Braucht ein Prozessor mehr Strom,wenn er arbeitet?

Technik Elektronik & Elektrotechnik
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Hallo wissende!

Wir haben heute diskutiert, ob ein Prozessor mehr Leistung verbraucht, wenn er arbeitet, also wenn ich ihn einen komplexen Algorithmus ausrechnen lasse, oder ob einfach nur so läuft. Ich behaupte, daß ein Transistor im Sperrzustand genausoviel Energie verbraucht wie wenn er durchschaltet, kann mich aber auch täuschen. Mein Kollege meint, ein sperrender Tarnsitor verbraucht deutlich weniger Energie.
Es geht uns nicht um Nuancen, es geht um eine deutlich merkbare Leistungsänderung.
Da es mir aber zu aufwändig wäre ein Ampere- oder Wattmeter einzubauen, frage ich Euch lieber.

Danke im voraus!

Gollum

2

Ich behaupte, daß ein Transistor im Sperrzustand
genausoviel Energie verbraucht wie wenn er durchschaltet…

Hallo!

Durch einen gesperrten Transistor fließt (fast) kein Strom, während der Strom durch den leitenden Transistor vom Bahnwiderstand des Halbleiters und äußerer Beschaltung begrenzt ist. Die Verlustleistung des leitenden Transistors kann zwar klein sein, die Stromaufnahme der gesamten Schaltung ist bei leitendem Transistor selbstverständlich höher als bei gesperrtem Tr.

Deshalb wird ein Prozessor i. a. während der Bearbeitung irgendwelcher Befehle deutlich höher liegen, als gegenüber dem Ruhezustand, während nur der Taktgeber arbeitet und Eingänge abgefragt werden.

Wie immer ist die äußere Beschaltung mitentscheidend. Es ist durchaus denkbar, daß im Ruhezustand Ausgänge stromführend sind. Läßt man die Ausgänge als Stromquelle oder-Senke außer Betracht, erhält man klare Verhältnisse. Die Stromaufnahme des Prozessors wird während der Abarbeitung von Befehlen spürbar höher sein als im Ruhezustand.

Gruß
Wolfgang

3

Hallo,

Wir haben heute diskutiert, ob ein Prozessor mehr Leistung
verbraucht, wenn er arbeitet, also wenn ich ihn einen
komplexen Algorithmus ausrechnen lasse, oder ob einfach nur so
läuft.

Kommt auf den Prozessor an. Ein alter 8-Bit-Prozessor ohne Co-Prozessor hat meist einen konstanten Energieverbrauch, ein aktueller Prozessor absolut nicht, ein aktueller Laptop-Prozessor GANZ UND GAR ÜBERHAUPT NICHT. Bei den Laptop-prozessoren werden je nach Anwendung (rechenintensiv oder Bildschirmschoner in schwarz) alle grad nicht benötigten Prozessorteile abgeschaltet.

Generell wird dei meiste Leistung übrigens nicht im statischen Zustand der Transistoren verbraten, sondern beim Schalten. In den Prozessoren sind die Transistoren nämlich meist nicht als analoge Verstärker sondern als Schalter eingesetzt - ganz auf oder ganz zu. Und dann braucht man bei den Schaltflanken die meiste Energie, da sich hier kurze Zeit ein Zwischenzustand einstellt (weder auf noch zu). Zusätzlich hat man Verluste durch das Umladen der Transistor-internen parasitären Kondensatoren. Bei einem einzelnen Transistor spielt das normalerweise keine Rolle, aber bei den Millionen im Prozessor…

Aus diesen vom Schalten abhängigen Verlusten erklärt sich auch, warum ein Prozessor je nach Taktfrequenz mehr oder weniger Energie verbraucht und warum man einen Prozessor beim Übertakten eine bessere Kühlung verpassen muß. Und es erklärt auch, warum manche Laptops bei Akkubetrieb eine geringere Rechenleistung haben als im Netzbetrieb (Taktfrequenz runterschalten heißt Akkulaufzeit verlängern).

Ich behaupte, daß ein Transistor im Sperrzustand
genausoviel Energie verbraucht wie wenn er durchschaltet, kann
mich aber auch täuschen. Mein Kollege meint, ein sperrender
Tarnsitor verbraucht deutlich weniger Energie.

Ein gesperrter Transistor verbraucht nur Energie durch Kriechstrom. Sind je nach Typ nahe Null. Ein durchgeschalteter Transistor verbraucht Energie in Form des Durchgangswiderstandes der Collektor-Emitter-Strecke (ca. 2-3 Volt Spannungsabfall mal geschalteter Strom) plus Energie, die in der Basis verbraten wird (ca. 0,6 Volt mal Basis-Emitter-Strom). Also DEUTLICH mehr als im gesperrten Zustand.
Energiesparender kann ein FET-Transistor verwendet werden. Der Durchflußwiderstand ist hier viel geringer. Dafür besteht hier das Problem einer höheren parasitären Kapazität am Gate, was die Schaltgeschwindigkeit negativ beeinflußt (diese Kapazität muß erst ‚leergeräumt‘ werden, bevor der FET wieder sperren kann). Also auch nicht die optimale Lösung für den energiesparenden 3GHz-Mobilprozessor…

Axel

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egal
Hallo,

Ich behaupte, daß ein Transistor im Sperrzustand
genausoviel Energie verbraucht wie wenn er durchschaltet, kann
mich aber auch täuschen. Mein Kollege meint, ein sperrender
Tarnsitor verbraucht deutlich weniger Energie.

Da jede „arbeitende Stufe“ eines Prozessors aus einer identischen Anzahl sperrender und leitender Transistoren besteht (Ausnahmen vernachlässigt, z. B. open-drain-port), wäre selbst ein unterschiedlicher Energiebedarf leitender und sperrender Transistoren egal, weil im nächsten Arbeitstakt die leitenden Transistoren sperren und die sperrenden Transistoren leiten werden. Die Anzahl wäre also wieder identisch, mit dem Unterschied, dass jetzt eben andere Transistoren mehr Energie benötigen würden als vorher und umgekehrt.

In der Tat ist es aber so, dass die leitenden Transistoren nur den „parasitären“ Leckstrom des sperrenden Transistors plus dem „parasitären“ Eingangsstrom angeschlossener Eingangsstufen (Prozessoren werden in CMOS produziert, Abweichungen vernachlässigt, weil nicht repräsentativ) liefern müssen, was also auch wieder gleich ist, nicht?
Bleiben noch sonstige „parasitären“ Ströme z. B. direkt ins Substrat: das weiss ich nicht, ob es da einen Unterschied gibt. Vermutlich schon, da geht es allerdings um nA, pA etc.

Das was im allgemeinen als Stromaufnahme angegeben ist, wird durch das Schalten verursacht, denn während dieses Übergangs leiten beide Transistoren für sehr kurze Zeit.

Wenn Deine Software also im Prozessor „häufigeres Schalten“ bzw. „Schalten von mehr arbeitenden Stufen“ verursacht, wird die Stromaufnahme zunehmen.

Es gibt sogar Studien und Empfehlungen zur Softwareentwicklung um die EMV positiv zu beeinflussen. Für Microcontroller jedenfalls.

Z.

5

Hallo Gollum,

Wir haben heute diskutiert, ob ein Prozessor mehr Leistung
verbraucht, wenn er arbeitet, also wenn ich ihn einen
komplexen Algorithmus ausrechnen lasse, oder ob einfach nur so
läuft. Ich behaupte, daß ein Transistor im Sperrzustand
genausoviel Energie verbraucht wie wenn er durchschaltet, kann
mich aber auch täuschen. Mein Kollege meint, ein sperrender
Tarnsitor verbraucht deutlich weniger Energie.
Es geht uns nicht um Nuancen, es geht um eine deutlich
merkbare Leistungsänderung.
Da es mir aber zu aufwändig wäre ein Ampere- oder Wattmeter
einzubauen, frage ich Euch lieber.

Also meine beiden AMD 1800+ XP werden etwa 2K wärmer wenn Seti@Home rechnet (liegt wohl an der FPU, welche sonst nicht viel zu tun hat).

Wie schon in den anderen Postings beschrieben wurde, wird die meiste Leistung beim Umschalten der Transistoren „verbraten“.
Daraus ergibt sich, dass auch die Daten selbst zur verbrauchten Leistung beitragen.

Bei angenommer paralleler und nach Wertigkeit geordneter Anordnung der eines 8-Bit Datenbusses verbraucht der Übergang von 55h zu AAh, oder umgekehrt, an meisten Energie, zwei gleiche Werte (egal welche) hintereinander am wenigsten.
Erklärung:
Jede Leitung beitzt eine Kapazität gegen Masse und je eine zur Nachbarleitung.
Bei jeder Pegeländerung einer Leitung muss der entsprechende Kondensator gegen Masse umgeladen werden.
Macht die Nachbarleitung den gleichen Pegelwechsel so muss der dazwischenliegende Kondensator nicht umgeladen werden.
Behält hingegen die Nachbarleitung ihren Zustand bei, so muss dieser Kondensator auf die Differenz-Spannung zwischen den Logik-Pegeln geladen werden.
Wechselt die Nachbarleitung aber auf den engegengesetzten Pegel unserer Leitung so muss dieser Kondensator um die doppelte Spannung umgeladen werden.

MfG Peter(TOO)

6

Hi Axel,
ich möchte nicht als besserwisserisch gelten, aber was Du da schreibst, kann so nicht stehen bleiben.

Generell wird dei meiste Leistung übrigens nicht im statischen
Zustand der Transistoren verbraten, sondern beim Schalten. In
den Prozessoren sind die Transistoren nämlich meist nicht als
analoge Verstärker sondern als Schalter eingesetzt - ganz auf
oder ganz zu.

Das stimmt, aber gleich widersprichst Du Dir selbst.

Und dann braucht man bei den Schaltflanken die
meiste Energie, da sich hier kurze Zeit ein Zwischenzustand
einstellt (weder auf noch zu).

Das stimmt so nicht. Das hat „egal“ weiter oben sehr gut erklärt:

Das was im allgemeinen als Stromaufnahme angegeben ist, wird durch das Schalten verursacht, denn während dieses Übergangs leiten beide Transistoren für sehr kurze Zeit (gleichzeitig)

Also Kurzschlüsse im Nanosekundenbereich, aber Kurzschluss ist Kurzschluss.

Zusätzlich hat man Verluste
durch das Umladen der Transistor-internen parasitären
Kondensatoren. Bei einem einzelnen Transistor spielt das
normalerweise keine Rolle, aber bei den Millionen im
Prozessor…

Kann man gelten lassen.

Aus diesen vom Schalten abhängigen Verlusten erklärt sich
auch, warum ein Prozessor je nach Taktfrequenz mehr oder
weniger Energie verbraucht und warum man einen Prozessor beim
Übertakten eine bessere Kühlung verpassen muß. Und es erklärt
auch, warum manche Laptops bei Akkubetrieb eine geringere
Rechenleistung haben als im Netzbetrieb (Taktfrequenz
runterschalten heißt Akkulaufzeit verlängern).

OK.

Ein gesperrter Transistor verbraucht nur Energie durch
Kriechstrom. Sind je nach Typ nahe Null. Ein durchgeschalteter
Transistor verbraucht Energie in Form des
Durchgangswiderstandes der Collektor-Emitter-Strecke (ca. 2-3
Volt Spannungsabfall mal geschalteter Strom) plus Energie, die
in der Basis verbraten wird (ca. 0,6 Volt mal
Basis-Emitter-Strom). Also DEUTLICH mehr als im gesperrten
Zustand.

Du sprichst hier von „normalen“ Transistoren. Aber selbst da stimmen die Daten nicht. An Kollektor-Emmiter fallen standardmäßig 0,7 V ab, da aber geschaltet wird, (war Deine Aussage weiter oben) sind die Transistoren in Sättigung, bleiben also nur noch 0,2 V.

Energiesparender kann ein FET-Transistor verwendet werden. Der
Durchflußwiderstand ist hier viel geringer. Dafür besteht hier
das Problem einer höheren parasitären Kapazität am Gate, was
die Schaltgeschwindigkeit negativ beeinflußt (diese Kapazität
muß erst ‚leergeräumt‘ werden, bevor der FET wieder sperren
kann). Also auch nicht die optimale Lösung für den
energiesparenden 3GHz-Mobilprozessor…

Du hast jetzt eben sämtliche Prozessoren neu erfunden, denn die basieren alle auf FET.

Noch mal kurz eine Rechnung zu Deinen Angaben:
3 V (Kollektor-Emitter) * 1 mA (Kollektorstrom, von mir geschätzt) = 3 mW.
Das Ganze mal 1 Million = 3 kW.
Sind zwei Platten von Deinem E-Herd. Bisschen heftig, oder?

cu

Kalle

7

Hallo,

Hi Axel,
ich möchte nicht als besserwisserisch gelten, aber was Du da
schreibst, kann so nicht stehen bleiben.

Generell wird dei meiste Leistung übrigens nicht im statischen
Zustand der Transistoren verbraten, sondern beim Schalten. In
den Prozessoren sind die Transistoren nämlich meist nicht als
analoge Verstärker sondern als Schalter eingesetzt - ganz auf
oder ganz zu.

Das stimmt, aber gleich widersprichst Du Dir selbst.

Und dann braucht man bei den Schaltflanken die
meiste Energie, da sich hier kurze Zeit ein Zwischenzustand
einstellt (weder auf noch zu).

Das stimmt so nicht. Das hat „egal“ weiter oben sehr gut
erklärt:

Das was im allgemeinen als Stromaufnahme angegeben ist, wird
durch das Schalten verursacht, denn während dieses Übergangs
leiten beide Transistoren für sehr kurze Zeit (gleichzeitig)

Also Kurzschlüsse im Nanosekundenbereich, aber Kurzschluss ist
Kurzschluss.

Kurzschluß ist NICHT gleich Kurzschluß. Je nachdem, wie schnell die von ‚egal‘ gemeinten Transistoren des Pärchens sind, ist der Übergangsbereich (mit höherem Widerstand als in der Sättigung; der eine T. ist noch nicht zu, der andere noch nicht offen) größer oder kleiner und der Kurzschlußstrom ebenfalls größer oder kleiner. Dies ist die eine Art der Leistungsverluste. Die Zweite entsteht am einzelnen Transistor: es gibt keine unendlich steilen Flanken, ergo ist ein schaltender Transistor im Übergangsbereich ein (sich schnell ändernder) Widerstand, der natürlich entsprechend Leistung in Wärme umsetzt.
Vielleicht hab ich mich hier nicht klar ausgedrückt, aber es handelt sich um 2 verschiedene Phänomene des Leistungsverlustes, die aber beide die gleiche Ursache haben (endlich steile Schaltflanken).

Du sprichst hier von „normalen“ Transistoren. Aber selbst da
stimmen die Daten nicht. An Kollektor-Emmiter fallen
standardmäßig 0,7 V ab, da aber geschaltet wird, (war Deine
Aussage weiter oben) sind die Transistoren in Sättigung,
bleiben also nur noch 0,2 V.

Kommt stark auf den Transistor an. Bei den alten, bipolaren Transistoren ist der Spannungsabfall auch in Sättigung wesentlich höher als bei den heute verwendeten CMOS-FETs. Es kam mir nur auf die Größenordnung an. Aktuelle Prozessoren kommen mit wesentlich geringeren Spannungen / Schaltschwellen aus. Dafür haben sie wiederum größere Verluste durch Leckströme, also Ströme im gesperrten Zustand. Siehe ct’ 10/2003.

Du hast jetzt eben sämtliche Prozessoren neu erfunden, denn
die basieren alle auf FET.

Ich kenne noch die ganz alten - da gab’s teilweise noch Prozessrechner, bei denen der Prozessor je nach Anforderungen mit unterschiedlichen Mikrocodes (interne Steuerprogramme) geladen wurde. Nannten sich Prozessrechner, der ‚Prozessor‘ war eine eigene Platine von der doppelten Größe eines heutigen Motherboards, ein richitges TTL-Massengrab mit 15(!)Bit Adrsssbus (-> 32 KByte Adressbereich) und 1MHz Takt.

Noch mal kurz eine Rechnung zu Deinen Angaben:
3 V (Kollektor-Emitter) * 1 mA (Kollektorstrom, von mir
geschätzt) = 3 mW.

Da fließen natürlich keine mA. Würden die internen Leitungen wohl kaum mitmachen. Außer vielleicht die im Versorgungslayer. War doch nur ein Beispiel (s.o.).

Aus der Fragestellung habe ich geschlossen, daß der Fragesteller kein hochspezialisierter Elektroniker ist und versucht, das Ganze etwas anschaulicher darzustellen. Sorry, daß da die Feinheiten nicht so rübergekommen sind. Dir hätt ich’s anders erklärt :wink:

Axel