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AMD’s new Zen 4 CPUs for Socket AM5 – Temperature and power management of Raphael explained in detail | Exclusive

Disclaimer: The following article is machine translated from the original German, and has not been edited or checked for errors. Thank you for understanding!

First of all, I can reassure everyone that unlike the current Zen 3 generation, Zen 4 will not change much. However, even now there are a lot of fuzzy hypotheses and ambiguities about AMD’s reading of monitoring temperatures and also outputting them to the user. There I would like to bring today, also in view of the coming CPUs once some light into the darkness. Unfortunately, terms such as Tctl are often misinterpreted and misunderstood. And when it comes to temperature and power management, only dark forest remains. But don’t worry, I’m going to break it all down as generally understandable as possible.

© igorsLAB 2021

The Tctl and Tcase demystified

To properly understand the value for Tctl, one must take a closer look at the origin and purpose of this temperature data. On Socket AM5 processors, this so-called on-die temperature monitoring is implemented either via the sideband temperature sensor interface (SB-TSI) according to the SMBus v2.0 specification or by reading the register for THM_TCON_CUR_TMP, which is the same for both methods and would only confuse as a more detailed explanation here. SB-TSI is therefore largely identical to the interfaces of common thermal diode monitoring devices and, as usual, can also be read out quite simply.

The reported value Tcontrol (Tctl for short) is provided to the platform to control the cooling solution, but does not represent the actual temperature of the chip or the processor case! The maximum value of Tcontrol is always fixed and unchangeably normalized to 100 for all processors, independent of the maximum case temperature Tcase of the processor. 

Before we go into Tcase as (TDP class-dependent) case temperature, we are first interested in Tjunction (Tj for short) as junction temperature. As with Zen 3 (and older), the customer can determine the actual junction temperature using the familiar formula Tj = Tctl + Tj,offset. Interestingly, the Zen 4 docs only include 0 as the offset for all TDP classes, so either nothing has been entered in the specs yet or no offset is used here at all.  Then you could even assume that Tj and Tctl are identical, although I personally assume a higher value, but it is not disclosed so as not to scare the end user.

Tctl should always be used to control the fan speed to keep the processor within its temperature specification and can also be used by the system to throttle the processor.  The processor also has a fast ALERT_L pin to use an interrupt driven model instead of the rather slow one of polling. The usual calculation with Tctl – Tctl,max (as e.g. in HWinfo64) finally only indicates by how many degrees Celsius a processor is below the maximum temperature (100).

What they have improved further at Raphael, however, is CUR_TEMP. This filtering feature smooths the reported temperature and helps avoid nervous changes in the fan speed of the fan in response to reported spikes. We still know the seemingly arbitrary, sudden howling of the CPU fans, especially from older Intel mainboards, where the annoying up and down until the circumstances were corrected met with harsh criticism. Here, the values for Tctl are effectively cut and decelerated.

With Tcase as a guideline is such a thing, because depending on the TDP class, Raphael orients itself to a different value that fits the required cooling solution. This also refers to the sum of the thermal resistances between the IHS (processor lid) and the environment. However, all values have in common the reference point in the middle of the surface of the IHS. The targeted values themselves show us the table for Tcase:

 

 

Thermal management

Parallel to these readout values for fan control and temperature control, there are other thermal functions. The most important are the configurable hardware thermal control (cHTC), PROCHOT and ThermTrip. This is highly interesting because these are things that only take place inside the processor and cannot be influenced and directly seen from the outside.  One of these features is Configurable Hardware Thermal Control (cHTC), which provides smooth p-state transitions to maximize performance during actual operation. The default Tctl limit for cHTC is set to 95. This is a specially protected value and it cannot be changed by the BIOS. The end user should therefore adjust the fan speed in such a way that the processor then operates at maximum at or better still below the Tctl limit under full load, because otherwise the margins for the clock rate can no longer be utilized (thermal throttling).

PROCHOT has been around since Intel’s Pentium 4 processors and the digital output pin indicates that the internal thermal control circuitry has been activated. This occurs when the processor reaches its maximum safe operating temperature. The SoC frequency will continue to be determined by the PL4 for the upcoming Alder Lake and Raptor Lake CPUs. Not so with AMD. PROCHOT_L, unlike Intel, is a true unidirectional pin where only the system can trigger PROCHOT and put the processor in the active PROCHOT state.

In this state, the processor initiates a transition to the lowest frequency (Fmin). This value is also fixed and cannot be changed. The power reduction is achieved within 1.5 ms after switching on. PROCHOT can only be triggered by an external agent every 5 ms (for an unlimited duration). Intel’s Fast PROCHOT# is significantly faster here. Vsys1 is monitored by the IMPV9.1 controller and PROCHOT is activated within 2 μs (adjustable) after the threshold is exceeded. The CPU is then already throttled 1μs later. Fast PROCHOT# thus allows Intel to achieve a higher PL4, resulting in better responsiveness down to low load states while maintaining system stability, but also produces harder load cycling.

And then there is the Thermtrip_L pin for final protection (shut-down). This is activated by the processor itself when the processor temperature exceeds a preset limit. The processor clocks are turned off and a low-voltage VID code is sent to the voltage regulator. In such a case, the system should enter the system shutdown state (S5) within 500 ms. The Thermtrip_L pin is bidirectional and either the system or the processor can trigger the Thermtrip function by setting the Thermtrip_L pin low. Thermtrip_L is used as protection to prevent permanent hardware damage. For SB-TSI, cHTC and ThermTrip the same on-die temperature sensing mechanism is used as I described above as Tctl.

There are no more secrets here and the changes compared to Zen 3 are more of a minor evolution, but the actual basic principle remains the same. So you can also infer Zen 3 from a lot of things. By the way, it’s interesting that AMD now also refers to the 16-core internally as an APU, which hides a graphics unit in the I/O die. But now we come to the power management on the next page, because the waste heat and the temperatures as a consequence have to come from somewhere.

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T
Toacon

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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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4,218 Kommentare 1,526 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©

5,995 Kommentare 9,425 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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4,218 Kommentare 1,526 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

Veteran

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…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

228 Kommentare 129 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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G
Guest

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

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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