Thermal Design Power

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Mit Thermal Design Power (Abkürzung: TDP, gelegentlich auch falsch: Thermal Design Point) wird in der Elektronikindustrie ein maximaler Wert für die thermische Verlustleistung eines Prozessors oder anderer elektronischer Bauteile bezeichnet, auf deren Grundlage die Kühlung sowie die Stromzufuhr ausgelegt werden. Die TDP ist meist größer als die reale maximale Verlustleistung. Je nach Typ des Prozessors bzw. Bauteils, Kühlsystems und der Umgebungstemperatur (meist Lufttemperatur im Inneren eines Gehäuses) muss einiger Aufwand betrieben werden, um auch in Ausnahmesituationen (hohe Umgebungstemperatur und hohe Prozessorlast) die entstehende Abwärme abführen zu können. Hierdurch entsteht bei modernen PC-Systemen ein Zielkonflikt aus Rechenleistung, Kosten, Geräuschbelastung und Raumklima. Die TDP wurde eingeführt, um vorab die thermische Dimensionierung eines Systems planen zu können. Zur Ermittlung der TDP werden Lastfälle benutzt, die bei typischer Höchstbeanspruchung im realen Einsatz auftreten, etwa das Kodieren von Videos oder den Betrieb bei maximaler Kernspannung mit maximal zulässiger Kerntemperatur.

Anwendung[Bearbeiten]

Hersteller definieren die TDP auf verschiedene Art und Weise. Häufig entspricht sie der maximal möglichen Verlustleistung, so dass die Kühlung auf die entsprechende Abwärme ausgelegt sein muss. Zu ihrer Berechnung werden von den Herstellern von Mikroprozessoren keine einheitlichen Verfahren zugrunde gelegt, die sich darüber hinaus von Prozessorgeneration zu Prozessorgeneration ändern können. Ein einheitliches, Hersteller und Prozessorgenerationen übergreifendes Verfahren wäre allerdings nur sehr schwer zu realisieren, da unterschiedliche Mikroarchitekturen und verschiedene Prozessorfamilien bzw. Prozessorgenerationen eine andere Verteilung der Last benötigen um voll ausgelastet zu sein. Hinzu kommt noch, dass in modernen Prozessoren immer mehr Uncore Teile (Bereiche die keine Rechenwerke sind) wie zum Beispiel Caches, integrierte Grafikeinheiten, Controller für RAM, PCIe oder HyperTransport Schnittstellen sowie Spannungswandler enthalten sind, die sich mit dem Erzeugen von reiner Prozessorlast nicht ausreizen lassen, jedoch einen Anteil an der Gesamt-TDP im Datenblatt haben. Durch spezielle Verfahren – zum Beispiel einen Burn-In – lässt sich die genannte TDP jedoch sogar noch überschreiten.

Bei Prozessoren ab 2004 geriet die TDP zunehmend in den Fokus der Chipentwicklung. Es gibt die Tendenz zur Optimierung der Abwärmemengen sowohl im Leerlaufbetrieb (Idle) als auch unter Volllast. Beispiele für Stromspar-Technologien sind PowerNow!, Enhanced PowerNow! und Cool’n’Quiet von AMD sowie die Intel-SpeedStep-Technologie. Eine andere Entwicklungsrichtung ist das maximale Ausschöpfen der TDP. Da die Taktfrequenz mit den aktuellen Rechenanforderungen geregelt wird, erreichten Prozessoren früher in der Praxis selten die TDP. Mit neuen Prozessoren welche die automatischen Selbstübertaktungsfunktionen AMD Turbo Core beziehungsweise Intel Turbo Boost unterstützen, können sich einzelne Kerne heruntertakten und teilweise abschalten, sodass deren Anteil an der TDP einem anderen Kern zur Verfügung steht und dieser dadurch eine höhere Taktfrequenz erreichen kann. Wenn die interne Regelung des Prozessors beim aktuellen Stromverbrauch und thermischen Budget noch Reserven feststellt, kann der Prozessor auch alle Kerne dynamisch übertakten und so näher an die TDP heranrücken. Diese mögliche Übertaktung aller Kerne wird in Datenblättern teilweise extra als maximale Turbo Frequenz angegeben.

Während früher unterschiedliche Prozessoren unterschiedliche TDP Werte erhielten, gibt es heute vermehrt TDP-Klassen in die Prozessoren einsortiert werden. Für Desktop Prozessoren wären typische Klassen: 25, 35, 45, 65, 73, 80, 95, 125 und 130 Watt. Für Mobilprozessoren in Notebooks wären diese Klassen 17, 25, 35 und 45 Watt.[1][2]

Durch die vermehrte Beachtung der TDP wird diese jedoch verstärkt auch ein Marketinginstrument der Hersteller. So gibt z. B. Nvidia für die Grafikkarte Geforce 8800 Ultra eine geringere TDP an als für eine Geforce 8800 GTX, obwohl auf der 8800 Ultra der gleiche Grafikprozessor mit einer höheren Spannung und höheren Taktraten eingesetzt wird und – bei einer Überprüfung der Leistungsaufnahme – erwartungsgemäß einen höheren Wert erbrachte. Die niedrigere Angabe als bei der 8800 GTX war möglich, weil man dieser einen unnötig hohen TDP-Wert gegeben hatte.

Aussagekraft der TDP[Bearbeiten]

Obwohl die TDP ein wichtiger Fakt des Prozessors ist, gibt sie lediglich die maximal zu erwartende abzuführende Wärme an und eignet sich daher nicht dafür, den typischen Stromverbrauch eines Prozessors oder gar eines ganzen Systems im Leerlauf oder unter einer bestimmten Last zu bestimmen. So liegen auch Benchmark-Programme, die den Prozessor voll auslasten sollen (z.B. Cinebench, Core2MaxPerf, CPU Burn-in, IntelBurnTest oder Prime95) teilweise unter der angegebenen TDP. Ein Grund dafür kann sein, dass bestimmte Rechenwerke nicht gleichzeitig oder nur mit bestimmten Befehlskombinationen oder Befehlssätzen (z.B. AVX) voll ausgelastet werden. Zudem kann je nach Anwendung die Auslastung des Prozessors von der Datenübertragungsrate begrenzt werden, wenn nämlich eine große Datenmenge zu verarbeiten ist. So könnte ein Vierkernprozessor bei 3 GHz theoretisch 48 Milliarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde ausführen, wofür er pro Sekunde aber mehrere hundert Gigabyte an Daten benötigt. Diese Übertragungsgeschwindigkeit können nur die relativ kleinen Caches des Prozessors selbst bereitstellen. Selbst mit hoch optimierten Programmbibliotheken (z.B. Linpack) werden durchschnittlich nur 80 Prozent des theoretischen Maximums genutzt. Prozessoren mit kleineren oder fehlenden Caches bleiben - zum Teil deutlich - darunter.

Über die Effizienz eines Prozessors sagt die TDP (selbst in Kombination mit der Taktfrequenz) ebenfalls wenig aus. So benötigt zum Beispiel ein Intel i7-980X mit 6 Kernen, 3,33 GHz und einer TDP von 130 Watt, unter Vollast zwar 19 mal mehr Strom als ein Intel Atom N450 mit einem Kern, 1,67 GHz und einer TDP von 5,5 Watt, jedoch hat der i7-980X im Cinebench R10 Test eine 30-mal höhere Endpunktzahl.[1][2]

Es ist auch möglich, dass der gleiche Prozessor in einer ersten, im Handel erhältlichen Revision, eine TDP von 140 Watt hat und mit einem neuen Stepping eine TDP von 125 Watt hat, obwohl sich die sonstigen Daten nicht geändert haben.[3]

Trotz der geringen Aussagekraft über den typischen Stromverbrauch wird in den Datenblättern der Hersteller kaum mehr als die TDP angegeben. Dies liegt unter anderem daran, dass es noch schwerer fällt eine typische als eine maximale Abwärme festzulegen, da diese sehr auf den einzelnen Anwendungsfall (z.B. auf verwendete Software und im System verbauten Komponenten) ankommt und kaum Pauschalierungen zulässt. Lösungswege der Hersteller sind die Average CPU Power (ACP) von AMD sowie die Scenario Design Power (SDP) von Intel, die den Stromverbrauch bzw. die Abwärmeleistung bei typischer Verwendung genauer beschreiben sollen.

Wenn man die TDP zum Vergleich der Leistung oder Einstufung des Stromverbrauches eines Prozessors verwenden will, kann man dies nur mit Prozessoren vom gleichen Hersteller, aus der gleichen Prozessorfamilie und Prozessorgeneration sowie eventuell mit dem gleichen Stepping sinnvoll durchführen.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c’t – magazin für computertechnik - Ausgabe 15 aus 2010 S. 174 "Hitzewelle" von Christof Windeck
  2. a b c’t – magazin für computertechnik - Ausgabe 10 aus 2012 S. 94 "Auf allen vieren" von Florian Müssig
  3. Vergleich von AMD Phenom™ II X4 965 (HDZ965FBK4DGI) und AMD Phenom™ II X4 965 (HDZ965FBK4DGM)