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

Das Power Management

Die Energieverwaltungsfunktionen ermöglichen es dem Prozessor, maximale Leistung zu erbringen und innerhalb des spezifizierten Stromversorgungs- und Leistungsaufnahme-Rahmens zu bleiben. Die Grundidee dabei ist, dass nur eine kleine Anzahl von für das Betriebssystem sichtbaren P-Zuständen definiert wird: einen Basis-P-Zustand, einen niedrigeren P-Zustand und einen sogenannten 3. Zustand. Der gesamte vom Prozessor unterstützte Frequenzbereich wird jedoch durch wesentlich feinkörnigere P-Zustände (FGPS) definiert.

Hierfür dient eine Kombination aus einer PLL mit 25-MHz-Auflösung und einem digitalen Frequenzsynthesizer. “Skin Temperature Aware Power Management” – kurz STAPM – ist AMDs Lösung, um mobile Geräte auf einer angenehmen Betriebstemperatur zu halten und in diesem Fall komplett deaktiviert.

Es ist wichtig zu beachten, dass bestimmte Energieverwaltungsfunktionen wie das Package Power Tracking (PPT) den Stromverbrauch typischer Anwendungen bis über die TDP des Prozessors hinaus erhöhen können! Diese Leistungsgrenze, bis zu der das Bauteil über den TDP hinaus Strom verbrauchen kann, wird als sogenannte  PPT-Grenze definiert.

Der PPT-Grenzwert kann zur Laufzeit über das BIOS geändert werden. Im Übrigen ist interessant, wie AMD intern die Übergabe der Vorgabewerte handhabt, da das BIOS (vereinfacht betrachtet) alles mit 1,35 multipliziert, um das neue PPT-Limit festzulegen. Zur Sicherheit gibt es jedoch interne Prüfungen, die verhindern, dass ein PPT-Grenzwert gesetzt wird, der höher ist, als der Standard-Wert. Es kann jedoch ein beliebiger PPT-Grenzwert eingestellt werden, der niedriger ist als der Standard-PPT-Grenzwert.

 

Grundlagen zur Leistungsregelung (Spannungswandler)

Auch hier lässt sich viel sparen oder im Gegenzug leider auch vergeuden. AMD setzt hier jedoch seit Längerem klare Richtlinien in Bezug auf die Optimierung der Komponentenauswahl und -implementierung neu entwickelter Systeme. Neben der Berücksichtigung dessen, was für jeden Modus aktiv ist und was mit Strom versorgt werden muss, spielt auch die Gesamteffizienz des Stromverteilungsnetzes eine sehr wichtige Rolle bei der Fähigkeit der Plattform, diese hoch angesetzten Anforderungen zu erfüllen.

Das gilt auch und vor allem für die Einführung der neuen AM5-Plattform. Eine möglichst hohe Leistungseffizienz muss natürlich bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden. Versuche, ein bereits bestehendes Platinendesign zu modifizieren, um dadurch um die Energieeffizienz zu erhöhen, führt in der Regel nicht zu den gewünschten Ergebnissen. BIOS-Verbesserungen allein bringen ebenfalls nicht den maximalen Nutzen. Der größte Zugewinn wird nur erzielt, wenn die Hardware mit Blick auf maximale Effizienz entwickelt wurde und die Auswahl der verwendeten Komponenten dem ganzen Rechnung trägt.

AMD weist darauf hin, bei der Erzeugung von Teilspannungen übermäßig viele Ebenen (Stufen) der Leistungsumwandlung zu vermeiden, um die Effizienz zu erhalten und den Gesamtwirkungsgrad nicht zu sehr nach unten zu drücken. Die Topologie der Leistungsumwandlung muss im Vorfeld also sorgfältig geprüft werden. Die Anzahl und die Höhe der Spannungen sowie der Strombedarf für jede dieser Schienen müssen den Anforderungen entsprechen. Bei hohem Strombedarf müssen Schaltregler eingesetzt werden, die ausreichend  hoch bemessen sind. Die Gesamtzahl der Stufen im Strompfad ist dabei auf zwei zu beschränken, einschließlich der Haupteingangsstromversorgung, denn jede Stufe senkt den Gesamtwirkungsgrad der gelieferten Endspannung signifikant. Reihenschaltung von Stromversorgungen sind also stets extrem kontraproduktiv. Ausnahmen sind hier nur die Referenzspannungen, die einer anderen Spannung folgen müssen, oder wenn der Strom z.B. außergewöhnlich niedrig ist.

Wirkungsgrade und Netzteil

Der Wirkungsgrad des Systems kann nicht höher sein als der Wirkungsgrad des verbauten Netzteils im Rechner, das ist natürlich logisch. Es muss groß genug bemessen sein, um alle anzuschließenden Peripheriegeräte und Erweiterungskarten stabil zu versorgen, darf aber im Gegenzug auch nicht so groß sein, dass die Effizienz in einer typischen Systemkonfiguration aufgrund unzureichender Belastung wieder stark abfällt. Alle Netzteile haben Effizienzkurven und wenn die Stromlast gleich Null ist, dann ist der ist auch der Wirkungsgrad gleich Null.

Die meisten aktuellen PC-Netzteile bieten ihren maximalen Wirkungsgrad bei einer Belastung von über 80 %. Ein weiterer wichtiger Bereich ist bei Stromversorgungen mit mehreren Ausgängen die Auswirkung auf den Gesamtwirkungsgrad bei einer unterschiedlichen Belastung der einzelnen Ausgänge (Crossload).  Die Netzteile haben drei Betriebsbereiche:
– Unterbelastet
– Richtig belastet
– Überlastet

AMD führt ein Beispiel für die Leistungseffizienzkurven an, das die drei Bereiche zeigt. Ein Extremfall liegt vor, wenn der Laststrom gleich Null ist, da der Wirkungsgrad ebenfalls gleich Null ist.

Auch wenn ich immer wieder Prügel bekomme, wenn ich über den Sinn oder besser Unsinn sehr stark überdimensionierter Netzteile schreibe – es ergibt in der Summe nun einmal kaum einen Sinn, da die Systeme fast nie konstant mit Volllast laufen und sich die Kurve damit stets in den Bereich zu kleiner Lasten verschiebt.

Zusammenfassung

Es ist schwierig, viele der wichtigen Details auf einen gemeinsamen Nenner herunterzubrechen, mit dem auch ein Enduser noch etwas anfangen kann. Für den typischen PC-Nutzer und Selbstbauer ist auf alle Fälle erst einmal interessant, wie AMD den Wert für Tctl definiert und nutzt (obwohl die Sperrschichttemperaturen sicher deutlich höher liegen) und man den Endanwender mit normalisierten Werten auch vor Panik schützt. Und es ist auch eine einheitliche Größe für alle TDP-Klassen, um eine klassenübergreifende Regelung (Lüfter) und Kontrolle zu realisieren.

Die Erläuterungen zum thermischen Management sollen dem Anwender heute ein gewisses Gefühl der Sicherheit geben, denn so einfach “brennt” eine CPU nicht mehr durch, diese Zeiten sind Gott sei Dank vorbei. Der kleine Exkurs zu Tcase zeigt übrigens, dass man sich an diesem Wert eher nicht orientieren sollte. Das Power-Management bestätigt noch einmal, was wir schon von Zen 3 kennen, bis hin zu feinen Abstufung der FGPS und somit auch der sehr variablen Taktraten.

Den Part mit der Spannungsversorgung (Netzteil, Motherboard) habe ich aus gutem Grund mit eingefügt, denn ich hatte bei einigen Motherboard-Tests in der Vergangenheit schon so einige Effizienz-Fehltritte beobachten können. Man darf ja auch nie außer Acht lassen, dass AMDs Prozessoren echte SoC sind und man die Leistungsaufnahmewerte vor allem im Idle nicht so einfach mit denen von Intel vergleichen kann. Im Zweig der CPU (EPS) hängen nun einmal mehr Funktionsgruppen.

Ich hoffe, es war weder langweilig, noch zu komplex. Vieles von dem, was AMD zu Raphael schreibt, kennen wir in dieser oder einer ähnlichen Form bereits. Es ist allerdings auch beruhigend zu wissen, dass AMD den eingeschlagenen Weg kontinuierlich fortsetzt, so dass man bereits jetzt schon weiß, was einen so ungefähr bei diesen Punkten erwartet. Man wird also nicht gravierend umdenken müssen und das ist gut so.

Quellen: AMD, Intel (via Leaks)

 

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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

Urgestein

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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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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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