Bericht CPU-Leistungsaufnahme: Was „TDP“ bei Intel Core und AMD Ryzen bedeutet

[Nixdorf]

@D708 Ein Teil ist ja auch Wirkleistung, aber annähernd 100% der Leistungsaufnahme gehen halt in thermische Verlustleistung über.

 

[D708]

@D708 Ein Teil ist ja auch Wirkleistung, aber annähernd 100% der Leistungsaufnahme gehen halt in thermische Verlustleistung über.

Das stimmt. Nur rein physikalisch wäre es schon möglich. 140W Verbrauch und 95W TDP.

 

[Nixdorf]

Du vergisst dabei den Turbo.

Nein. Ich schrieb

Ein Prozessor, der dauerhaft 140W verbraucht

Und ich hab das dauerhaft sogar noch unterstrichen, damit man es nicht übersieht. In dem Kontext schreibe ich bis zu der Stelle noch nichts von Turbo, und Basistakt, und was sonst noch alles. Ich schreibe von einem Prozessor, der dauerhaft 140W verbraucht. Punkt. Auf einen solchen Prozessor kann man nicht "TDP: 95W" schreiben. Ich denke, das dürfte bis zu diesem Punkt völlig unmissverständlich klar sein. Ja?

Erst danach kommt die Betrachtung der elektrischen Spezifikation für den Turbo Boost bei Intel. Diese sagt klipp und klar, was man tun muss, damit die aufgedruckte TDP stimmt. Und Intel meint damit in seinen offizielle Dokumente so ziemlich genau das, was du beschreibst:

Der Turbo war ursprünglich dafür da, dass die Wärmeträgheit und die Wärmekapazität des Kühlers ausgenutzt werden konnte, um Lastspitzen mit mehr Takt abzufangen und damit das System zu beschleunigen, wenn es eben nicht so sehr um Dauerlast geht.

Der Parameter Tau ist ja dafür da, den Turbo nach der zu erwartenden Verzögerung bei der Erwärmung des Kühlers wieder zurückzufahren.

Und dann kommen die Boardhersteller und liefern Boards aus, die sich nicht an die Spezifikation halten. Damit fliegt die aufgedruckte TDP aus dem Fenster. Und zwar bei Intel-Boards unabhängig davon, welchen Kühler man drauf hat.

Da aber in vielen selbst zusammen gebauten Rechnern die Kühlung größer dimensioniert ist, als nötig (das wäre dann die TDP), nutzt das die CPU aus und kann unter Umständen dann den Turbo dauerhaft hoch halten, als nur kurz. Daher ist eine CPU, die in dem Fall dauerhaft 140W zieht eben nicht zwangsläufig mit einer TDP von 140W auszuzeichnen, weil es an der Leistung der Kühlung liegt.

Das prüft die CPU aber nicht, und das Board ballert einfach so mit theoretischen 140W. Verbaust du den i7-8700 (TDP 65W) mit Boxed Kühler (max. 73W) auf einem typischen Board aus dem Einzelhandel und startest Prime95, dann erreicht die Package Power bis zu 144W. Kurz. Und ab dann ist der Prozessor dauerhaft in der thermalen Drosselung, und das ist kein als Normalverhalten definierter Betriebszustand, sondern eine Schutzvorrichtung. Der Prozessor hat also keine TDP von 65W, wenn er in dieser Kombination verbaut wird. Hätte er die, dann wäre er in der Lage, korrekt mit einem 65W-Kühler umzugehen.

Und ja, theoretisch könnte der i7-8700 ein Prozessor mit 65W TDP sein. Dann müsste das Board aber nach Erkennung des Prozesors automatisch die korrekten Parameter für diese TDP einstellen. Erst die Kombination aus CPU und Board macht aus der aufgedruckten TDP eine Lüge. Das ist um so mehr wichtig, als es ja auch einen i7-8700K mit einer TDP von 95W gibt, der sich schon aus Sicht des Käufers gewollt mehr genehmigen sollte.

Ergänzung (6. August 2019)

Wo hat sie Basistakt? Bei dauerhaften 140Watt oder 95 Watt? hmm...

Wenn wir hier konkret vom i7-8700K sprechen: Dann müsste die CPU aber auch ab Werk in das Board eingesetzt in der Lage sein, nach Verbauen eines 95W-Kühlers korrekt bei entsprechend hoher Dauerbelastung nur den Basistakt zu fahren oder zumindest den Turbo nur so weit auszunutzen, dass es nicht zu thermischer Drosselung kommt. Diese Drosselung ist ein Schutzmechanismus für die CPU, kein normaler Betriebszustand.

 

[new Account()]

Dann müsste die CPU aber auch ab Werk in das Board eingesetzt in der Lage sein, nach Verbauen eines 95W-Kühlers korrekt bei entsprechend hoher Dauerbelastung nur den Basistakt zu fahren oder zumindest den Turbo nur so weit auszunutzen, dass es nicht zu thermischer Drosselung kommt. Diese Drosselung ist ein Schutzmechanismus für die CPU, kein normaler Betriebszustand.

Warum?
Wäre doch dumm die CPU unter die TDP des Kühlsystems zu drosseln bzw. CPU-Leistung zu verschenken.

Wenn du das willst, kannst du den Turbo immer noch abschalten. (Geht afaik auch in Windows)

 

[Ozmog]

Verbaust du den i7-8700 (TDP 65W) mit Boxed Kühler (max. 73W) auf einem typischen Board aus dem Einzelhandel und startest Prime95, dann erreicht die Package Power bis zu 144W. Kurz. Und ab dann ist der Prozessor dauerhaft in der thermalen Drosselung, und das ist kein als Normalverhalten definierter Betriebszustand, sondern eine Schutzvorrichtung.

Es heißt ja von Intel, dass die TDP unter Basistakt bei einer von Intel definierten komplexen Last eingehalten wird.
Prime95 ist so ziemlich das Schlimmste, womit man ein Prozessor belasten kann und entspricht weder der "komplexen Last" von Intel noch der Last im produktiven Einsatz.

Also unter Prime kann es durchaus soweit sein, dass nicht mal der Basistakt bei 65W eingehalten werden kann. Prime ist kein guter Vergleich.

Ansonsten wäre es fraglich, warum eine CPU throttelt, also unterhalb des Basistakts, wenn die CPU 65W TDP und der Kühler angebliche 73W. Unter Intels Last würde sich die CPU im Basistakt einpendeln, ansonsten passt die Kühlung nicht überein.

Selbst die Turbos laufen ja auch soweit es die Temperatur zulässt, egal wie die Kühlung ausgelegt ist. Wird es zu warm, geht der Takt nach unten. Unterhalb des Basistakts zu takten, ist dann heutzutage auch genauso wenig dramatisch, wie ein Absenken des Turbos. In diversen Laptops läuft das schnell mal so, weil die Kühlung eben auch knapp bis zu schwach dimensioniert ist.

Wieviel Leistung eine CPU benötigt hängt ja nicht einfach nur vom Takt ab, sondern auch wie sie belastet wird. Über AVX brauchen wir dann auch nicht mehr zu sprechen, da hat Intel ein eigenen Taktwert unterhalb des BCLK für angelegt, weil das die CPU deutlich mehr belastet.

Ergänzung (6. August 2019)

Dann müsste die CPU aber auch ab Werk in das Board eingesetzt in der Lage sein, nach Verbauen eines 95W-Kühlers korrekt bei entsprechend hoher Dauerbelastung nur den Basistakt zu fahren oder zumindest den Turbo nur so weit auszunutzen, dass es nicht zu thermischer Drosselung kommt

Genau so sollte es auch sein, wenn man die Intelsche-Last verwendet. Beim Prime-Spielen schafft sie das dann nicht mehr. Bei weniger komplexen Aufgaben hat sie dann mehr Luft für Turbo.

Wenn nicht, ist entweder die Spezifikation des Kühlers ungenau, man hat Probleme bei der Wärmeübertragung zum Kühler oder die Umgebungstemperatur im Gehäuse (die Luft, die der Kühler ja atmet) ist zu hoch. Oder eben im Fall von Prime ist die Auslastung der CPU höher, als nach Spezifikation.

 

[Nixdorf]

Prime95

Woher wusste ich bloß schon vorher, dass das wieder kommt? TomsHardware hat den i7-8700 Boxed Kühler mit Handbrake getestet; das ist eine "ganz normale" Last, die zum gleichen Resultat führt. Dito mit Blender, ebenfalls ein reguläre Anwendungsprogramm.

Ansonsten wäre es fraglich, warum eine CPU throttelt, also unterhalb des Basistakts, wenn die CPU 65W TDP und der Kühler angebliche 73W. Unter Intels Last würde sich die CPU im Basistakt einpendeln, ansonsten passt die Kühlung nicht überein.

Thermal Throttling heißt nicht "unter den Basistakt", es heißt "Taktdrosselung als Schutz gegen Überhitzung". Der nach Throttling resultierende Takt kann dann immer noch oberhalb des Basistakts bleiben, und genau das ist eigentlich auch schon das Problem. Der in Messprogrammen angezeigte Takt entspricht dann übrigens auch nicht mehr dem "realen Takt", weil die CPU intern Stopzyklen einfügt, also Taktschritte, in denen nicht gerechnet wird.

Wenn der i7-8700 die dauerhaft drohende Überhitzung nicht nur per Symptombehandlung bekämpfen würde, sondern daraus aktiv erkennen würde, dass die Kühllösung offenbar nur ein Power Limit von 73W abführen kann, weil bei einem höheren Wert die Drosselung aktiv wird, und dann proaktiv den Takt so weit senken würde, dass die thermische Drosselung verhindert wird, dann wäre das alles kein Problem. So aber kauft man ein Board (welches ab Werk die elektrische Spezifikation von Intel hinsichtlich der TDP nicht beachtet) und einen Prozessor mit Boxed-Kühler, baut es zusammen, schaltet es ein, wirft eine Videotranskodierung für eine Reihe von Videodateien an, und bekommt einen Prozessor, der dauerhaft seine eigene thermische Spezifikation verletzt, weil er unter diesen Bedingungen ständig in einem Betriebszustand ist, der eigentlich nur als Sicherheitsfunktion gegen Überhitzung gedacht ist.

Ich wähle hier übrigens den i7-8700, weil es bei diesem klar ist, dass die 65W ein Limit darstellen, das schon von vergleichsweise einfachen Dauerbelastungen leicht überschritten werden kann. Er kommt auch im Gegensatz zum i7-8700K mit einem eigentlich dafür passenden Boxed Kühler. Beim i9-9900 dürfte es eine ähnliche Problematik geben, aber zu dem gibt es kaum Berichte im Internet.

 

[poolk]

@Nixdorf
Bitte, bitte poste doch nicht so viel Müll.
Gerade betreffend thermischer Drosselung schreibst du viel mist. Wenn eine CPU aufgrund der Temp. von unter 90-95° den Turbo zurücknimmt ist das ein absolut normaler Betriebszustand! Ein Thermal Shutdown oder ein Drosseln unter den Basistakt ist nicht normal.

 

[new Account()]

(welches ab Werk die elektrische Spezifikation von Intel hinsichtlich der TDP nicht beachtet)

es ist eine thermische Spezifikation -> THERMAL DESIGN power

 

[bad_sign]

Hier ein Test mit verschiedenen PPT
Standard 105W TDP -> 142W PPT

 

[Nixdorf]

Gerade betreffend thermischer Drosselung schreibst du viel mist. Wenn eine CPU aufgrund der Temp. von unter 90-95° den Turbo zurücknimmt ist das ein absolut normaler Betriebszustand!

Ich muss also wirklich die offizielle Spec rausholen? Boah, ist doch echt nicht wahr.

In der beschriebenen Situation erreicht die CPU-Temperatur ständig den Wert von 100°C. Dies entspricht T_Junction für den i7-8700. In der offiziellen Spezifikation für die 8000er Familie heißt es dazu:

5.1.5.6 Thermal Solution Design and PROCHOT# Behavior
With a properly designed and characterized thermal solution, it is anticipated that PROCHOT# will only be asserted for very short periods of time when running the most power intensive applications. The processor performance impact due to these brief periods of TCC activation is expected to be so minor that it would be immeasurable. However, an under-designed thermal solution that is not able to prevent excessive assertion of PROCHOT# in the anticipated ambient environment may:
• Cause a noticeable performance loss.
• Result in prolonged operation at or above the specified maximum junction temperature and affect the long-term reliability of the processor.
• May be incapable of cooling the processor even when the TCC is active continuously (in extreme situations).

Bei 100°C wird PROCHOT ausgelöst, das führt zu thermischer Drosselung, und der Betrieb in diesem Zustand kann die Langzeitzuverlässigkeit des Prozessors beeinflussen. Das ist ergo kein normaler Betriebszustand!

es ist eine thermische Spezifikation -> THERMAL DESIGN power

Es handelt sich in der oben verlinkten Spezifikation dabei um das Kapitel 5 "Thermal Management". In Abschnitt 5.1.3.1 "Package Power Control" folgt dann

The package power control settings of PL1, PL2, PL3, PL4 and Tau allow the designer to configure Intel Turbo Boost Technology 2.0 to match the platform power delivery and package thermal solution limitations.

Die elektrischen Rahmenparameter (PL1, PL2, Tau) sind also Bestandteil der thermischen Spezifikation. Sie sind elektrisch so gewählt, damit thermisch keine dauerhaft zu hohe Verlustleistung generiert wird. Wenn der Boardhersteller sich also nicht an diese Rahmenparameter hält, und sie stattdessen massiv überschreitet, dann wird die Spezifikation verletzt, und die CPU verhält sich dann nicht mehr konform zur aufgedruckten TDP-Angabe. Die exakte TDP ist dann genauer gesagt aus Sicht einer solchen Spezifikation nicht einfach höher, sondern undefiniert.

 

[Ozmog]

Woher wusste ich bloß schon vorher, dass das wieder kommt? TomsHardware hat den i7-8700 Boxed Kühler mit Handbrake getestet; das ist eine "ganz normale" Last, die zum gleichen Resultat führt. Dito mit Blender,

Hättest das mal erwähnt. Ich habe dich ja zitiert und da stand nur was von Prime.
Wenn es dann um Handbrake und Blender geht, wissen wir, wie genau die Last bei Intel definiert ist? Liegt die über oder unter der Last von Intels Spezifikation? Ohne diese Info bringt es wenig über Einhaltung von TDP zu sprechen. Aber im jeden Fall muss ja schon unterhalb des Basistakts gedrosselt werden, wenn die Kühlung genau auf TDP nicht ausreichen sollte.

Aber wenn es nicht mal um eine Drosselung unterhalb des Basistakts geht (was ich so interpretiere mit deinem Text über thermal Throtteling), über was reden wir hier eigentlich? Eine Drosselung aufgrund der Temperatur ist heute schon was völlig normales, bei Laptops sogar sehr deutlich zu sehen. Das liegt an der Art, wie heutige CPUs dank des Turbos takten.
Wer das nicht will, der kann den Turbo sogar deaktivieren, steht jeden frei. Selbst ein einhalten der TDP ist meistens möglich und wird auch öfters bei den CB-Tests.

Wenn man die CPU freien Lauf lässt, dann geht es natürlich in eines der Limits:
Maximaler Takt
Maximale Stromstärke (Spannungsversorgung)
Maximale Temperatur zum Throtteling

Genau das lotet doch eine CPU heute aus, wie weit sie gehen kann. Sie weiß ja nicht, was für ein Kühler draufgeschnallt ist, deshalb wird bei kleinen Kühlern bis ins Temparaturlimit gefahren.

Früher war das mal ein Problem, als man damit noch CPUs grillen konnte, aber heute mit den Turbos und bei AMD beispielsweise noch mit PBO sieht das alles etwas anders aus.


Ist auch egal, ich halte das Thema TDP für überbewertet und freue mich, wenn die CPU rausholt was geht. Gerade unter meinem D15 hat die CPU genug Spielraum.
Ich frage mich, was nur die OEMs machen, hinterfragen sie es genauso oder ist das Board einfach so eingestellt, dass die CPU im Zaum gehalten wird, je nach Auslegung der Kühlung.

 

[Nixdorf]

über was reden wir hier eigentlich

Wir reden über eine Verringerung der CPU-Lebensdauer durch Nichteinhaltung der TDP-Vorgaben von Seiten der Boardhersteller.

 

[new Account()]

Was hat das nun damit zu tun, dass du nicht verstehst, was TDP bedeutet?

Relevant scheint das übrigens nicht zu sein, wenn man anschaut, dass MacBooks anscheinend pauschal zwischen 90° und 100° im Betrieb haben und nicht wie fliegen sterben

 

[Nixdorf]

Genau das lotet doch eine CPU heute aus, wie weit sie gehen kann.

Das sollte man meinen, aber Intel-CPUs tun das offensichtlich nicht. Es muss im UEFI die korrekte Spezifikation hinterlegt und aktiviert sein, damit die CPU korrekt angesteuert wird. Macht man das nicht, hängt die CPU ggf. ständig an T_Junction, was die Lebensdauer verringern kann. Von alleine regelt sie den Turbo nicht so weit runter, dass die Drosselung verhindert wird.

Ergänzung (6. August 2019)

Relevant scheint das übrigens nicht zu sein, wenn man anschaut, dass MacBooks anscheinend pauschal zwischen 90° und 100° im Betrieb haben

Auch das ist eine Sache des thermischen Designs. Knapp unter 100°C ist ja okay, aber bei Erreichen von 100°C geht PROCHOT an und dann beginnt die thermische Drosselung. Will heißen, dass 98°C ein anderer Betriebszustand ist als 100°C. Ob das tatsächlich einen Unterschied für die Chip-Lebensdauer macht, ist unerheblich. Es steht in der Spezifikation, dass der Betrieb bei 100°C oder darüber nicht empfohlen wird. Alos hält man sich an dieses Limit, sonst gibt es von der versammelten Presse in den Tests (hoffentlich) Ärger.

Von Seiten Apples ist ein Betrieb bei so hohen Temperaturen natürlich wieder der gewinnorientierte Mittelfinger an den Käufer. Man könnte es lauter kühlen, aber das will keiner. Man könnte es genau so leise besser kühlen, aber das würde ja die Fertigungskosten erhöhen. Also geht man exakt bis ans erlaubte Limit und maximiert den Profit. Der Apple-Jünger hinterfragt das eh nicht.

 

[new Account()]

Von Seiten Apples ist ein Betrieb bei so hohen Temperaturen natürlich wieder der gewinnorientierte Mittelfinger an den Käufer. Man könnte es lauter kühlen, aber das will keiner. Man könnte es genau so leise besser kühlen, aber das würde ja die Fertigungskosten erhöhen. Also geht man exakt bis ans erlaubte Limit und maximiert den Profit. Der Apple-Jünger hinterfragt das eh nicht.

Unter der Annahme, dass die CPU keinen merklichen Schaden davonträgt (habe bei MacBooks noch nie Berichte von CPU Ausfällen gesehen), ist es auch für den Verbraucher besser (vorausgesetzt höhere Kosten von Apple würden auch in einem höheren Kaufpreis resultieren):
Durch die höhere Temperaturdifferenz ist das Kühlen deutlich effizienter - aus offensichtlichen Gründen (gerade, wenn die Kühlung passiv ist).
Eventuelle Auswirkungen auf den Akku noch außenvorgelassen.

 

[bad_sign]

Dir ist klar, dass heißere Bauteile einen höheren Widerstand haben und somit ineffizienter werden?

 

[Ozmog]

heißere Bauteile einen höheren Widerstand haben

Das trifft allerdings nur auf Metalle zu. Silizium ist dagegen ein Heißleiter, der Widerstand sinkt mit zunehmender Temperatur.
Wie viel das aber bringt bei einen relativ geringes Temperaturdelta, weiß ich allerdings nicht. Ich schätze, es ist kaum der Rede wert.

 

[adius]

Ach ja der TDP...und was sagen nun die Praktiker dazu. Oder anders gefragt, wie groß ist die Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis. Wonach richtet sich der PC Bastler der nicht Thermodynamik o.ä. studiert hat? Ich als Praktiker sage mir, je höher der angegebe TDP Wert ist um so mehr muß ich das Kühlsystem danach ausrichten. Deshalb habe ich ja auch auf meiner 88 Watt TDP einen 230 Watt TDP Kühler drauf 👍 Nun zerstöhrt der Ryzen 3000 aber mein Weltbild total. Nur gut das es CB gibt wo man über die Temperaturprobleme der neuen Hitzköpfe erfährt. Der nächste inovative Schritt wird sein die CPU gleich mit Wasseranschluß zu versehen. Oder doch eine Kryokühlung ?

 

[tek9]

Was ist ist denn mit deinen Weltbild?



Wenn dein 235 Watt Kühler einen Ryzen 3xxx nichts angepackt bekommt, war die Angabe des Herstellers etwas... ähmm... sehr optimistisch

 

[adius]

Was ist ist denn mit deinen Weltbild?

Eben der Unterschied der TDP Angabe von z.B. 65 Watt und der Hitze die wirklich erzeugt wird. Das stimmt eben nicht mehr bei der 7 nm Technik und dem winzigen DIE und der asymetrischen Montage des selbigen. Ansonsten ist alles OK mit meinem Weltbild.