Energiesparmechanismen bei Prozessoren

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1 Energiesparmechanismen bei Prozessoren Seminar Grüne Informationstechnik Sommersemester Torsten Hopp

2 Übersicht Motivation Grundlagen Aufbau von Prozessoren Begriffe und Kennzahlen Stromsparmechanismen Kernspannung und Taktfrequenz Layout und Fertigungsgröße Abschaltung von Teilen den CPU Betriebssystemanbindung Beispiele Marktüberblick Zusammenfassung & Ausblick Torsten Hopp 2/53

3 1. Motivation Torsten Hopp 3/53

4 1. Motivation Bisher: Leistung zählt Nun: Auch Beachtung der Leistungsaufnahme Allgemeine Besinnung auf die Umwelt Energiekosten stark gestiegen Immer mehr tragbare Geräte mit Akkus Prozessorhersteller scheinen den Trend erkannt zu haben! Torsten Hopp 4/53

5 Übersicht Motivation Grundlagen Aufbau von Prozessoren Begriffe und Kennzahlen Stromsparmechanismen Kernspannung und Taktfrequenz Layout und Fertigungsgröße Abschaltung von Teilen den CPU Betriebssystemanbindung Beispiele Marktüberblick Zusammenfassung & Ausblick Torsten Hopp 5/53

6 2. Grundlagen Aufbau von Prozessoren Prozessor = Kernstück eines PCs Meist nach von-neumann-architektur aufgebaut x86-architektur Unterteilung in Verarbeitungseinheit Busverbindungseinheit Torsten Hopp 6/53

7 2. Grundlagen Aufbau von Prozessoren Steuerwerk: Lesen/Speichern von Daten (Hauptspeicher) Bereitstellung, Dekodierung, Ausführung von Befehlen Verarbeitung der Eingaben und Ausgaben der Peripherie Interrupt-Steuerung Überwachung des gesamten Systems Torsten Hopp 7/53

8 2. Grundlagen Aufbau von Prozessoren Bussystem: Adressbus: Übertragung der Speicheradresse Datenbus: Übertragung der Daten zwischen RAM, Peripherie und Steuerw. Steuerbus: Verbindung der Teileinheiten, Anweisungen Torsten Hopp 8/53

9 2. Grundlagen Aufbau von Prozessoren Rechenwerk (ALU): mathematische und logische Berechnungen Torsten Hopp 9/53

10 2. Grundlagen Aufbau von Prozessoren Interner Speicher Register: schnellster Speicher (Zugriffe ~1ns) Level-1-Cache: schneller Zwischenspeicher, wenige KB groß Level-2-Cache: etwas langsamerer Zwischenspeicher, bis zu mehreren MB groß Coprozessoren Beschleunigung mathematischer Berechnungen Vor allem Floating Point Operationen Torsten Hopp 10/53

11 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Prozessorkern ALU + Register + logische Schaltungen zur Peripherie Torsten Hopp 11/53

12 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Transistor Kleinste Einheit eines Prozessors Aufbau von logischen Gattern (AND, OR, NOT) und daraus: Flip-Flops, Zähler, Register, Anzahl Transistoren in einem Prozessor: Intel 8086, (3µm) Intel Pentium, 3,1 Mio. (0,8µm) Intel Pentium 4: 42 Mio. (180nm) Intel Pentium 4 Extreme Edition: 376 Mio. (65nm) Intel Core 2 Duo: 410 Mio. (45nm) Miniaturisierung hält an! Torsten Hopp 12/53

13 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Rechenleistung die Arbeit die ein Prozessor innerhalb einer bestimmten Zeit leisten kann MIPS Million Instructions Per Second Abhängig von Taktfrequenz Interne Architektur Cache-Größen Torsten Hopp 13/53

14 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Leistungsaufnahme, Verlustleistung Aufgenommene Leistung = Verlustleistung! Wärme Kühlung erforderlich (aktiv, passiv) Thermal Design Power (TDP) Maximale Wärmeleistung, die Kühlsystem abführen können muss Von Herstellern unterschiedlich ausgelegt Meist nur theoretischer Wert Torsten Hopp 14/53

15 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Average CPU Power (ACP) AMD Unterscheidung zwischen Verbrauchern eines Systems speziell ausgestattete Plattform Auslastung durch verschiedene Benchmarks simuliert TPC-C (Transaction Processing Performance Council) SPECcpu2006 SPECjbb2005 STREAM Vergleich wird schwierig! Torsten Hopp 15/53

16 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Faktoren für Verlustleistung Dynamische Verlustleistung Feldeffekt-Transistoren (CMOS) Spannung zwischen Source und Gate (= Aufladung) Stromfluss von Source zu Drain. Realisierung der logischen Funktionen aus Transistoren Torsten Hopp 16/53

17 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Mittlere Verlustleistung: P m = f C U 2 n Taktfrequenz Kapazität Kernspannung Umladevorgänge pro Takt Statische Verlustleistung Keine Schaltung ideal Widerstände, Leckströme Unabhängig von Taktfrequenz etc Torsten Hopp 17/53

18 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Arten von Prozessoren Desktop-Rechner Desktop-Prozessoren, z.b. Pentium 4, Athlon XP Notebooks Desktop-Prozessoren Desktop-Replacement, z.b. Intel Mobile Pentium 4, AMD Athlon XP-M DTR Spezielle Mobilprozessoren, z.b.: Intel Pentium M, Core 2 Server Server-Prozessoren, z.b. Intel Xeon Torsten Hopp 18/53

19 2. Grundlagen Begriffe & Kennzahlen Beispiele: Leistungsaufnahme Prozessor-Model Taktfrequenz Leistungsaufn. MHz/Watt Ersch.jahr Intel Pentium 100 MHz 10,1 W 9, Intel Pentium II (Deschutes) 400 MHz 24,3 W 16, Intel Pentium III 1400 MHz 31,2 W 44, Intel Pentium IV (D960 B1) 3,6 GHz 130 W 27, Intel Core 2 Duo E8500 3,16 GHz 65 W 48, Intel Pentium M 765 2,1 GHz 21 W AMD Athlon Thunderbird 1400 MHz 73,5 W 19, AMD Athlon XP (Barton) 1917 MHz 68,3 W 28, AMD Athlon 64 X ,2 GHz 125 W 25, AMD Turion 64 ML-44 2,4 GHz 35 W 68, Torsten Hopp 19/53

20 Übersicht Motivation Grundlagen Aufbau von Prozessoren Begriffe und Kennzahlen Stromsparmechanismen Kernspannung und Taktfrequenz Layout und Fertigungsgröße Abschaltung von Teilen den CPU Betriebssystemanbindung Beispiele Marktüberblick Zusammenfassung & Ausblick Torsten Hopp 20/53

21 3. Stromsparmechan. Kernspannung & Taktfrequenz Kernspannung: Quadratischer Einfluss 1,4 V statt 2,0 V halbe Verlustleistung Taktfrequenz: Linearer Einfluss 1,0 GHz statt 2,0 GHz halbe Verlustleistung Direkter Zusammenhang zwischen Kernspannung und Taktfrequenz Leerlaufzeiten ausnutzen Intel SpeedStep, AMD PowerNow!, AMD Cool 'n Quiet Torsten Hopp 21/53

22 3. Stromsparmechan. Kernspannung & Taktfrequenz Low-Voltage-Prozessoren (LV) Notebook-Bereich Bsp.: Intel Core 2 Duo L7xx-Serie Taktfrequenz Kernspannung TDP 1,33 1,6 GHz 0,975 V 1,062 V 17 W Torsten Hopp 22/53

23 3. Stromsparmechan. Kernspannung & Taktfrequenz Ultra-Low-Voltage-Prozessoren (ULV) Notebook-Bereich Bsp.: Intel Core 2 Duo U2xx-Serie Taktfrequenz Kernspannung TDP 1,06 1,2 GHz 0,93 V 1,025 V 9 W Problem: Große Sprünge in Stromstärke Spezielle umgebende Hardware notwendig Meist deutlich teurer Torsten Hopp 23/53

24 3. Stromsparmechan. Layout & Fertigungsgröße Anzahl Transistoren stark gestiegen Rechenleistung skaliert nur unterproportional Fertigungsgröße: Kapazität der Strukturen proportional zur Fläche Z.B. 0,15µm statt 0,21µm halbierte Kapazitäten reduzierte Verlustleistung Verringerung der Fertigungsgröße hält an. Aktuell: 45nm, bald ~30nm Torsten Hopp 24/53

25 3. Stromsparmechan. Abschaltung von Teilen der CPU Mehrkern-CPUs: Oft nur ein Kern benutzt. Nicht benutzte Kerne in Stromsparmodus Feingranulare Unterteilung der CPU Abschaltung z.b. von logischen Einheiten, unbenutzte Speicherbereiche Intel Intelligent Power Capability Torsten Hopp 25/53

26 3. Stromsparmechan. Betriebssystemanbindung Energiesparmechanismen meist an Betriebssystem angebunden Besserer Überblick über Leistungsbedarf Standard für Energieverwaltung: ACPI Prozessorzustände: C0 Arbeitszustand Anpassung an Leistungsbedarf möglich: P-States C1 HLT (Haltemodus) C2, C3, Cn Torsten Hopp 26/53

27 3. Stromsparmechan. Betriebssystemanbindung Beispiel: Intel Atom-Prozessor Torsten Hopp 27/53

28 3. Stromsparmechan. Beispiele Beispiele: Energiesparmechanismen von Prozessorherstellern (Intel, AMD) Torsten Hopp 28/53

29 3. Stromsparmechan. Beispiele Intel Intel SpeedStep Anpassung der Taktfrequenz und Kernspannung an Rechenbedarf Für Notebook-Prozessoren entwickelt Erste Version ~2000 (Pentium III Coppermine): Unterscheidung zwischen Normalbetrieb: Volle Taktung Batteriebetrieb: Taktung auf 500 MHz Aktuell: Version 3.2 ( Enhanced EIST ) Taktung in 100 MHz-Stufen möglich Torsten Hopp 29/53

30 3. Stromsparmechan. Beispiele Intel Intel SpeedStep Probleme mit Effizienz: Abhilfe Voltage-Frequency- Switching-Separation Torsten Hopp 30/53

31 3. Stromsparmechan. Beispiele Intel Intel SpeedStep Muss von mehreren Systemkomponenten unterstützt werden: Prozessor Chipsatz BIOS Stromregulator Betriebssystem Betriebssystemanbindung über Treiber Schreiben + Lesen bestimmter Register Torsten Hopp 31/53

32 3. Stromsparmechan. Beispiele Intel Intel SpeedStep Einsparpotenzial: (Herstellerangabe) Pentium M - 1,6 GHz 1,6 GHz / 1,484V: 24,5W 600 MHz / 0,956V: 6W ~ 25% Torsten Hopp 32/53

33 3. Stromsparmechan. Beispiele Intel Intel Intelligent Power Capability Ab ~2006 (Intel Core 2 Architektur) Feingranulare Unterteilung jedes Prozessorkerns Nur wenn benötigt eingeschaltet Prozessor-Logik-Subsysteme Teile von Arrays Teile von Bussen Torsten Hopp 33/53

34 3. Stromsparmechan. Beispiele AMD AMD PowerNow! Ab ~1999 (K6 2+) Anpassung der Taktfrequenz und Kernspannung je nach Rechenbedarf Erste Version: Taktung in Stufen möglich! Heute: Enhanced PowerNow! Getrennte Verwaltung jedes Kerns Kerne können fast komplett abgeschaltet werden. Betriebssystemanbindung über Treiber Torsten Hopp 34/53

35 3. Stromsparmechan. Beispiele AMD AMD PowerNow! Einsparpotenzial: (Herstellerangabe) Opteron ,6 GHz 2,6 GHz / 1,35V: 95W 1,0 GHz / 1,10V: 34W ~ 35% Torsten Hopp 35/53

36 3. Stromsparmechan. Beispiele AMD AMD Cool 'n' Quiet Ab ~ 2004 (Sempron 3000+) Neue Bezeichnung der PowerNow!-Technologie Bis zu 32 Abstufungen der Taktfrequenz und Kernspannung (P-States) Steuerung über ACPI-kompatibles Betriebssystem Weitere Namen: Optimized Power Management (OPM) Torsten Hopp 36/53

37 3. Stromsparmechan. Beispiele AMD AMD Cool Core Abschaltung ungenutzter Teile des Prozessors z.b.: Speichercontroller schaltet beim Lesen Schreiblogik ab. Funktioniert ohne spezielle BIOS-Einstellungen und Treiber Umschaltung in einem Taktzyklus Torsten Hopp 37/53

38 3. Stromsparmechan. Beispiele AMD AMD Dual Dynamic Power Management Getrennte Spannungsversorgung von Speichercontroller und Rechenkern Bessere Anpassung an Betriebsanforderung AMD Independent Dynamic Core Komplett unabhängige Steuerung pro Prozessorkern Anpassung an derzeitige Beanspruchung Torsten Hopp 38/53

39 Übersicht Motivation Grundlagen Aufbau von Prozessoren Begriffe und Kennzahlen Stromsparmechanismen Kernspannung und Taktfrequenz Layout und Fertigungsgröße Abschaltung von Teilen den CPU Betriebssystemanbindung Beispiele Marktüberblick Zusammenfassung & Ausblick Torsten Hopp 39/53

40 4. Marktüberblick Zwei große Hersteller: Intel, AMD Benennung der Prozessoren: Prozessorfamilie Athlon Prozessorserien 64 X2 Prozessormodelle Brisbane Revision G Torsten Hopp 40/53

41 4. Marktüberblick Welcher Prozessor ist der richtige? Umfeld + Anwendung beachten! Energieeffizienz: Datenblatt beachten TDP-Wert kritisch betrachten Bei Vergleich: TDP/ACP-Angaben beachten! Performance per Watt Vergleichstests? Unterscheidung: Notebook / Desktop / Server Torsten Hopp 41/53

42 4. Marktüberblick Intel: Desktop-Prozessoren Torsten Hopp 42/53

43 4. Marktüberblick Intel: Notebook-Prozessoren Torsten Hopp 43/53

44 4. Marktüberblick Server-Prozessoren Torsten Hopp 44/53

45 Übersicht Motivation Grundlagen Aufbau von Prozessoren Begriffe und Kennzahlen Stromsparmechanismen Kernspannung und Taktfrequenz Layout und Fertigungsgröße Abschaltung von Teilen den CPU Betriebssystemanbindung Beispiele Marktüberblick Zusammenfassung & Ausblick Torsten Hopp 45/53

46 5. Zusammenfassung & Ausblick Verlustleistung hängt von unterschiedlichen Faktoren ab Dynamische Verlustleistung Statische Verlustleistung Verschiedene Ansätze zum Energiesparen Taktfrequenz & Kernspannung reduzieren Abschaltung von Teilen der CPU / Kernen Layout optimieren, Fertigungsgröße verringern Zusammenarbeit mit Betriebssystem Moderne Prozessoren: ca W TDP Torsten Hopp 46/53

47 5. Zusammenfassung & Ausblick Umdenken bei Prozessorherstellern Aber: gezieltes Marketing Performance pro Watt Besonders für Rechenzentren Immer mehr Mobilgeräte Intels Atom-Prozessor MIT-Forschung: Mikrochips mit 0,3V Kernspannung Torsten Hopp 47/53

48 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! FRAGEN? Torsten Hopp 48/53

49 Literaturverzeichnis Advanced Micro Devices Inc. (2008), 'AMD erweitert Führungsposition bei energieeffizienten Prozessoren mit weltweit erstem 65-Watt-Quad-Core-Desktop-Prozessor', Technical report, Advanced Micro Devices. Advanced Micro Devices Inc. (2007), 'ACP - The Truth About Power Consumption Starts Here', Technical report, Advanced Mirco Devices, [Whitepaper, Online; Stand 21. Marz 2008, Brockschmidt, M.; Fiebig, R.; Grossklass, S.; Hildebrandt, R. & Knaepper, R. (2006), 'CPU- und Mainboard-FAQ: CPU-Kühlung', [Online, Stand: , Ernst, N. (2008), 'Zieht Intel seinen "`Diamondville"' für Billig-Notebooks vor?', [Online, Stand 21. Marz 2008, Ernst, N. (2008), 'Intels Quad-Core-Xeons jetzt mit 2,5 GHz bei 50 Watt', [Online, Stand 28. Marz 2008, Ernst, N. (2008), 'IDF: 5 Atome ab 0,6 Watt, Details zur Architektur', [Online, Stand 2. April 2008, Ernst, N. (2007), 'AMDs Barcelona kommt mit Stromspartechnik "CoolCore"', [Online, Stand 30. Marz 2008, Faber, S. (2007), 'Energie-Rechnereien', PC Professionell 5/2007, Haluschak, B. (2007), 'Theorie und Praxis: Strom sparen mit Server-Software', [Online; Stand 06 April 2008, Heise.de Glossar (), 'Thermal Design Power (TDP)', [Online, Stand 21. Marz 2008, Heise.de Newsticker (2008), 'AMD will künftig nur noch die "`mittlere"' Leistungsaufnahme nennen', [Online, Stand 21. Marz 2008, Torsten Hopp 49/53

50 Literaturverzeichnis (2) Henze, D.; Broy, M.; Hegering, H. G.; Picot, A.; Buttermann, A.; Garschhammer, M.; Hauck, R. & Vogel, S. (2000), Kommunikations- und Informationstechnik 2010, Bundesamt f. Sicherheit in d. Informationstechnik BSJ. Hülsenbusch, R. (2008), 'Hochgerechnet - Workgroup Server mit Energiespar-Option', ix Magazin für professionelle Informationstechnik 1/2008, Ihlenfeld, J. (2008), 'MIT-Forscher demonstrieren extrem stromsparende Chips', [Online, Stand 21. Marz 2008, Ihlenfeld, J. (2008), 'Intel kündigt Atom-Prozessor an', [Online, Stand 21. Marz 2008, Informationskampagne für Erneuerbare Energien (2007), 'Erneuerbare Energien haben nur geringen Anteil am Strompreisanstieg', [Online; Stand 21. Marz 2008]. Intel Corporation (2007), 'Introducing the 45nm Next-Generation Intel Core Microarchitecture', Technical report, Intel Corporation, [Whitepaper, Online; Stand 05. April 2008, Intel Corporation (2004), 'Enhanced Intel SpeedStep Technology for the Intel Pentium M Processor', Technical report, Intel Corporation, [Whitepaper, Online; Stand 05. April 2008, Käßler, M. (2007), 'Marktübersicht: Stromsparende Prozessoren für Desktop-PCs', [Online, Stand: , Lotz, A. (2003), 'Mikroprozessor', [Online; Stand 25. Marz 2008, Torsten Hopp 50/53

51 Literaturverzeichnis (3) Nolte, S. & Riepe, M. (2007), 'Auf Sparflamme - Stromsparen unter Linux und Windows', ix Magazin für professionelle Informationstechnik 8/2007, von Obert, A. (2003), 'Was bestimmt die Prozessor-Verlustleistung?', [Online, Stand 03. April 2008, Pape, P. (), 'CPU', [Online, Stand 21. Marz 2008, Prandl, M. (2005), 'Der Registersatz des 8086-Prozessoors', [Online; Stand 25. Marz 2008, Tanenbaum, A. S. & Goodman, J. (2001), Computerarchitektur, Prentice Hall, Pearson Studium. Tцpelt, B. (2007), 'Stromspar-Duell: Intel auf verlorenem Posten', [Online, Stand 21. Marz 2008, Wechsler, O. (2006), 'Inside Intel Core Microarchitecture: Setting New Standards for Energy- Efficient Performance', Technology@Intel Magazine 03/06. Wikipedia (2008), 'Advanced Configuration and Power Interface --- Wikipedia, Die freie Enzyklopдdie', [Online; Stand 21. Marz 2008]. Wikipedia (2008), 'Complex Instruction Set Computing --- Wikipedia, Die freie Enzyklopädie', [Online; Stand 30. Mдrz 2008]. Wikipedia (2008), 'Cool'n'Quiet --- Wikipedia, Die freie Enzyklopдdie', [Online; Stand 21. Marz 2008]. Wikipedia (2008), 'CPU-Leistungsaufnahme --- Wikipedia, Die freie Enzyklopдdie', [Online; Stand 21. Marz 2008] Torsten Hopp 51/53

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53 Literaturverzeichnis (5) Wikipedia (2008), 'VCore --- Wikipedia, Die freie Enzyklopдdie', [Online; Stand 21. Marz 2008]. Wikipedia (2008), 'Verlustleistung --- Wikipedia, Die freie Enzyklopдdie', [Online; Stand 21. Marz 2008]. Windeck, C. (2008), 'Spar-Tricks -- Sparsame Hardware für Desktop-Rechner', c't Magazin für Computer Technik 04/2008, Torsten Hopp 53/53