Intel Core i9-10900K: Die Parameter PL1, PL2 und Tau ausführlich erklärt

Im Test von Core i9-10900K und Core i5-10600K mussten die neuen Comet-Lake-S-CPUs nicht nur Benchmarks absolvieren, die Redaktion hat sich auch den Parametern PL1, PL2 und Tau ausführlich gewidmet. Im großen Artikel geht dieser Aspekt allerdings schnell unter, weshalb er hier noch einmal separat erscheint.

Core i9-10900K: 250 Watt für 56 Sekunden

Eine der interessantesten Neuerungen bei Comet Lake-S ist Intels Entscheidung zu einer höheren TDP bei den Topmodellen. Nach über fünf Jahren in der gleichen Fertigungsstufe und im Grunde genommen auch der gleichen CPU-Architektur bleiben dem Hersteller kaum mehr Möglichkeiten, um mehr Leistung aus dem Silizium zu kitzeln. Die nicht nur sprichwörtliche Brechstange war schon immer das letzte erhoffte Allheilmittel – doch selten brachte sie Erfolg.

Die Parameter PL1 (dauerhafte Leistungsaufnahme, entspricht der TDP), PL2 (maximal erlaubte Leistungsaufnahme) und Tau (Zeit, die PL2 maximal anliegen darf) für die Leistungsaufnahme unter Last haben auch bei der neuen Core-Generation Bestand. Allerdings hat sie Intel bei Comet Lake-S deutlich angepasst. Offiziell bestätigt sind bisher nur die Werte für die K-CPUs.

Bisher galt für PL2 der Faktor 1,25 mal PL1 über maximal 28 Sekunden (Tau). Für den Core i9-10900K gilt ab sofort wiederum der Faktor 2,0 über 56 Sekunden. Der Zehn-Kern-Prozessor darf demnach nach Intels Vorgabe bis zu einer knappen Minute 250 Watt Leistung aufnehmen – sofern eine andere Kenngröße nicht erreicht wurde, dazu weiter unten mehr.

CPU	PL1	PL2	Tau
Core i9-10900K	125 Watt	250 Watt	56 Sekunden
Core i7-10700K	125 Watt	229 Watt	56 Sekunden
Core i5-10600K	125 Watt	182 Watt	56 Sekunden
Core i9-9900K	95 Watt	119 Watt	28 Sekunden
Core i9-9900KS	127 Watt	159 Watt	28 Sekunden

Bei den beiden anderen K-Modellen sind die Abstufungen anders. Der Core i7-10700K darf maximal 229 Watt Leistung aufnehmen, der Core i5-10600K noch 182 Watt. Ausgehend von den 125 Watt TDP alias PL1, die alle K-Modelle haben, entspricht dies dem Faktor 1,83 respektive 1,46 und liegt damit deutlich über dem bisher stets genutzten Faktor 1,25.

Offiziell hat Intel vor dem Start nur diese drei Prozessoren exakt beziffert. Auch auf dutzendfache Nachfrage gab es keine Details zu PL2 und Tau für weitere Prozessoren, denn auch bei den regulären 65-Watt-CPUs bleibt es anscheinend nicht beim alten Muster. So zeigt ein Core i5-10400F gar den Faktor 2,06 von PL1 zu PL2, was laut Mainboard-Hersteller auf explizite Rückfrage der Redaktion den Intel-Vorgaben entspricht.

PL1, PL2, Tau und EWMA

Maximal 250 Watt Leistungsaufnahme (PL2) für bis zu 56 Sekunden (Tau), bevor auf 125 Watt (PL1) eingebremst wird, lassen den Core i9-10900K auf dem Papier in ganz neue Regionen vorstoßen. Doch wie groß der Unterschied in der Praxis ist, steht damit noch lange nicht fest. Dafür gibt es zwei Gründe.

Mainboards gehen unterschiedlich damit um

Zum einen haben Mainboards für den Verkauf über den Einzelhandel in der Vergangenheit Intels Vorgaben für PL1, PL2 und Tau in der Regel ausgehebelt und der CPU stattdessen so viel elektrische Leistung zugestanden, wie sie für den jeweils maximal erlaubten Turbo-Takt benötigt. Nur in OEM-PCs kamen PL1 und Tau prominent zum Einsatz.

Zum anderen war die Differenz zwischen dauerhaft PL2 und gedrosseltem PL1 nicht besonders groß, der Leistungsverlust war folgerichtig relativ klein. Mit maximal PL2 = 2 × PL1 ist die Spanne bei den neuen K-CPUs deutlich größer. Aber auch in Bezug auf den ersten Punkt scheint es mit Comet Lake-S Veränderungen zu geben.

So hielt sich ein High-End-Z490-Testmuster von Asus mit dem zuerst installierten BIOS nicht nur an Intels Vorgaben (statt immer den maximalen Takt zu fahren, ohne auf PL1 und PL2 zu achten), sondern zwingt den Nutzer mit dem zuletzt von Asus freigegebenen BIOS erstmals direkt beim ersten Start zur Wahl: Betrieb mit ohne oder Intels Limits. So sichtbar waren PL1, PL2 und Tau und im Kontrast der Verzicht darauf noch nie auf Mainboards zu sehen.

Ein Mainboard von ASRock wiederum gab und gibt mit aktuellem BIOS in den Default-Einstellungen weiter ohne Hinweis immer Vollgas, das heißt die CPU darf immer den jeweils spezifizierten maximalen Turbo nutzen. PL1, PL2 und Tau lassen sich in diesem Fall manuell vom Nutzer nach Intels Vorgaben definieren, die wenigsten Anwender werden die Option aber überhaupt im BIOS finden.

Wird das gemacht oder beim Mainboard von Asus die Wahl „nach Spezifikationen“ getroffen, stellt sich allerdings heraus, dass der Core i9-10900K den Schritt von PL2 (250 Watt) auf PL1 (125 Watt) mal früher und mal später vollzieht – je kürzer die letzte Vollastphase her ist, desto weniger von den maximal 56 Sekunden stehen der CPU zu.

Keine technische Hilfestellung von Intel

Die ersten Tage verbrachte die Redaktion deshalb im stetigen Austausch mit Intel sowie den Mainboard-Herstellern, um der Ursache dieses Verhaltens auf den Grund zu gehen. Von Intel gab es allerdings erst einmal gar nichts. Der Konzern blieb bei der seit Jahren an den Tag gelegten störrischen Verschlossenheit ohne Preisgabe von technischen Details oder Support-Dokumenten zum Start.

Für Aufklärung sorgte am Ende ein Mainboard-Hersteller, der mit Verweis auf die von Intel gemachten Vorgaben darlegen konnte, dass sich sein Mainboard bei Nutzung von PL1, PL2 und Tau korrekt verhält, auch wenn die Volllastphasen immer wieder anders ausfallen. Intel wiederum verwies bis zum Schluss nur auf alte Skizzen in Support-Dokumenten, aber mit dem Hinweis, dass es jetzt anders laufe.

Die Bedeutung der EWMA-CPU-Leistungsaufnahme

Der Grund für das Verhalten des Core i9-10900K, das auch andere Comet-Lake-S-CPUs betreffen dürfte, ist der gleitende Mittelwert (EWMA, Exponentially Weighted Moving Average) der CPU-Leistungsaufnahme.

Der EWMA ist nicht neu, er ist bei Intels Prozessoren Bestandteil seit unzähligen Generationen, Forschungspapiere beispielsweise zu seiner Funktion in Sandy Bridge sind frei verfügbar. Mit Comet Lake-S hat sich allerdings eine Eingangsgröße für die Berechnung des EWMA gravierend verändert und das macht den Mechanismus deutlich sichtbarer. Doch welche Rolle spielt der EWMA?

Der EWMA bestimmt, wie lange PL2 gehalten werden kann, bevor PL1 zum Zuge kommt. Denn genau genommen beträgt diese Zeit nicht fest 56 Sekunden (vormals 28 Sekunden). Das ist nachvollziehbar: Selbst nach einer extrem kurzen Leerlaufphase könnte die CPU sonst immer und immer wieder für die Zeit Tau mit PL2 laufen. Stattdessen muss sie von PL2 auf PL1 wechseln, wenn der exponentiell gewichtete gleitende Durchschnitt der Leistungsaufnahme der CPU das Niveau PL1 erreicht hat. Die CPU soll im Durchschnitt eben nicht die TDP überschreiten um das darauf ausgelegte Kühlsystem nicht zu überfordern.

Damit spielt auch eine Rolle, was die CPU vor der neuen Volllastphase getan hat, auch wenn der Einfluss auf das Ergebnis mit größerem zeitlichen Abstand abnimmt. Eine längere Leerlaufphase mit nur 10 Watt Leistungsaufnahme hat nach dem Start einer Volllastphase mit bis zu 250 Watt (PL2 beim i9-10900K) schnell nur noch wenig Gewicht, EWMA nähert sich zügig PL1 an. War die CPU zuvor einer hohen Last ausgesetzt, liegt der EWMA deutlich höher als der Leerlaufverbrauch und erreicht schneller PL1.

Je kürzer die Last, desto deutlicher werden sich PL2 und Tau in der Leistung einer nach Intels Vorgaben betriebenen CPU niederschlagen. Viele kurze Benchmark-Tests werden 250, 229 oder 182 Watt über ihre komplette Dauer nutzen können, während längeren und den 95-Watt-CPUs mit PL2 von 119 Watt viel niedrigere Grenzen gesetzt werden.

Core i9-10900K(F): mit deutlichen Verlusten

Sehr deutlich wird das an einer Testreihe mit dem Core i9-10900K im Cinbench R20. Hier schafft es die CPU nach einer langen Leerlaufphase mit minimaler Leistungsaufnahme im Idealfall über die gesamte Laufzeit von 48 Sekunden PL2 (bis 250 Watt) zu nutzen, ein zwei Sekunden nach Ende der ersten Testreihe gestarteter neuer Durchgang genehmigt aber nur noch wenige Sekunden PL2, im 3. Durchgang verhält es sich genauso. Für die verbleibende Laufzeit liegt jeweils nur PL1 (125 Watt) an.

Die Auswirkungen auf das Ergebnis sind groß: Im Maximum werden 6.400 Punkte, im schlechtesten Fall nur knapp über 5.400 Punkte erreicht – das sind 16 Prozent Unterschied auf ein und derselben CPU. Die 900 MHz respektive 18 Prozent Taktverlust von 4,9 GHz Dauertakt auf 4,0 GHz, die das Zurückfahren von PL2 auf PL1 bedeutet, skalieren in dem Test fast linear mit verlorengegangener Leistung.

Die nachfolgenden Verlaufsdiagramme zeigen sowohl Takt als auch die korrespondierende Package-Power im Zeitverlauf über drei Durchgänge im Cinebench R20 – einmal ohne Limits, einmal mit Limits bei 2 Sekunden Pause zwischen den Benchmarks und einmal mit Limits bei 30 Sekunden Pause.

Bei ausgehebelten Limits liegen in jedem der drei Durchgänge dauerhaft 4,9 GHz All-Core-Turbo an, der Verbrauch liegt bei jenseits von 200 Watt.

Sind Intels offizielle Limits gesetzt, wird die Package Power hingegen schon am Ende des 1. Durchgangs von über 200 auf 125 Watt (PL1) gesenkt, weil EWMA das Niveau von PL1 erreicht hat. Im 2. und 3. Durchgang geschieht das bereits nach wenigen Sekunden, weil nur zwei Sekunden Pause zu kurz sind, um EWMA entscheidend fallen zu lassen.

Wird zwischen den Durchläufen 30 Sekunden Zeit gelassen, kann PL2 im 2. und 3. Durchgang länger genutzt werden, aber immer noch nicht so lange wie im 1. Durchgang. In einer Anwendung, die unter Volllast mehr als etwas über 200 Watt Leistungsaufnahme verursachen würde, würde der Schritt auf PL1 noch eher erfolgen, in Anwendungen, die weniger Leistungsaufnahme verursachen, später oder sogar nie (Package Power unter PL1-Niveau).

Ein Beispiel dafür sind Spiele: Keinen Einfluss haben die Limits in den exemplarisch herangezogenen Spielen Assassin's Creed: Odyssey und Shadow of the Tomb Raider, weil die Package Power hier dauerhaft sogar unter dem Niveau von PL1 liegt. Beide Verläufe strecken sich vom Ladevorgang bis hinein in das Spiel.

Core i5-10600K(F): fast nicht betroffen

Beim Core i5-10600K mit PL2 von 182 Watt und PL1 bei ebenfalls 125 Watt ist das Verhalten nicht zu beobachten und das hat einen einfachen Grund: Selbst stark fordernde Anwendungen nötigen der CPU maximal 115 Watt ab, lediglich in Prime sind es bis zu 150 Watt – nur dort sinkt der Takt beim Erreichen der Schwelle EWMA = PL1 dann um 200 bis 300 MHz, weil der Verbrauch auf 125 Watt fällt.

In dem Fall hat Intel mit dem Anstieg der TDP von 95 auf 125 Watt Grenzen gesetzt, die man nicht auszuhebeln braucht: Sie ermöglichen der CPU im Alltag unter Berücksichtigung der Spezifikationen immer die Nutzung der vollen 56 Sekunden PL2. Das zeigt auch der Takt- und Package-Power-Verlauf über drei Durchgänge im Cinebench R20 bei gesetzten Limits.

Core i7-10700K(F): Ausgang offen

Wie sich der Core i7-10700K(F) verhält, kann aktuell nur gemutmaßt werden, da ein Muster bisher nicht zur Verfügung steht. Acht Kerne bei hohem Takt entsprechen dem Core i9-9900K, die TDP (PL1) ist allerdings auch hier von 95 auf 125 Watt gestiegen. PL2 bei 229 statt 119 Watt wie beim 9900K dürfte dennoch dazu führen, dass auch diese CPU, sofern sie in Intels Limits läuft, nur nach längeren Leerlauf- oder Teillastphasen für volle 56 Sekunden PL2 nutzen darf. Kurzfristig dürfte die CPU deutlich schneller sein, obwohl sie auf dem Papier nur 100 MHz trennt, langfristig mit jeweils anliegendem PL1 liegen sie aber sicherlich näher beieinander.

Wie steht es um die Non-K-Modelle?

Intel hat zum Start keinerlei Dokumentation veröffentlicht, somit kann zu der Thematik abschließend nichts gesagt werden. Doch eines scheint bereits sicher: Auch hier gibt es Änderungen. Der kurzfristig aus dem Handel vor wenigen Stunden eingetroffene Intel Core i5-10400F zeigt PL1 richtig mit 65 Watt an und gibt Tau mit 28 Sekunden aus, aber PL2 steht bei 134 Watt. Rückfrage bei Mainboard-Herstellern bestätigen den Wert als korrekt. Er entspricht damit sogar dem 2,06-fachen der TDP. Intel konnte oder wollte erneut keine Aussage abgeben.

Robuste Benchmarks nur ohne Limits

Prozessoren mit mehrstufigen Turbo-Mechanismen reproduzierbar zu testen, war zuletzt bereits kompliziert, doch dass Intels über Jahre oft komplett ignorierten Vorgaben bezüglich PL1, PL2 und Tau weiterhin nicht überall ignoriert werden, macht das Vorhaben noch komplexer. Denn eine CPU kann so ganz unterschiedliche Gesichter zeigen. ComputerBase hat sich deshalb abermals dazu entschieden, die neuen CPUs in zwei Konfigurationen zu testen:

• Ohne Limits, d.h. immer mit maximal erlaubtem Turbo, was beim Core i9-10900K bis zu 310 Watt Package-Power (Prime95) bedeutet.
• Mit PL2 und PL1 bei ausreichend zeitlichem Abstand zwischen den Benchmarks, um Tau auszuschöpfen.

Die Botschaft ist damit allerdings klar: Selbst der zweite Testlauf der Redaktion stellt einen Best Case mit Limits dar. Würde der gesamte Parcours mit nur minimalen Pausen zwischen den Benchmarks durchlaufen werden, wäre zumindest der Core i9-10900K nochmals langsamer. Und allein die Reihenfolge der Benchmarks würde dann einen Unterschied machen. Am Ende sind es im Extremfall zwei unterschiedliche Prozessoren, die ein einzelner Core i9-10900K hervorbringt. Die eine, die sich stets so viel sie will genehmigen darf, die andere, die nach 5 Sekunden über der 125-Watt-Marke direkt wieder auf den Wert zurückfällt. Dass sich so etwas massiv in der Leistung niederschlägt, ist schon in der Theorie klar und hat die Praxis im Test deutlich gezeigt. Die Redaktion plant, entsprechende Benchmarks nachzuliefern.

Alle weiteren Informationen zu Intels neuen Comet-Lake-S-CPUs liefert der Artikel Core i9-10900K und i5-10600K im Test: Eine Frage des Limits.