02-03-2024, 13:42
Ich möchte einige Einblicke darüber teilen, wie Dynamic Voltage and Frequency Scaling, oder DVFS, wirklich in modernen CPUs funktioniert, insbesondere wie es die Energieverwendung optimiert. Wenn ihr bemerkt habt, dass CPUs in neuen Laptops und Desktop-Computern leichte Aufgaben erledigen können, ohne eine Menge Strom zu verbrauchen, ist DVFS ein großer Grund, warum das möglich ist.
Ihr wisst, wenn ihr euren Laptop nur zum Surfen im Internet oder zum Überprüfen von E-Mails verwendet, heizt er sich nicht so auf wie beim Spielen oder Ausführen schwerer Software, richtig? Das liegt daran, dass der Prozessor seine Leistung herunterskaliert, wenn er sich nicht anstrengen muss, und genau hier kommt DVFS ins Spiel. Es ermöglicht eurer CPU, ihre Spannung und Frequenz entsprechend der Last anzupassen, die sie gerade bewältigt. Je geringer die Last, desto niedriger die Frequenz und Spannung, was weniger Stromverbrauch und weniger Wärmeentwicklung bedeutet.
Lassen wir uns anschauen, wie das tatsächlich funktioniert. Denkt an jeden Kern eurer CPU wie an einen Auto-Motor. Wenn ihr an einer Ampel steht, müsst ihr den Motor nicht aufheulen lassen; er läuft einfach bei niedrigen Umdrehungen. Wenn ihr jedoch beschleunigt, benötigt ihr diese Leistung, also muss der Motor hochdrehen. In ähnlicher Weise muss eure CPU, wenn sie beschäftigt ist, Aufgaben wie das Verarbeiten von Daten aus einem Spiel oder das Rendern eines Videos auszuführen, bei einer höheren Frequenz und Spannung arbeiten, um die notwendige Leistung bereitzustellen. Das ist clevere Ingenieurskunst, die den Energieverbrauch im Zaum hält.
Ich habe viel Zeit damit verbracht, spezifische Prozessoren zu betrachten, wie Intels 12. Generation Alder Lake CPUs oder AMDs Ryzen 5000-Serie. Diese CPUs sind mit ihren eigenen Formen von DVFS ausgestattet, die in das Design integriert sind. Mithilfe dieser Technologien können sie sich automatisch basierend auf der verarbeiteten Arbeitslast anpassen. Ihr könnt auf einem Ryzen 9 5900X spielen, und er könnte während der Spitzennutzung auf etwa 4,8 GHz hochfahren. Aber wenn ihr nur im Internet surft oder streamt, kann er auf 2,0 GHz oder sogar noch niedriger heruntergehen. Das ist nicht nur großartig für die Batterielebensdauer in Laptops; es minimiert auch die gesamte Stromrechnung, wenn ihr leistungsintensive Desktop-Computer betreibt.
Was faszinierend ist, ist der Regelmechanismus dahinter. Es gibt mehrere verschiedene Methoden zur Implementierung von DVFS, und ich würde sagen, der gebräuchlichste Ansatz erfolgt über Software-Algorithmen, die über der Hardware-Ebene angesiedelt sind. Diese Algorithmen überwachen ständig die Nutzung der CPU und nehmen dann Echtzeitanpassungen vor. Sie können Informationen von verschiedenen Sensoren abrufen, die die Leistung und Temperatur der CPU messen, sodass die CPU, wenn sie heiß wird, eine kleinere Spannung oder Frequenz ansetzen kann. Dieser Echtzeit-Feedback-Loop ist entscheidend; er ermöglicht es der CPU, auf unmittelbare Änderungen der Arbeitslast zu reagieren.
Wenn wir über Energiemanagement-Techniken sprechen, werfen wir einen Blick auf die Thermal Design Power, oder TDP, die definiert, wie viel Wärme eine CPU unter typischer Last erzeugt. DVFS ermöglicht es euch, diese TDP effektiver zu steuern. Nehmen wir Intels i9-12900K als Beispiel. Wenn die CPU sich selbst kühlt, indem sie ihre Frequenz und Spannung reduziert, kann sie unter ihrer TDP arbeiten, während sie dennoch effizient bei leichten Arbeitslasten arbeitet. Beim Spielen oder bei intensiven Aufgaben werdet ihr feststellen, dass die CPU sich näher an ihre TDP anpasst, ohne sie zwangsläufig zu überschreiten, und dabei das Gleichgewicht zwischen Leistung und thermischer Regulierung aufrechterhält.
Es geht nicht nur darum, das Stromniveau zu senken. Manchmal, wenn ihr intensive Verarbeitung durchführt, wie das Kompilieren von Code oder das Rendern mit Adobe Premiere Pro, möchtet ihr vielleicht die Geschwindigkeit anstelle der Energieeffizienz. Hier glänzt DVFS erneut. Es ermöglicht euch, die Leistung bedarfsgerecht temporär zu steigern, und das könnt ihr bei Chips sehen, die sich selbst übertakten können.
Moderne CPUs beinhalten auch zusätzliche Funktionen wie Turbo Boost in Intels Reihe oder Precision Boost in AMDs. Diese Funktionen stimmen mit DVFS überein und ermöglichen der CPU, ihre Frequenz über die Basisfrequenz hinaus zu erhöhen, wenn sie erkennt, dass thermischer Spielraum verfügbar ist. Ich habe bemerkt, dass ich beim Ausführen von Benchmarks oder Stresstests sehe, wie diese CPUs ganz dramatisch in der Frequenz springen. Es kann aufregend sein, das zu beobachten, besonders wenn ihr seht, dass die CPU-Geschwindigkeiten regelmäßig 5 GHz überschreiten.
Die Auswirkungen von DVFS gehen über Leistung und Energieeinsparungen hinaus. Zum Beispiel, wenn ich einige hochleistungsfähige Anwendungen starte, bemerke ich, dass die Lüfter in meinem Laptop ihre Geräusch- und Geschwindigkeitsstufen erhöhen. Aber mit DVFS bekomme ich weniger von diesem intensiven Lüftergeräusch, da es in der Lage ist, die CPU durch effektives Drosseln kühler zu halten.
Ihr fragt euch vielleicht, ob sich das alles ein wenig komplex anhört, und bis zu einem gewissen Grad ist es das auch. Die BIOS der Hersteller und spezifische Betriebssysteme spielen eine bedeutende Rolle dabei, wie effektiv DVFS sein kann. Zum Beispiel hat Windows seine eigenen integrierten Energieverwaltungseinstellungen, die mit diesen Prozessor-Technologien interagieren. Wenn ich die Energieeinstellungen in Windows von "Ausgewogen" auf "Hohe Leistung" umstelle, sage ich tatsächlich dem Betriebssystem, dass es jegliches Drosseln minimieren soll, es sei denn, es ist absolut notwendig aus thermischen Gründen.
Und dann haben wir Notebooks und schlanke Geräte, bei denen die Energieeffizienz noch kritischer ist. Was sehen wir in Geräten wie dem MacBook Air mit Apples M1-Chip? Es verwendet eine fortschrittliche Form von DVFS, die für diese spezifischen ARM-Prozessoren optimiert ist, sodass es weniger Strom verbrauchen kann und gleichzeitig beeindruckende Leistung bietet. Wenn es Aufgaben wie das Video-Editing ausführt, kann es vorübergehend höhere Frequenzen und Spannungen einsetzen, aber wenn ihr nur in Pages tippt, schaltet es wieder zurück, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Apple hat hier wirklich den Nagel auf den Kopf getroffen und gezeigt, wie DVFS als wesentlicher Bestandteil der gesamten Energiemanagementstrategie angesehen werden kann.
In technologieorientierten Diskussionen hört ihr vielleicht von aufkommenden Methoden zur Skalierung von Spannungen und Frequenzen, wie maschinelles Lernen-gestützte Ansätze. Ich denke, wir kratzen nur an der Oberfläche davon. Stellt euch ein Szenario vor, in dem eure CPU tatsächlich eure Nutzungsgewohnheiten lernen und proaktiv anpassen könnte, ohne auf eine Aufgabe zu warten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DVFS eine Kombination aus Hardware und intelligenter Software ist, die bestimmt, wie moderne CPUs Leistung und Energieverwaltung handhaben. Ihr seht es sowohl in alltäglichen Anwendungen als auch bei fortgeschrittenen Rechenaufgaben, während gleichzeitig die Batterielebensdauer optimiert oder die Auswirkungen auf eure Stromrechnung reduziert werden. Es geht nicht mehr nur um rohe Leistung - es geht um Effizienz und intelligentes Management, und ich denke, das ist die Zukunft des Rechnens. Für euch und mich bietet es Optionen und Flexibilität, ohne die Leistung zu opfern, die wir von unseren Geräten erwarten.
Ihr wisst, wenn ihr euren Laptop nur zum Surfen im Internet oder zum Überprüfen von E-Mails verwendet, heizt er sich nicht so auf wie beim Spielen oder Ausführen schwerer Software, richtig? Das liegt daran, dass der Prozessor seine Leistung herunterskaliert, wenn er sich nicht anstrengen muss, und genau hier kommt DVFS ins Spiel. Es ermöglicht eurer CPU, ihre Spannung und Frequenz entsprechend der Last anzupassen, die sie gerade bewältigt. Je geringer die Last, desto niedriger die Frequenz und Spannung, was weniger Stromverbrauch und weniger Wärmeentwicklung bedeutet.
Lassen wir uns anschauen, wie das tatsächlich funktioniert. Denkt an jeden Kern eurer CPU wie an einen Auto-Motor. Wenn ihr an einer Ampel steht, müsst ihr den Motor nicht aufheulen lassen; er läuft einfach bei niedrigen Umdrehungen. Wenn ihr jedoch beschleunigt, benötigt ihr diese Leistung, also muss der Motor hochdrehen. In ähnlicher Weise muss eure CPU, wenn sie beschäftigt ist, Aufgaben wie das Verarbeiten von Daten aus einem Spiel oder das Rendern eines Videos auszuführen, bei einer höheren Frequenz und Spannung arbeiten, um die notwendige Leistung bereitzustellen. Das ist clevere Ingenieurskunst, die den Energieverbrauch im Zaum hält.
Ich habe viel Zeit damit verbracht, spezifische Prozessoren zu betrachten, wie Intels 12. Generation Alder Lake CPUs oder AMDs Ryzen 5000-Serie. Diese CPUs sind mit ihren eigenen Formen von DVFS ausgestattet, die in das Design integriert sind. Mithilfe dieser Technologien können sie sich automatisch basierend auf der verarbeiteten Arbeitslast anpassen. Ihr könnt auf einem Ryzen 9 5900X spielen, und er könnte während der Spitzennutzung auf etwa 4,8 GHz hochfahren. Aber wenn ihr nur im Internet surft oder streamt, kann er auf 2,0 GHz oder sogar noch niedriger heruntergehen. Das ist nicht nur großartig für die Batterielebensdauer in Laptops; es minimiert auch die gesamte Stromrechnung, wenn ihr leistungsintensive Desktop-Computer betreibt.
Was faszinierend ist, ist der Regelmechanismus dahinter. Es gibt mehrere verschiedene Methoden zur Implementierung von DVFS, und ich würde sagen, der gebräuchlichste Ansatz erfolgt über Software-Algorithmen, die über der Hardware-Ebene angesiedelt sind. Diese Algorithmen überwachen ständig die Nutzung der CPU und nehmen dann Echtzeitanpassungen vor. Sie können Informationen von verschiedenen Sensoren abrufen, die die Leistung und Temperatur der CPU messen, sodass die CPU, wenn sie heiß wird, eine kleinere Spannung oder Frequenz ansetzen kann. Dieser Echtzeit-Feedback-Loop ist entscheidend; er ermöglicht es der CPU, auf unmittelbare Änderungen der Arbeitslast zu reagieren.
Wenn wir über Energiemanagement-Techniken sprechen, werfen wir einen Blick auf die Thermal Design Power, oder TDP, die definiert, wie viel Wärme eine CPU unter typischer Last erzeugt. DVFS ermöglicht es euch, diese TDP effektiver zu steuern. Nehmen wir Intels i9-12900K als Beispiel. Wenn die CPU sich selbst kühlt, indem sie ihre Frequenz und Spannung reduziert, kann sie unter ihrer TDP arbeiten, während sie dennoch effizient bei leichten Arbeitslasten arbeitet. Beim Spielen oder bei intensiven Aufgaben werdet ihr feststellen, dass die CPU sich näher an ihre TDP anpasst, ohne sie zwangsläufig zu überschreiten, und dabei das Gleichgewicht zwischen Leistung und thermischer Regulierung aufrechterhält.
Es geht nicht nur darum, das Stromniveau zu senken. Manchmal, wenn ihr intensive Verarbeitung durchführt, wie das Kompilieren von Code oder das Rendern mit Adobe Premiere Pro, möchtet ihr vielleicht die Geschwindigkeit anstelle der Energieeffizienz. Hier glänzt DVFS erneut. Es ermöglicht euch, die Leistung bedarfsgerecht temporär zu steigern, und das könnt ihr bei Chips sehen, die sich selbst übertakten können.
Moderne CPUs beinhalten auch zusätzliche Funktionen wie Turbo Boost in Intels Reihe oder Precision Boost in AMDs. Diese Funktionen stimmen mit DVFS überein und ermöglichen der CPU, ihre Frequenz über die Basisfrequenz hinaus zu erhöhen, wenn sie erkennt, dass thermischer Spielraum verfügbar ist. Ich habe bemerkt, dass ich beim Ausführen von Benchmarks oder Stresstests sehe, wie diese CPUs ganz dramatisch in der Frequenz springen. Es kann aufregend sein, das zu beobachten, besonders wenn ihr seht, dass die CPU-Geschwindigkeiten regelmäßig 5 GHz überschreiten.
Die Auswirkungen von DVFS gehen über Leistung und Energieeinsparungen hinaus. Zum Beispiel, wenn ich einige hochleistungsfähige Anwendungen starte, bemerke ich, dass die Lüfter in meinem Laptop ihre Geräusch- und Geschwindigkeitsstufen erhöhen. Aber mit DVFS bekomme ich weniger von diesem intensiven Lüftergeräusch, da es in der Lage ist, die CPU durch effektives Drosseln kühler zu halten.
Ihr fragt euch vielleicht, ob sich das alles ein wenig komplex anhört, und bis zu einem gewissen Grad ist es das auch. Die BIOS der Hersteller und spezifische Betriebssysteme spielen eine bedeutende Rolle dabei, wie effektiv DVFS sein kann. Zum Beispiel hat Windows seine eigenen integrierten Energieverwaltungseinstellungen, die mit diesen Prozessor-Technologien interagieren. Wenn ich die Energieeinstellungen in Windows von "Ausgewogen" auf "Hohe Leistung" umstelle, sage ich tatsächlich dem Betriebssystem, dass es jegliches Drosseln minimieren soll, es sei denn, es ist absolut notwendig aus thermischen Gründen.
Und dann haben wir Notebooks und schlanke Geräte, bei denen die Energieeffizienz noch kritischer ist. Was sehen wir in Geräten wie dem MacBook Air mit Apples M1-Chip? Es verwendet eine fortschrittliche Form von DVFS, die für diese spezifischen ARM-Prozessoren optimiert ist, sodass es weniger Strom verbrauchen kann und gleichzeitig beeindruckende Leistung bietet. Wenn es Aufgaben wie das Video-Editing ausführt, kann es vorübergehend höhere Frequenzen und Spannungen einsetzen, aber wenn ihr nur in Pages tippt, schaltet es wieder zurück, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Apple hat hier wirklich den Nagel auf den Kopf getroffen und gezeigt, wie DVFS als wesentlicher Bestandteil der gesamten Energiemanagementstrategie angesehen werden kann.
In technologieorientierten Diskussionen hört ihr vielleicht von aufkommenden Methoden zur Skalierung von Spannungen und Frequenzen, wie maschinelles Lernen-gestützte Ansätze. Ich denke, wir kratzen nur an der Oberfläche davon. Stellt euch ein Szenario vor, in dem eure CPU tatsächlich eure Nutzungsgewohnheiten lernen und proaktiv anpassen könnte, ohne auf eine Aufgabe zu warten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DVFS eine Kombination aus Hardware und intelligenter Software ist, die bestimmt, wie moderne CPUs Leistung und Energieverwaltung handhaben. Ihr seht es sowohl in alltäglichen Anwendungen als auch bei fortgeschrittenen Rechenaufgaben, während gleichzeitig die Batterielebensdauer optimiert oder die Auswirkungen auf eure Stromrechnung reduziert werden. Es geht nicht mehr nur um rohe Leistung - es geht um Effizienz und intelligentes Management, und ich denke, das ist die Zukunft des Rechnens. Für euch und mich bietet es Optionen und Flexibilität, ohne die Leistung zu opfern, die wir von unseren Geräten erwarten.
