30 Mrz 2015

Surface Pro 3: Leistung, Energiebedarf und Undervolting

Habt ihr euch auch schon mal gefragt, wo denn in Bezug auf Leistung und Energiebedarf bei den verschiedenen Ausführungen des Surface Pro 3 die Unterschiede sind?

Falls ihr beide Fragen mit „na klar“ beantwortet habt, dann solltet ihr unbedingt weiterlesen!

Beim nachfolgenden Artikel handelt es sich um den ersten Artikel in unserem Blog, der nicht von Ralf oder mir sondern von einem Gast-Blogger stammt.

Er wurde von Stefan Trampert verfasst, mit dem ich seit unserem Artikel über “Undervolting” in Kontakt stehe, und von mir lediglich noch einem Review unterzogen wurde. Wenn ihr also Fragen oder Anmerkungen zu diesem Artikel habt, so werden diese von Stefan beantwortet werden, Ralf und ich kümmern sich ausschließlich um die Moderation.

Aber nun genug der Vorrede, schließlich habe ich euch ja Antworten versprochen.

Einleitung

Die Meinungen unterschieden sich im Netz, ob nun das Surface Pro 3 mit i3, i5 oder i7 die längeren Akkulaufzeiten besitzt. Teilweise wird vermutet, dass die i3-Version eine Verlängerung der Akkulaufzeit mit sich bringt (s. Test von notebookcheck)  und es wurde auch gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen alle Versionen etwa gleich lange laufen.

Dieser Artikel wird versuchen die CPU Effizienz der i3 und i5 Version etwas genauer zu betrachten und vielleicht dadurch eine Antwort auf die Frage zu finden. Des Weiteren wird auch das Kapitel „Undervolting“, also das Herabsetzten der CPU Spannung, am Schluss beleuchtet.

Der Artikel ist eher für technisch versierte Leser geschrieben, zu jedem Abschnitt gibt es aber eine einfachere, verständliche Zusammenfassung.

Technische Grundlagen

Die CPU Verlustleistung setzt sich vereinfacht betrachtet aus zwei Komponenten zusammen:

  1. Leckströme: das sind Ströme die “ungewollt” von einer Bahn der CPU zur anderen Bahn fließen. Meines Wissens lassen sich keine einfachen Rückschlüsse zwischen CPU Takt, CPU Spannung und Verlusten ziehen. Die Leckströme sind von der Fertigungstechnologie abhängig und vom Nutzer nicht beeinflussbar.
  2. Schaltverluste: Alle Feldeffekttransistoren einer CPU besitzen eine Kapazität, die beim Umschalten zwischen zwei Zuständen umgeladen werden muss. Beim Umladen der Kapazität des Einzeltransistors treten an den Zuleitungen Verluste auf. Ein anschaulicher Vergleich wäre hier der Versuch zwei Gefäße umzufüllen, bei dem der verfügbare Schlauch Löcher hat: bei jedem Umfüllen müsste man etwas Wasser nachkippen, um die auftretenden Verluste zu kompensieren.

Um grundsätzlich den Zusammenhang zwischen Takt, Spannung und Verbrauch zu betrachten wurden zwei Tests durchgeführt:

Spannung vs. Verbrauch

In diesem Versuch wurde der Takt konstant bei 800 MHz gehalten und die Spannung variiert. Dabei wurde die CPU während des Testes zu 100% mit Cinebench ausgelastet. Die rote „Core“ Linie beschreibt dabei den Verbrauch der reinen CPU, also der Recheneinheit. Die blaue „Package“ Linie umfasst hingegen die Komponenten CPU, Grafikeinheit und auch den verbauten Chipsatz.

Stefan_1

Der Verbrauch steigt linear mit der Spannung an, ein quadratischer Zusammenhang ließe sich hier nur schwer hineininterpretieren.

Bei höheren Frequenzen konnte dieser Zusammenhang nicht getestet werden, weil dann die maximal zulässige Spannung für den i3 überschritten werden würde.

Wird die CPU nicht belastet liegt der Verbrauch des Kernes bei nahezu 0W. Ein Einfluss der Spannung ist damit nicht feststellbar.

Takt vs. Verbrauch

In diesem Versuch wurde die Spannung konstant auf ca. 0,74 V gehalten und der Takt verändert, dabei Entspricht 0.74 V der Spannung die die CPU normalerweise beim höchsten Takt von 1,5 GHz wählt:

Stefan_2

Ohne Zweifel, der Zusammenhang zwischen Takt und Verbrauch verhält sich ebenso annährend linear. Dabei liegt der Verbrauch des gesamten Packages etwa 2,5 W höher, als der Verbrauch der CPU (Core) an sich. Dies lässt darauf schließen, dass Speichercontroller, Grafikkarte und der restliche Chipsatz unter voller CPU-Last etwa 2,5W verbrauchen und zwar unabhängig von der CPU Frequenz! Ebenso liegt der Verbrauch des Packages bei allen Spannungen konstanten bei etwa 2,5 W. Anmerkung: beim letzten Aussetzer könnte evtl. ein festplattenbelastender Hintergrundprozess angesprungen sein, daher wird dieser nicht weiter beachtet!

Nun ist es so, dass der Core i3 und Core i5 ihre Spannungen passend zur Frequenz anpassen müssen, um noch stabil zu arbeiten. Die Spannung hängt individuell von der CPU ab. Die Messungen könnten also bei anderen i5 und i3 CPUs etwas anders aussehen.

Stefan_3

Anders als bei den normalen Notebook i3- und i5-Prozessoren die Spannung schon sehr niedrig. Die verwendete CPU-Spannung hängt allerdings auch noch von anderen Faktoren, z.B. der Betriebstemperatur, ab. Jeder gemessene Punkt kann sich also leicht zu höheren und niedrigeren Spannungen verschieben um wenige mV verschieben. Auffallend ist dass, die Kurven für den i3 und i5 leicht verschieden aussehen:

  • beim i3 werden pro 100 MHz etwa 10mV addiert. Bei 0 MHz benötigt der i3 etwa 0,51 V (theoretisch).
  •  jedoch fällt die Spannung bei 0 MHz mit 0.58 V etwas höher aus. Bei einer Taktrate von 1,9 GHz setzt beim i5 der Turbo ein, hier steigt die Spannung nochmals steiler an, wohingegen sie knapp unterhalb des Turbo Taktes fast konstant bleibt. Turbofrequenzen zwischen 1.9 und 2.5 GHz konnten leider nicht gezielt angesteuert werden.

Zwischenfazit

Wenn die Spannung also proportional zum Takt ist, der Verbrauch jeweils proportional zum Takt und zur Spannung, dann ist der Verbrauch in der Tendenz quadratisch zum Takt des Kerns.

Praxisnahe Verbrauchsmessungen

Wenn bei den i3- und i5-CPUs die Spannung nicht wie bei „Takt vs. Verbrauch“ konstant bleibt sondern die automatische Regelung greift, stellt sich ein Verbrauch des Prozessorkernes wie folgt ein (das Package liegt nochmals um 2,5W darüber und ist nicht dargestellt):

Stefan_4

Eine annährend quadratische Abhängigkeit zwischen Takt und Verbrauch zeigt sich beim i3 nur, wenn man stark in die Grafik hineinzoomt, durch eine kleine Delle. Beim i5 wird dieser Zusammenhang etwas deutlicher, denn hier steigt gerade bei hohen Turbofrequenzen der Verbrauch stärker als linear an. Suchen wir uns ein paar Punkte zur Veranschaulichung heraus:

  • i3@800MHz      -> 1,7W
  • i3@1500MHz    -> 4,5W

Der Takt hat sich um den Faktor 1.8 vergrößert, der Verbrauch um den Faktor 2,6!

Beim i5 wird es noch dramatischer:

  • i5@800MHz      ->1,94W
  • i5@2600MHz    ->12.07W

Der Takt hat sich um den Faktor 3,25 vergrößert, der Verbrauch hingegen um den Faktor 6,22!

Nun stellt sich natürlich die Frage, wie es sich mit der Leistungsfähigkeit bei den verschiedenen Taktraten verhält. Allgemein gesprochen verhält sich diese leider nicht proportional zum Takt, da andere involvierte Komponenten wie z.B. der Arbeitsspeicher Berechnungen ausbremsen können.

Stefan_5

Zumindest hier zeigt sich, dass Cinebench nur von der CPU limitiert ist, so steigen die Punkte etwa linear mit dem Takt an. Gerade bei niedrigen Taktraten spielen die Hintergrundprozesse eine Rolle beim Benchmark. So variiereten die Punkte bei gleicher CPU Leistung um bis zu 10%.

Auffällig war, dass der I5 Prozessor sich am Testende durch die angestiegene Betriebstemperatur kurz vor Schluss des Testes heruntergetaktet hat. Der Test lief daher nicht durchgehend mit 2,5GHz bzw. 2,6GHz ab.

Interessant wird es, wenn man einen Quotienten aus Verbrauch und Punktezahl formt.

Stefan_6

Betrachtet man nur den CPU Verbrauch im Kern, so wird schnell klar, dass die Effizienz bei geringstem Takt beim i5 am besten ist (ebenso beim i3). Rechnet man jedoch zusätzlich 5 W dazu (2.5 W Chipsatz +2,5 W Display) sieht es mit der Effizienz ganz anders aus. Hier wird die beste Effizienz zwischen 1,5 GHz und 2 GHz erreicht!

Die Effizienz bei hohen Turbo Takten ist vermutlich nochmals schlechter, da der Lüfter 0.5-1W zusätzlichen Verbrauch verursacht. Dieser springt mit beim i5 wesentlich früher als beim i3 an. Beim i3 blieb er während des ca. 4 minütigen Tests durchgehend aus.

Betreibt man das Display beim Warten auf ein Ergebnis vor dem Surface mit voller Helligkeit, wird sich das Maximum noch etwas weiter nach rechts verschieben da die Zusatzkomponenten mehr als 5W verbrauchen werden. Lässt man das Surface ohne WLAN und Display vor sich hin rechnen verschiebt sich die Kurve weiter nach links.

Zwischenfazit

Bei Auslastung aller Kerne führt der Turbo Takt zu einer Verschlechterung der Akkulaufzeit. Ein deaktivieren des Turbos erscheint aus Stromspargründen ratsam. Der i3 erreicht also bei maximaler Taktrate auch die maximale Effizienz, denn hier ist bei 1,5GHz Schluss.

Allerdings wird auf der Autobahn durch Ungeduld und “Zeit ist Geld Manier“ auch nicht immer bei der Geschwindigkeit des optimalem Verbrauches gefahren. Wie viel Geduld vorhanden ist, um Energie einzusparen und eine längere Akkulaufzeit zu erreichen und gleichzeitig mehr Arbeit verrichten zu können bleibt jedem selbst überlassen. Ebenso ob der Lüfter als Störend empfunden wird oder nicht.

Tests mit der Belastung nur eines Kernes wurden nicht durchgeführt. Es ist jedoch vorstellbar, dass der Turbo Takt hier eher zu einer höheren Effizienz führt, da der eine CPU-Kern einen geringeren Teil am Gesamtverbrauch einnimmt als es bei der Belastung beider Kerne der Fall ist

Potential des “Undervoltings“

Nun bleibt noch die Frage offen, wie viel Potential im Undervolting steckt?

Da jede CPU individuell ist, können keine allgemeinen Aussagen getroffen werden, wie weit die CPU Spannung abgesenkt werden kann um noch stabil arbeiten zu können. Beim i3 war bei etwa -65mV Schluss, beim i5 waren hingegen etwa -75mV möglich.

Wird die Spannung als beim i3 beim Maximaltakt 50mV gesenkt, also um 6,77%, so sinkt der Verbrauch um etwa 12%. Bei niedrigeren Taktfrequenzen fällt die Ersparnis geringer aus.

Beim i5 zeigt sich ein ähnliches Bild. Hier ist eine Spannungsabsenkung um 50mV etwa 5% der Maximalspannung und es stellt sich eine Ersparnis von etwa 16,5% ein. Beim Herabsenken um 75mV sind es sogar 20% Ersparnis im Kern. Damit tritt kein „Throtteln“ mehr im Cinebench Test auf und die CPU läuft durchgehend bei hohem Takt. Im Durchlauf brachte das immerhin 5% mehr Punkte.

Betrachtet man bei beiden CPUs wieder das Gesamtsystem, so ist die Ersparnis geringer: Bei 5W zusätzlichem Verbrauch sind es beim i3 nur noch 5% und beim i5 immerhin knapp 15%. Allerdings gilt die Ersparnis nur bei Vollast! Bei Teillast wird die Gesamtersparnis vermutlich geringer ausfallen, erst recht, wenn die Kerne die meiste Zeit ganz schlummern, und auch der Rest des Chipsatzes weniger Strom verbraucht.

Auf der anderen Seite ist es wahrscheinlich dass die meisten CPU’s pauschal eine Verringerung der Spannung um 50mV verkraften und die einmalige Konfiguration eines Tools (dazu bald einen weiteren Artikel) nicht so zeitintensiv ist, als dass sich ein Handanlegen nicht lohnen würde.Ein Ausloten auf den letzten mV, ist unter der zu erwartenden Energieersparnis jedoch nicht sinnvoll. Vor allem ist zu beachten, dass mit kombinierter Belastung von CPU und Grafikkarte getestet werden muss, da bei einer „aufgewärmten“ CPU etwas mehr Spannung benötigt wird. Weil es so viele Kombinationen zwischen CPU Takt, Temperatur und gleichzeitig den Spannungen gibt, ist das Ausloten der geringsten Spannung sehr zeitintensiv: immer dann wenn ich glaubte die Absenkung würde keine Probleme machen stürzte dann doch nach einigen Stunden dann doch mein Spiel ab! Die Zeit sollte man eher darin investieren die im Hintergrund laufenden Prozesse zu optimieren!

Fazit

  • Der Turbo Takt im Surface ist unter der Auslastung aller Kerne in der Energiebilanz fragwürdig. Es lohnt sich im Akkubetrieb auf den Turbo zu verzichten, wenn man bereit ist auf seine Ergebnisse etwas länger zu warten.
  • Ein Undervolting um 50mV bringt bei Auslastung merkliche Ersparnisse und beim i5 sogar eine Leistungssteigerung!

Ein kleiner Nachtrag zu den Lüftersteuerungen beim i3 und i5:

Das i3 Tablet blieb bei mir wesentlich ruhiger. Das liegt vor allem daran, dass die Kühlung erst viel später anspringt (nach dem Motto, “Ich schaffe es ja sowieso die CPU schnell zu kühlen”). Hingegen läuft der Lüfter vom i5 etwas früher an, vermutlich um beim Turbo-Betrieb noch länger thermische Reserven bereit zu halten. Ein Begrenzen des Taktes des i5 auf i3 Niveau bedeutet daher nicht, dass beide gleich „laut“ sind, das i3 wird das leisere Tablet bleiben.

Ausblick

In einem folgenden Artikel werde ich (natürlich nicht ganz so umfassend) erklären, wie sich die CPU Spannung mit einem Tool verändern lässt.

 

Über den Autor: Thomas Paatsch

Thomas Paatsch
Wie auch Ralf bin ich ein Fan der Surface Produktfamilie und bin neben ihm hier einer der Hauptverfasser von Artikeln zu diesem Themengebiet. Nach einem Ausflug zur Konkurrenz (Toshiba Portégé) bin ich mittlerweile ins Surface Lager zurückgekehrt und heiße ein Surface Pro 6 mein Eigen. In meinem Haushalt gibt es aber auch noch einen Surface Laptop 1.