhalb von 2 μs (einstellbar) nach Überschreiten der Schwelle aktiviert. Die CPU wird dann bereits 1μs später gedrosselt. Fast PROCHOT# ermöglicht Intel somit ein höheres PL4, was zu einer besseren Reaktionsfähigkeit bis hinunter zu niedrigen Ladezuständen führt, während die Systemstabilität erhalten bleibt, erzeugt aber auch härtere Lastwechsel.

Und dann gibt es noch den Thermtrip_L Pin zum finalen Schutz (Shut-Down). Dieser wird vom Prozessor selbst aktiviert, wenn die Prozessortemperatur einen voreingestellten Grenzwert überschreitet. Die Prozessortakte werden abgeschaltet und ein Low-Voltage-VID-Code wird an den Spannungsregler gesendet. In einem solchen Fall sollte das System innerhalb von 500 ms in den Zustand der Systemabschaltung (S5) übergehen. Der Thermtrip_L-Pin ist bidirektional und entweder das System oder der Prozessor kann die Thermtrip-Funktion auslösen, indem der Thermtrip_L-Pin auf Low gesetzt wird. Thermtrip_L wird als Schutz verwendet, um dauerhafte Hardwareschäden zu verhindern. Für SB-TSI, cHTC und ThermTrip wird der gleiche On-Die-Temperaturerfassungsmechanismus verwendet, denn ich bereits oben als Tctl beschrieben habe.

Mehr Geheimnisse gibt es hier nicht und die Änderungen im Vergleich zu Zen 3 sind eher eine kleinere Evolution, das eigentlich eigentliche Grundprinzip bleibt hingegen das gleiche. Man kann also aus vielen Dingen auch auf Zen 3 zurückschließen. Interessant ist übrigens, dass AMD auch den 16-Kerner nun intern als APU bezeichnet, bei der sich im I/O-Die eine Grafikeinheit verbirgt. Doch kommen wir nun auf der nächsten Seite zum Power-Management, denn irgendwo müssen die Abwärme und die Temperaturen als Folge ja auch herkommen.

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T
Toacon

Veteran

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@Igor Wallossek, du bist das Licht am Ende des Tunnels ;)
Danke für die Erläuterung.

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M
Martin Gut

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3,804 Kommentare 1,322 Likes

Dank Igor für die Erklärungen. Es gibt immer wieder etwas neues zu lernen.

"Der kleine Exkurs zu Tcase zeigt übrigens, dass man sich an diesem Wert eher nicht orientieren sollte."
Zu Tcase sollte man auch immer erwähnen, dass die Temperatur oben auf dem Deckel der CPU gemessen wird. Dort hat ein Prozessor keinen Sensor und wird im normalen Betrieb nicht gemessen. Der Wert ist somit mit keinem der auslesbaren Werte vergleichbar die in der CPU gemessen werden. Dieser Wert wird von Kühlerherstellern verwendet um zu prüfen ob ein Kühler eine CPU genügend kühlt. Dafür macht man in der Mitte des Kühlers ein Loch und bringt dort einen Temperatursensor an dieser Stelle an. Wenn der Kühler den Prozessordeckel unter Tcase halten kann, dann sollte die Prozessortemperatur im Inneren auch nicht zu hoch werden und der Kühler erfüllt die Anforderungen.

Tcase ist Tctrl abzüglich der erwarteten Temperaturdifferenz innerhalb der CPU (zwischen Deckel und Sensoren auf Prozessorkernebene). An den Werten von Tcase sieht man, wie eine hohe Temperaturdifferenz der Prozessorhersteller erwartet. Bei den meisten Prozessoren sind das zwischen 30 und 40 Grad. Bei der neuen TDP-Klasse von 170 Watt sind es aber anscheinend über 50 Grad Temperaturdifferenz innerhalb der CPU. Es stellt schon sehr hohe Anforderungen an eine Kühlung, den Deckel immer unter 46.7 Grad zu halten. Auf dem CPU-Deckel kommt die Wärmeleitpaste, die auch noch ein paar Grad Temperaturdifferenz bewirkt. Der Kühlerboden muss also deutlich unter 46.7 Grad sein. Auch mit einem sehr grossen Luftkühler wird das schwierig. Bei einer Wasserkühlung muss die Wassertemperatur deutlich unter diesen 46.7 Grad liegen. Die Wassertemperatur ist die Temperatur, die Tcase am nächsten liegt und am ehesten vergleichbar ist. Bei einem Luftkühler hat man wirklich keinen Messwert, der vergleichbar wäre.

Intel hat früher auch immer Tcase für die Prozessoren angegeben. Viele haben dann versucht, ihre ausgelesene Prozessortemperatur darunter zu halten und hatten Angst wenn die angezeigte Temperatur Tcase nahe kam. Die Abregelungstemperatur lag aber schon damals bei 100 - 104 Grad, so dass man sich unnötig Sorgen gemacht hat, wenn man sich an Tcase orientierte.

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Igor Wallossek

Format©

5,749 Kommentare 8,919 Likes

Ich schrieb doch nicht anderes:
Das mit der Mitte ist leider standardisiert, entspricht aber nicht den Gegenheiten des asymmetrischen Designs bei den Ryzen-CPUs. Insofern ist der ganze Ansatz von Tcase eigentlich überarbeitungswürdig. Es gibt zur Kühlung ja noch weitere Details, aber das wird für die Masse echt zu verwirrend. Außerdem hatten wir ja schon einen Artikel zum Sockel und den Kühlern ;)

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M
Martin Gut

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3,804 Kommentare 1,322 Likes

Ich wollte es nur hervorheben/ergänzen und nicht korrigieren. :)

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Graf_Wessi

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Ich glaube da wirds nachher wieder einen Artikel bei der PCGH geben für den die Quelle "IgorsLab" sein wird... Schade dass ich da (PCGHMüllKlickbaitRechtschreibfehlerinkl) fürs kritisieren des ÖRR samt IP gesperrt wurde, sonst würde ich da gern wieder mal meinen Senf zu bei geben...

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ro///M3o

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210 Kommentare 114 Likes

…ahhhhh ich bin zu alt für diesen Schei…, Kram. Ich sagte Kram… 😜
Super erklärt mit, wie immer, zusätzlichen wichtigen Infos. Vielen Dank 👍🏼
Bin sehr gespannt auf die neue Plattform. Rate meinen Freunden auch erst einmal die Füße still zu halten. Ende dieses Jahres und Anfang nächstes Jahr wird ne Menge Neues (hoffentlich auch Tolles) kommen 😁👍

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Graf_Wessi

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Hmmm, ich wette die Teile werden teurer. Selbst bei X Fahrzeugherstellern etc. gibts Chipknappheiten. + Co2 Steuer, Inflation etc. wirds nicht besser werden. Gewöhnt euch dran.
Wie sagte Klaus Schwab es nochmal? "In der Zukunft wird jeder fast nichts mehr besitzen und trotzdem glücklich sein."?!

Zeitungsartikel -Epoch Times: „Great Reset“: „Im Jahr 2030 werden Sie nichts besitzen und glücklich sein“

Erinnert sich eigentlich noch jemand an das Buch "Brave new world" von Aldous Huxley?!

Ps. Aktuell streiken in (Teilen von?) Australien anscheinend auch die Lieferanten für Ware aus Asien. Könnte auch noch mal ein Faktor sein.

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ro///M3o

Veteran

210 Kommentare 114 Likes

Das ist sicher dass das neue Zeug teurer wird aber falls man eh ein neues System braucht und der Aufpreis im Verhältnis nicht all zu krass ist, hat man so eine neue Plattform mit mehr Upgrademöglichkeiten für die Zukunft. Man muss nicht das absolute High End haben und ich bin mir sicher, dass vergleichbare Leistung ziemlich gleich kosten wird wie die aktuelle High End (z.B. jetzige High End = neue obere Mittelklasse > Entsprechend ähnlicher Preis aber mit aktueller Technik + Zukunftssicherer). Paar Euro hin oder her, geschenkt.
AM4 und Intel Pendant haben halt ihr EOL bald erreicht. Das kauft man zu diesem Zeitpunkt nicht mehr wirklich neu ohne beträchtliche Rabatte (z.B. Black Friday) als Privater „ohne Druck“. Wenn man es dringend braucht, ist was Anderes.
Zu dem gibt es auch den Gebrauchtmarkt falls man doch die aktuelle Generation später nehmen möchte. Da setze ich auch auf die sehr zuverlässige Gier der Menschheit immer das Neueste und Beste zu besitzen auch wenn man es nicht braucht und drum hoffe ich auf gute Preise im 2nd Hand Markt.
Mir ist auch klar, dass das eben nicht jeder so mag und macht weshalb der Spruch von Klaus Schwab seine Berechtigung haben mag aber man kann sehr wohl sehr viel und auch geiles Zeug besitzen wenn man nicht immer „ neu neu neu“ kaufen muss und sich auch mal selbst bemühen kann neues zu lernen, Zeit zu investieren und bissle zu basteln 😁.

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Graf_Wessi

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Joar, sehe ich ähnlich. Habe vor einigen Monaten erst von 3600 und x470 MB auf B550 + 5600x & 6700xt gewechselt. (5600x für 225€ geschossen) Freundin bekam dafür neues (selbes wie ich) B550 AORUS ELITE V2 und meinen 3600 drauf. Somit ist ihre 5500XT dank PCI-E4 nicht mehr gedrosselt und meine alte Hardware (Sabertooth z97 + Xeon 1231v3 16GB Ram) habe ich einem alten Freund aus dem Heim aus Jugendzeiten geschenkt, denn er ist leider nie über seine Trauma hinweggekommen und hat absolut keine Kohle gehabt um seinen alten Intel 2500 abzulösen. Und wir jammern hier wegen der neusten Hardware rum... :D :D :D #Dekadenz

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q
quantaro

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32 Kommentare 26 Likes

Tcase ist vor allem ein Wert der für Kühlerhersteller wichtig ist, nicht fürs Tjmax der CPU oder Cores an sich. Es ist eine Art Maximalwert für den Kühleraufbau, vor allem was OEMs betrifft (ambient und sink spielen dabei auch eine Rolle). Letztlich wird er offiziell nie als max beziffert, sondern ist ein Durchschnittswert. Die tatsächlichen Werte behalten CPU Hersteller für sich.

Für die CPU Hersteller spielt Tcase dann eine Rolle, wenn es darum geht, dass das TIM die optimale Verbindung und damit Leitfähigkeit zwischen IHS und Silizium herstellt. Anhand dieser Parameter lassen sich also auch Serien selektieren oder Ausschuss bzw. Serienstreuung aus-/sortieren.

Daher stammt auch das gerüchteweiser innerhalb der Silikonlotterie jemand ein besonders taktfreudiges Die erwischt. Daran muss es aber gar nicht liegen, sondern am TIM und damit Tcase, die mit Tjmax letztlich nichts zu hat. Was ja zuweilen köpfen auch beweist.

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About the author

Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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