Leseprobe - HERDT

PC-Technik
Grundlagen
Karsten Bratvogel
7. Ausgabe, September 2016
ISBN 978-3-86249-609-9
PCT
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Prozessor (CPU) 3 Prozessor (CPU) In diesem Kapitel erfahren Sie  wie ein Prozessor funktioniert  aus welchen Komponenten ein Prozessor aufgebaut ist  welche Prozessoren Intel und AMD vertreiben Voraussetzungen  Physikalische Grundlagen  Technisches Verständnis 3.1
Funktion des Prozessors Von‐Neumann‐Architektur Die meisten Computer arbeiten nach dem EVA‐Pinzip, das heißt, sie besitzen Geräte zur Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe von Daten. Ein populäres Konzept für den Aufbau des Verarbeitungsgerätes ist die Von‐Neumann‐
Architektur, die bereits 1949 vom Mathematiker John von Neumann entwickelt wurde. Sie besteht im Wesent‐
lichen aus vier Funktionseinheiten: 







Rechenwerk  Steuerwerk  Speicher  
Hauptkomponenten des Verarbeitungsgerätes Ein‐ und Ausgabeeinheit  Eine weitere wichtige Komponente, das Bussystem, bietet die Schnittstellen  für die Kommunikation der einzelnen Komponenten untereinander und mit der Außenwelt. Im PC sind wesentliche Teile dieser Architektur in einem zentralen Baustein zusammengefasst, der Central Processing Unit (CPU). Die CPU kontrolliert den kontinuierlichen Datenfluss zwischen den einzelnen Funktions‐
einheiten. Die Daten entstammen dem Arbeitsspeicher oder den angeschlossenen Geräten (Tastatur, Laufwerke etc.). Nach der Verarbeitung wird das Ergebnis der Operation an den Arbeitsspeicher oder an ein Gerät geschickt. Die CPU lädt eigenständig den nächsten auszuführenden Befehl zur Datenverarbeitung. Die eigentliche Arbeit der CPU ist das Berechnen und Verschieben von Daten. Der Von‐Neumann‐Rechner arbeitet sequenziell: Befehle und Daten werden aus dem Speicher nacheinander abgearbeitet. Das Bussystem ist dabei oft der Flaschenhals, weil vor und nach jedem Verarbeitungsschritt die‐
selben Leitungen verwendet werden müssen. Eine Verbesserung gelang mit der Entwicklung einer hierarchisch gegliederten Speicherstruktur, bestehend aus Registern und verschiedenen Speicherebenen (Cache‐Ebenen). Häufig genutzte Daten und Befehle können dabei in schnellen separaten Cache‐Speichern abgelegt werden. Darüber hinaus erreichen neue CPU‐Generationen durch eine feinere Aufteilung der Funktionseinheiten und eine Erweiterung der Befehlssätze bereits eine teilweise parallele Arbeitsweise. So können pro Ausführungsschritt mehr Daten verarbeitet werden. Durch die Entwicklung von Systemen mit mehr als einem Prozessor oder mehreren Prozessorkernen wurde diese Parallelisierung in den letzten Jahren immer weiter vorangetrieben. © HERDT‐Verlag 23 3 PC‐Technik – Grundlagen
Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Funktionseinheiten einer CPU: Überschrift Überschrift IDU Instruction Decode Unit Befehlsdecoder: Alle eingehenden Befehle, die den Prozessor als Programm erreichen, werden in einen Mikrocode übersetzt und an die ausführende Einheit übergeben. EXU Execution Unit Ausführungseinheit: Alle Befehle, die nun im Mikrocode vorliegen, werden aus‐
geführt. COL Control Logic Kontrolleinheit: Sie sorgt für eine Kontrolle im Ablauf der Mikrocodes. BIL Bus Interface Logic Bussteuereinheit: Sie überwacht und steuert den Bus. ALU Arithmetic Logic Unit Arithmetisch‐logische Einheit: Sie ist zuständig für die Ausführung arithmetischer (Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division) und logischer Rechenoperationen (UND, ODER, NICHT). FPU Floating Point Unit Fließkomma‐Rechner: Von ihm werden Berechnungen mit Fließkommazahlen durchgeführt. DC Data Cache Daten‐Cache‐Speicher: Er dient als schneller Datenzwischenspeicher. CC Code Cache Befehls‐Cache‐Speicher: Er dient als schneller Befehlszwischenspeicher. Steuerwerk oder Leitwerk Das Steuerwerk ist die mitunter umfangreichste Zusammenfassung unterschiedlicher Funktionsblöcke. Es besteht aus den verschiedenen Kontrolleinheiten, in denen sämtliche Vorgänge im Computer kontrolliert und gesteuert werden. Befehlsdecoder Der Befehlsdecoder (IDU – Instruction Decode Unit) ist auf dem Prozessor oft mehrmals in einer parallelen Anordnung vorhanden. Dies erlaubt eine kürzere Zeitspanne für die Befehlsdurchführung. Auch die Ausführungs‐
einheit (EXU – Execution Unit) ist bei vielen Prozessoren mehrmals vorhanden. Rechenwerk Zum Rechenwerk gehören neben der ALU (Arithmetic Logic Unit) und der FPU (Floating Point Unit) auch Register, in denen Daten zwischengespeichert werden können. Nur mithilfe der arithmetisch‐logischen Einheit (ALU) kann der Prozessor Gleichheits‐ und Ungleichheitsprüfungen sowie Größenbestimmungen durchführen. Nur dann können alle Anweisungen eines Programms abgearbeitet werden. Fertigungstechniken Die CPU basiert auf der Mikrochiptechnologie. Dabei werden derzeit bis zu 7,2 Milliarden Transistoren (Intel Xeon Broadwell E5 18 Core‐Prozessor) als elektronische Schalter auf einem nur wenige Quadratzentimeter großen Träger aus Halbleitermaterial (meist Silizium) implantiert, dem Mikrochip. Von diesem leitet sich auch die Bezeichnung Mikroprozessor ab. Funktion und Aufgabengebiet des Prozessors werden durch Anzahl und logische Verknüpfung der Transistorfunktionen festgelegt. Der „nackte“ Mikrochip wird auch als Die (engl. Plättchen) bezeichnet. 24 © HERDT‐Verlag
Prozessor (CPU) 3
Zum Schutz vor mechanischen Belastungen werden die Mikrochips in einem Gehäuse aus Kunststoff oder Kera‐
mik untergebracht. Leistungsfähige moderne Prozessoren besitzen meist eine Abdeckung aus Metall (Heat‐
spreader), welche die entstehende Wärme auf eine größere Fläche abführt und das empfindliche Prozessor‐Die schützt. Von außen zugängliche Kontakte sorgen für den elektrischen Anschluss. Im Rhythmus von ein bis zwei Jahren wird die Fertigungstechnik verbessert und erlaubt die Herstellung von im‐
mer kleineren Strukturen. Ein Pentium 4 (Northwood) von 2002 wurde noch im 130‐nm‐Prozess gefertigt, beim i7‐Prozessor (Sandy Bridge) waren es nur noch 32 nm. Aktuelle Intel‐Prozessoren werden im 14‐nm‐Prozess gefertigt (Skylake). Die Verkleinerung erlaubt eine Reduzierung der Spannung sowie eine Erhöhung des Taktes und der Transistorzahl. Dadurch kann eine neue Prozessorgeneration entweder deutlich weniger Energie bei glei‐
cher Leistung verbrauchen oder bei gleichem Energieverbrauch deutlich mehr leisten. Da die Erhöhung des Takts ab einer Grenze von etwa 4 GHz zunehmend schwieriger wurde und die Kühlung ext‐
rem hoch getakteter Prozessoren kaum noch zu bewerkstelligen war, sind 2005 die Hersteller Intel und AMD dazu übergegangen, mehrere (niedriger getaktete) Prozessorkerne in einem Prozessorgehäuse zusammen‐
zufassen (Multi Core). Mittlerweile sind Taktraten von mehr als 4 GHz trotz Multi‐Core‐Technologie schon wieder erreicht. Inzwischen gibt es keine aktuellen Desktop‐Prozessoren mehr, die nur über einen Kern (Single Core) verfügen. Die Anzahl der Kerne eines Prozessors im Serverbereich liegt inzwischen bei etwa 32. Desktopcomputer bringen es schon auf vier bis acht Kerne pro CPU, Tendenz steigend. 3.2
Leistungsmerkmale moderner Prozessoren Um die Eigenschaften moderner Prozessoren zu beschreiben, gibt es zahlreiche Kenngrößen und Technologien: 








Taktfrequenz (intern und extern) Art des Befehlssatzes oder Möglichkeiten zur parallelen Abarbeitung von Befehlen (Multi‐Threading) Anzahl der CPU‐Kerne im Prozessorgehäuse (Multi‐Core‐Prozessoren) Größe der Caches, Vorhandensein von Level‐3‐Cache Geschwindigkeit der Speicheranbindung Kommunikationsbus zum Chipsatz Prozessorarchitektur Busbreite (64 Bit) Vorhandensein von Befehlssatzerweiterungen zur Beschleunigung bestimmter Berechnungen (SSE, früher MMX und 3DNow!) Das Zusammenwirken aller dieser Faktoren bestimmt die Leistungsfähigkeit eines Prozessors. Dabei kann ein Flaschenhals oder Schwachpunkt an einer Stelle dafür sorgen, dass die Leistung sofort stark einbricht. Da das tatsächliche Zusammenspiel der Komponenten nicht zuverlässig vorausgesagt werden kann, ist die tatsächliche Leistung kaum abzuschätzen. Jedoch lassen mehr Prozessorkerne, ein höherer Takt und viel Cache eine höhere Leistung erwarten. Taktfrequenz/CPU‐Geschwindigkeit Die CPU verarbeitet Daten und Befehle in einem festgelegten Rhythmus, der durch einen Taktgeber (clock) fest‐
gelegt wird. Die Anzahl der Taktimpulse pro Sekunde, die der Taktgeber abgibt, ist im physikalischen Sinne eine Frequenz und wird deshalb in Hertz angegeben. Bei modernen Prozessoren liegt diese Frequenz im Gigahertz‐
Bereich. 1 GHz = 1 Milliarde Taktimpulse pro Sekunde = 1.000 MHz 1 MHz = 1 Million Taktimpulse pro Sekunde © HERDT‐Verlag 25 3
Prozessor (CPU) Schon wegen der hohen Leistungsfähigkeit liegen die Werte der TDP zwischen 115 W bis 165 W. Mit vier Speicherkanälen wird ein Datendurchsatz von 102 GB/s erreicht. Alle Server‐Prozessoren unterstützen die Benutzung von ECC Speicher. Neben dieser Typenreihe sind auch Prozessoren aus den Vorserien verfügbar. Die verfügbaren Modellreihen von Intel‐Prozessoren und anderer Hardware sind äußerst umfangreich, sodass hier nur ein Ausschnitt des Gesamtsortiments dargestellt werden kann. Allerdings unterstützt Intel mit einer im Internet verfügbaren Datenbank (http://ark.intel.com/ ) die Abfrage umfangreicher Detailinformationen. 3.7
AMD‐Prozessoren AMD‐Prozessoren für den Desktop‐PC Von der Firma AMD werden (Stand 05/2016) nachfolgende Mikroprozessoren als aktuell bezeichnet, jedoch umfasst das Vertriebsprogramm auch weiterhin viele schon bekannte Prozessortypen: Bezeichnung Sockeltyp Typ PIN AMD FX AM3+ PGA‐ZIF 942 AMD Athlon X4 FM2+ PGA‐ZIF 906 AMD A‐Serie APU FM2+ PGA‐ZIF 906 AMD Athlon 5000 APU AM1 PGA‐ZIF 722 AMD Sempron 3000 APU AM1 PGA‐ZIF 722 Alle Modelle mit dem Zusatz „APU“ beinhalten weiterhin einen internen Grafikadapter. Die Athlon X4‐ und FX‐
Prozessoren werden ohne interne Grafikkarte ausgeliefert, da der Hersteller in diesem Segment vom Vorhanden‐
sein einer dedizierten Grafikkarte ausgeht. Ergänzende Lerninhalte: Aeltere_AMD‐Prozessoren.pdf Hier erhalten Sie Informationen zu älteren AMD‐Prozessoren.
FX‐Serie Die leistungsstärksten Prozessoren für Desktop‐Rechner der Firma AMD werden unter der Bezeichnung FX‐Serie vertrieben. Sie bieten innerhalb ihrer Serie eine unterschiedliche Anzahl von echten Prozessorkernen an. Haupt‐
konkurrent Intel versieht hingegen jeden physischen Kern mit einem virtuellen Prozessorkern, was als Hyper‐
Threading bezeichnet wird. Serie Kerne Taktfrequenz übertaktet TDP (Thermal Design Power) 9000 8 4,4–4,7 GHz 4,7–5,0 GHz 220 W 8000 8 3,2–4,0 GHz 4,0–4,3 GHz 95 W / 125 W 6000 6 3,3–3,9 GHz 3,9–4,2 GHz 95 W / 125 W 4000 4 3,6–4,2 GHz 3,8–4,3 GHz 95 W / 125 W Die 9000er‐Serie benötigt für einen störungsfreien Betrieb neben einem von AMD freigegebenes Motherboard ein leistungsstarkes Netzteile mit min. 600 W und geeignete Maßnahmen, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten. AMD empfiehlt zu diesem Zweck den Einbau einer Flüssigkühlung für den Mikroprozessor und einen separaten Gehäuselüfter, der die elektrischen Bauteile der Spannungsregelung kühlt. Weitere Hinweise finden Sie unter der Internetadresse: http://support.amd.com/en‐us/search/faq/295 © HERDT‐Verlag 35 3 PC‐Technik – Grundlagen
Serie L1‐Cache je Kern L2‐Cache je Kern L3‐Cache 9000 64 KB + 64 KB 8 MB 8 MB 8000 64 KB + 64 KB 8 MB 8 MB 6000 64 KB + 64 KB 6 MB 8 MB 4000 64 KB + 64 KB 4 MB 4 MB / 8MB Die Größe des L1‐Cache beträgt insgesamt 128 KB. Dabei werden 64 KB für Daten und 64 KB für Instruktionen verwendet. Gemeinsamkeiten aller FX‐Prozessoren Alle FX‐Prozessoren haben folgende Merkmale gemeinsam:  AMD64‐Technologie  HyperTransport‐Technologie bis zu 4000 MT/s Vollduplex bzw. bis zu 16,0 GB/s E/A‐Bandbreite  bis zu 21 GB/s Zweikanal‐Speicherbandbreite  32‐Nanometer‐SOI‐Technologie  Gleichzeitiges 32‐ und 64‐Bit‐Computing  Integrierter DDR3‐Speichercontroller (128‐bit bis zu DDR3‐1866)  Prozessor‐System‐Bandbreite insgesamt bis zu 37 GB/s (Silicon‐on‐insulator) Athlon X4 Serie Kerne Taktfrequenz übertaktet TDP 880K 4 4,0 GHz 4,2 GHz 95 W 870K 4 3,9 GHz 4,1 GHz 95 W 860K 4 3,7 GHz 4,0 GHz 95 W 845 4 3,5 GHZ 3,8 GHz 65 W Serie L1‐Cache L2‐Cache L3‐Cache 880K 256 KB 4 MB ‐ 870K 256 KB 4 MB ‐ 860K 256 KB 4 MB ‐ 845 256 KB 2 MB ‐ Alle Modelle der Athlon‐X4‐Serie verwenden DDR3‐Arbeitsspeicher. Der Speichercontroller bietet zwei Kanäle (Dual Chanel) und unterstützt Speicher bis zu einer Geschwindigkeit von 2133 MHz. A‐Serie APU (Accelerated Processing Unit) Wie schon in der Vergangenheit stellt die A‐Serie einen Kompromiss zwischen hoher Arbeitsgeschwindigkeit und leistungsfähiger Grafikkarte für Desktop‐Computer dar. Innerhalb der neuen A‐Serie haben Sie nur noch die Wahl zwischen den Modellen A8 und A10. Beide verfügen jeweils über 4 Kerne (Quad Core) und verwenden im Normalbetrieb zwischen 3,3–4,1 GHz. A8 und A10 unterscheiden sich zusätzlich in der Anzahl der Prozessorkerne für die interne Radeon‐R7‐Grafikkarte und deren GPU‐Taktrate (Graphics Processing Unit). 36 Bezeichnung GPU‐Kerne GPU‐Takt A10 8 757 oder 866 MHz A8 6 720 oder 757 MHz © HERDT‐Verlag
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Prozessor (CPU) Serie Kerne Taktfrequenz übertaktet TDP A10‐7890K 4+8 4,1 GHz 4,3 GHz 95 W A10‐7870K 4+8 3,9 GHz 4,1 GHz 95 W A10‐7860K 4+8 3,6 GHz 4,0 GHz 45 bis 65 W A8‐7670K 4+6 3,6 GHz 3,9 GHz 95 W A8‐7650K 4+6 3,3 GHz 3,8 GHz 95 W Alle Modelle weisen die gleichen Werte für L1‐ und L2‐Cache auf: Serie L1‐Cache L2‐Cache L3‐Cache A10‐7890K 256 KB 4 MB ‐ A10‐7870K 256 KB 4 MB ‐ A10‐7860K 256 KB 4 MB ‐ A8‐7670K 256 KB 4 MB ‐ A8‐7650K 256 KB 4 MB ‐ Ebenso wie die neuen Modelle der Athlon‐X4‐Serie verwendet die A‐Serie DDR3‐Arbeitsspeicher. Auch die Leis‐
tungsmerkmale des Speichercontrollers (Dual Chanel) und unterstützter Speicher (bis 2133 MHz) gleichen sich. Athlon 5000 und Sempron 3000 APU Mit den neuen Athlon 5000 und Sempron 3000 APUs bietet AMD eine Reihe unterschiedlich leistungsstarker Prozessoren an, die auch wegen ihrer geringen Leistungsaufnahme von 25 W gut für den Bau einfacher Desktop‐
systeme und MiniPCs geeignet sind. Beide Serien bringen eine interne Grafikkarte der Serie Radeon R3 mit. Die drei Modelle der Athlon‐Reihe sind als Quad‐Core‐Prozessoren hergestellt. Bei den Sempron‐Modellen haben Sie die Wahl zwischen einem Quad Core und einem Dual Core. Serie Kerne Taktfrequenz GPU‐Frequenz Athlon 5370 4 2,2 GHz 600 MHz Athlon 5350 4 2,0 GHz 600 MHz Athlon 5150 4 1,6 GHz 600 MHz Sempron 3850 4 1,3 GHz 450 MHz Sempron 2650 2 1,45 GHz 400 MHz Serie L1‐Cache L2‐Cache L3‐Cache Athlon 5370 , Athlon 5350, Athlon 5150, Sempron 3850 256 KB 2 MB ‐ Sempron 2650 128 KB 1 MB ‐ Ebenso wie die leistungsstärkeren Prozessoren der FX‐, Athlon‐x4‐ und A‐Serie verwenden Athlon‐5000‐ und Sempron‐3000‐Prozessoren DDR3‐Arbeitsspeicher. Dieser ist beim Sempron 2650 mit 1333 MHz getaktet. Alle anderen Athlon‐ und Sempron‐Modelle verwenden einen maximalen Takt von 1600 MHz. Weitere Informationen zur Bedeutung der Zusammenarbeit zwischen Prozessor‐ und Grafikkartenkernen finden Sie auf der AMD Seite: http://www.amd.com/de‐de/innovations/software‐technologies/processors‐for‐business/compute‐cores © HERDT‐Verlag 37 3 PC‐Technik – Grundlagen
Weitere Einzelheiten zu den einzelnen Prozessortypen finden Sie auf den AMD Webseiten: 
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http://www.amd.com/de‐de/products/processors/desktop/fx# http://www.amd.com/de‐de/products/processors/desktop/athlon‐cpu# http://www.amd.com/de‐de/products/processors/desktop/a‐series‐apu# http://www.amd.com/de‐de/products/processors/desktop/athlon# http://www.amd.com/de‐de/products/processors/desktop/sempron# Wraith Cooler und verbesserte Boxed Cooler Neu ist auch die Verfügbarkeit eines verbesserten Kühlsystems, welches mit einigen der „Processor‐In‐a‐Box“‐
Produkten (CPU und passender Lüfter werden gemeinsam geliefert) angeboten werden. Vorteil des neuen Lüftertyps ist der besonders leise Lauf und die deutlich verbesserte Kühlleistung. Wraith Cooler‐Verfügbarkeit:  FX 8370  FX 8350  FX 6350  A10‐7890K APU Ein Produktvideo zum neuen AMD‐Wraith Cooler und weitere Informationen können unter der nachfolgenden URL abgerufen werden:  http://www.amd.com/en‐us/innovations/software‐technologies/cpu‐cooler‐solution Die Produktmerkmale der ebenfalls verbesserten Standardlüfter, die nicht mit dem Wraith Cooler geliefert wer‐
den, sind unter der gleichnamigen URL verfügbar. Ein Leistungsvergleich des Wraith Cooler mit dem „alten“ Boxed Lüfter und einem Konkurrenzprodukt findet man auf der Webseite von tom´sHARDWARE:  http://www.tomshardware.de/amd‐wraith‐cpu‐kuhler‐cooler‐vergleichsmessung‐macho‐rev.b,testberichte‐
242033.html AMD‐Prozessoren für Mobilgeräte Auch im Bereich der mobilen Prozessoren setzt AMD auf die aus dem Desktop‐Segment bekannten Modell‐
bezeichnungen. Allerdings sind diese im Vergleich leistungsschwächer, benötigen aber auch deutlich weniger Energie und bringen stets einen internen Grafikadapter mit. Bezeichnung Grafik Leistung Kerne Taktfrequenz FX 9830P R7 25–45 W 4 3,7 / 3,0 GHz FX 9800P R7 12–15 W 4 3,6 / 2,7 GHz A12 9730P R7 25–45 W 4 3,5 / 2,8 GHz A12 9700P R7 12–15 W 4 3,4 / 2,5 GHz A10 9630P R5 25–45 W 4 3,3 / 2,6 GHz A10 9600P R5 12–15 W 4 3,3 / 2,4 GHz A9 9410 R5 10–25 W 2 3,5 / 2,9 GHz A6 9210 R4 10–15 W 2 2,8 / 2,4 GHz E2 9010 R2 10–15 W 2 2,2 / 2,0 GHz 38 © HERDT‐Verlag
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Prozessor (CPU) AMD‐Prozessoren für Server Auch im Bereich Server‐CPU bleibt es bei AMD bei der bewährten Bezeichnung Opteron. Allerdings bietet AMD unterschiedliche Modellreihen innerhalb der Opteron‐Serie an:  AMD Opteron 3000 / 4000 / 6000  AMD Opteron‐X‐Series Bezeichnung Kerne Geschwindigkeit (Turbo) L3‐Cache TDP 6300er Reihe 4–16 1,8–3,5 (2,8–3,5) GHz 16 MB 85–140 W 4300er Reihe 4–8 2,2–3,5 (3,0–3,8) GHz 8 MB 35–95 W 3300er Reihe 4–8 1,9–2,8 (2,5–3,8) GHz 8 MB 25–65 W Detailseite Opteron‐6000er‐Serie: http://www.amd.com/de‐de/products/server/opteron/6000/6300# Detailseite Opteron‐4000er‐Serie: http://www.amd.com/de‐de/products/server/opteron/4000/4300# Detailseite Opteron‐3000er‐Serie: http://www.amd.com/de‐de/products/server/opteron/3000/3300# Die Opteron‐X‐Serie verbindet Servertechnologie mit einer integrierten Grafiklösung: Bezeichnung Kerne X2150 4 Detailseite Opteron‐X‐Serie: Geschwindigkeit L3‐Cache TDP 1,1 – 1,9 GHz ‐ 11–22 W http://www.amd.com/de‐de/products/server/opteron‐x/x2150 3.8
Prozessorkühlung Abwärme bei Prozessoren Der etwa fingernagelgroße Siliziumchip (Die) wird auf einer keramischen (CPGA), organischen (OPGA) oder kunst‐
stoffbasierten Trägerplatte (PPGA) befestigt, an deren Unterseite sich eine Anzahl von Kontakten für Daten‐, Steuer‐ und Versorgungsleitungen befindet. Diese Kontakte können in Form von herausstehenden Beinchen (Pin Grid Array, PGA), als Kugelgitter (Ball Grid Array, BGA) oder als Kontaktflächen‐Feld (Land Grid Array, LGA) ausgeführt sein. Durch die enorme Abwärme, die die modernen hochgetakteten Prozessoren erzeugen, und als Schutz vor mechanischen Beschädigungen wird das Die häufig mit einer Aluminium‐ oder Kupferplatte (Heatspreader) abgedeckt. CPUs dürfen eine bestimmte Betriebstemperatur (60–100 °C) nicht überschreiten, da es sonst zu Fehlfunktionen (Abstürzen) und in extremen Fällen (ab 125–135 °C) zur Zerstörung des Chips kommt. Häufige Überhitzung des Chips führt auch zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer der CPU. Thermal Design Power (TDP) Die TDP wird vom Hersteller bestimmt und legt damit fest, welche Menge an Abwärme die Kühlung bewältigen muss. Dabei wendet jeder Hersteller seine eigenen Methoden an. Die TDP deckt normalerweise zahlreiche Szenarien mit hoher Dauerbelastung ab. © HERDT‐Verlag 39 3
Prozessor (CPU) Lüfterlose Kühlung Der Wunsch nach leisen oder sogar absolut lautlosen PCs führte zur Entwicklung von lüfterlosen Kühlsystemen. CPUs mit einer TDP von bis zu 120 Watt lassen sich passiv kühlen, es muss jedoch eine stetige Wärmeableitung erfolgen. Dies erreicht man durch einen permanenten Luftstrom durch das Gehäuse oder den Einsatz auf‐
wendiger Heatpipe‐Systeme, die die Wärme zu großflächigen Kühlkörpern transportieren. Wasserkühlung des Prozessors Als Alternative zur Luftkühlung werden Wasserkühlungen angeboten. Diese finden bei extrem leistungsstarken Computern Verwendung (z. B. AMD‐FX‐Prozessor, vgl. Abschnitt 3.2) oder wenn das System übertaktet werden soll (Overclocking). Dabei wird die Taktfrequenz der CPU oder der Grafikkarte z.T. erheblich angehoben. Dies führt zwar zu Leistungssteigerungen, erhöht aber auch überproportional die Wärmeentwicklung. Ab einer gewissen Grenze kann Luftkühlung die Überhitzung der CPU nicht mehr verhindern. Bei der Wasserkühlung führt ein Wasserkreislauf die Abwärme aus Prozessor, Chipsatz und Grafikprozessor ab. Das erwärmte Wasser durchläuft einen Radiator und wird dort mithilfe eines Lüfters wieder abgekühlt. Der große Vorteil ist die überlegene Wärmeleitfähigkeit von Wasser im Vergleich zu Luft. So kann theoretisch mehr Abwär‐
me effektiv aus dem Gehäuse abgeführt werden. Trotz Wasserkühlung ist der PC weiterhin auf einen konstanten Luftstrom im Gehäuse angewiesen, weil sonst andere Bauteile (Festplatte, Speicher) zu heiß werden können. Eine Wasserkühlung ist zwar aufwendiger zu warten und teurer, kann aber leistungsfähiger oder leiser sein als Luft‐
kühlung. Sie ist nicht zuletzt wegen der auffälligen Optik bei Case‐Modding‐Fans sehr beliebt. 3.9
Übung Fragen zu Prozessoren Übungsdatei: ‐‐ Ergebnisdatei: Uebung03‐E.pdf 1. Welche Komponenten umfasst der Von‐Neumann‐Rechner? 2. Welche Aufgaben erledigt die ALU? 3. Wie wird die Geschwindigkeit einer CPU angegeben? 4. Wie kann die Leistungsfähigkeit eines Mikroprozessors beurteilt werden? 5. Worin besteht der Unterschied zwischen einem RISC‐ und einem CISC‐Prozessor? 6. Was versteht man unter Hyper‐Threading? © HERDT‐Verlag 41 Impressum
Matchcode: PCT
Autor: Karsten Bratvogel
Redaktion: Andrea Weikert
Produziert im HERDT-Digitaldruck
7. Ausgabe, September 2016
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Am Kümmerling 21-25
55294 Bodenheim
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