Power-Management

Power-Management
Dr.-Ing. Volkmar Sieh
Institut für Informatik 3: Rechnerarchitektur
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
SS 2011
Power-Management– 1/14– 2011-05-05
Power-Management
Heute großes Problem: CPUs brauchen viel Leistung.
=> Kosten (Strom)
=> Kosten (Kühlung)
=> Platzprobleme (Kühlkörper, Ventilatoren)
=> geringe Laufzeiten (Akkus)
=> ...
Power-Management– 2/14– 2011-05-05
Power-Management
Leistungsaufnahme (Strom) = Leistungsabgabe (Wärme)!
Leistungsaufnahme wird immer größer,
CPU-Chipfläche immer kleiner
=> Kühlung wird immer problematischer
Heat-Pipes
Wasser-/Öl-Kühlung
...
Power-Management– 3/14– 2011-05-05
Power-Management
Leistungsaufnahme:
Leistungsaufnahme abhängig von
Spannung
Frequenz
Power-Management– 4/14– 2011-05-05
Power-Management
Leistungsaufnahme abhängig von Spannung:
Ohmsches Gesetz: I =
U
R.
mit P = UI folgt
P=
U2
R
=> Leistungsaufnahme steigt quadratisch mit Spannung
Power-Management– 5/14– 2011-05-05
Power-Management
Spannung:
„Leistungsaufnahme steigt quadratisch mit Spannung”
Also: Spannung senken; aber:
externe elektromagnetische Felder induzieren (kleine)
Spannungen in Leiterbahnen
je nach Technologie brauchen Transistoren gewisse Spannung,
um überhaupt zu schalten
(Silizium: ≈ 0.7V , Gallium: ≈ 0.2V )
in dynamische Speicher sinkt Spannung langsam bis zum
nächsten Refresh
(niedrigere Ausgangsspannung => höhere Refresh-Frequenz)
...
Power-Management– 6/14– 2011-05-05
Power-Management
Spannung:
„Leistungsaufnahme steigt quadratisch mit Spannung”
Spannung soweit senken, wie’s geht
mit
verschiedene Spannungsbereiche einführen
interne ALU mit niedrigerer Spannung
dynamischer Speicher mit höherer Spannung
externe Interfaces mit höherer Spannung
...
Power-Management– 7/14– 2011-05-05
Power-Management
Spannung:
Wird ein Teil des Rechners nicht benötigt, kann man die Spannung
an diesem Teil u.U. ganz abschalten.
Probleme:
Die Spannung läßt sich nicht so schnell wieder anschalten.
Der Schaltungsteil muss resetet werden (=> Zustand
verloren).
Power-Management– 8/14– 2011-05-05
Power-Management
Spannung:
Es gilt: P = UI
Braucht man eine bestimmte Leistung, nützt es nichts, die
Spannung zu senken.
Sonst steigt I (=> dickere Leitungen notwendig).
Beispiel: 12V-Versorgung der Festplatten im PC.
Power-Management– 9/14– 2011-05-05
Power-Management
Leistungsaufnahme abhängig von Frequenz:
Pro Umschaltvorgang muss Strom I den Kondensator C
einmal aufladen
einmal entladen
=> Leistungsaufnahme proportional zur Frequenz
Power-Management– 10/14– 2011-05-05
Power-Management
Frequenz:
„Leistungsaufnahme proportional zur Frequenz”
Also: Frequenz senken; aber:
niedrigere Frequenz => weniger Befehle pro Sekunde werden
ausgeführt
Power-Management– 11/14– 2011-05-05
Power-Management
Frequenz:
Frequenz verringern und Architektur verbessern; Beispiele:
statt schnell hintereinander zwei Befehle auszuführen, kann
man u.U. auch langsam zwei Befehle parallel ausführen
werden Teile der CPU nicht verwendet (z.B.
Fließkomma-Einheit), kann man den Takt für diese abschalten
wird die CPU zur Zeit kaum verwendet, kann man ihren Takt
zeitweilig abschalten/verringern
ist die CPU zur Zeit voll ausgelastet, kann sie u.U.
(kurzzeitig!) übertaktet werden
...
Power-Management– 12/14– 2011-05-05
Power-Management
Frequenz:
Schön wäre es, könnte man den Takt so regeln, dass die Load der
CPU bei 1 läge.
Aber:
Taktgeneratoren i.A. leider nicht so einfach regelbar
externe Busse brauchen bestimmtes zeitliches Zugriffsmuster
Umschaltung braucht Zeit
...
=> häufig nur Takt-Abschaltung oder Takt-Halbierung
Power-Management– 13/14– 2011-05-05
Power-Management
Frage: Wie kann man folgende Schaltung verbessern, wenn man
manchmal weiß, dass die ALU in der nächsten Zeit nicht gebraucht
wird?
Auf den Bussen ist „Betrieb”. Der Output der ALU wird aber nicht
gebraucht.
Power-Management– 14/14– 2011-05-05