Warum wird ein Prozessor unter Last warm?

[rumkugel]

Ich habe nun schon ziemlich oft gehört das Prozessoren unter Last wärmer werden als im Leerlauf und habe dies an meinem eigenen Prozeesor auch schon erfahren. Allerdings ist mir noch immer rätselhaft wieso. Soweit ich weiß ändert sich die an der Cpu anliegende Spannung mit steigender Auslastung nicht. Weil aber eine Erhitzung trotzdem stattfindet muss sich die Stromstärke vergrößern. Das wiederum ist nur durch einen sich verkleinernden Widerstand möglich weil ja die Spannung gleichbleibt. Also meine Frage: Wieso verändert sich der Widerstand eines Prozessors mit zunehmender Auslastung?

 

[GR-Thunderstorm]

Ich habe nun schon ziemlich oft gehört das Prozessoren unter Last wärmer werden als im Leerlauf und habe dies an meinem eigenen Prozeesor auch schon erfahren. Allerdings ist mir noch immer rätselhaft wieso. Soweit ich weiß ändert sich die an der Cpu anliegende Spannung mit steigender Auslastung nicht. Weil aber eine Erhitzung trotzdem stattfindet muss sich die Stromstärke vergrößern. Das wiederum ist nur durch einen sich verkleinernden Widerstand möglich weil ja die Spannung gleichbleibt. Also meine Frage: Wieso verändert sich der Widerstand eines Prozessors mit zunehmender Auslastung?

Jeder aktuelle CPU hat ne Stromspartechnik. Erst unter Last steigt also die Spannungsaufnahme. Vorrausgesetzt dass diese eingeschaltet ist...

Dazu lädst du dir am besten mal CPUz, damit kannste sowas auslesen.

Ich weiß es nicht genau aber noch ne Idee aus Halbwissen:
"Unverbrauchter" Strom fließt über die Erdung zurück in die Steckdose, falls das Mobo dem CPU mehr zuschickt als er wirklich braucht.
Der Verbrauch ist zwar messbar vorhanden, wird aber nicht wirklich ausgenutzt. Das ist auch die Idee hinter Cool'n'Quiet oder EIST: Im BIOS wird während des Betriebs die Spannung verändert, damit diese nicht sinnlos zum Prozessor wandert. Dazu noch wird er auf die Leistungszahl heruntergesetzt, die er auch wirklich nur benötigt.

 

[Pa1nk1LLa]

Ich habe nun schon ziemlich oft gehört das Prozessoren unter Last wärmer werden als im Leerlauf und habe dies an meinem eigenen Prozeesor auch schon erfahren. Allerdings ist mir noch immer rätselhaft wieso. Soweit ich weiß ändert sich die an der Cpu anliegende Spannung mit steigender Auslastung nicht. Weil aber eine Erhitzung trotzdem stattfindet muss sich die Stromstärke vergrößern. Das wiederum ist nur durch einen sich verkleinernden Widerstand möglich weil ja die Spannung gleichbleibt. Also meine Frage: Wieso verändert sich der Widerstand eines Prozessors mit zunehmender Auslastung?

Also... mein Elektro-/Prozesstechnik Lehrer hat das mal so erklärt (glaube ich): Computerchips wie die CPU etc. werden bei Last wärmer, da vermehrt 0 und 1 übertragen werden müssen. Das heißt Low Pegel (wenig Spannung) wechseln sich mit einem High Pegel (mehr Spannung) ab. Wenn von einem Zustand zum andere gewechselt wird so fließt genau in diesem Moment wo die Spannung absinkt/ansteigt mehr Strom was zu einer erhöhten Abwärme führt. Wieso das so ist hat er uns auch erklärt.. nur hab ichs vergessen. Ich hoffe ich hab kein Unsinn erzählt, ansonsten dürft ihr mich ruhig steinigen. Dass aktuelle CPUs eine Stromspartechnik haben erklärt aber nicht warum sich generell ICs (Schaltkreise etc.) erwärmen, denn die haben sowas nicht ^^. So wie alte CPUs auch keine Stromspartechnik haben und sich dennoch unter Last erwärmen.

 

[unpluged]

Ich habe nun schon ziemlich oft gehört das Prozessoren unter Last wärmer werden als im Leerlauf und habe dies an meinem eigenen Prozeesor auch schon erfahren. Allerdings ist mir noch immer rätselhaft wieso. Soweit ich weiß ändert sich die an der Cpu anliegende Spannung mit steigender Auslastung nicht. Weil aber eine Erhitzung trotzdem stattfindet muss sich die Stromstärke vergrößern. Das wiederum ist nur durch einen sich verkleinernden Widerstand möglich weil ja die Spannung gleichbleibt. Also meine Frage: Wieso verändert sich der Widerstand eines Prozessors mit zunehmender Auslastung?

Hmmm, Halbleiter (Transitoren,Dioden) haben eine Verlustleistung , bei durchfließendem Strom entsteht Wärme, im IDLE (Stromspar) Betrieb arbeiten die Register der CPU weniger , also auch weniger Abwärme.

Kommt es zu höheren Frequenzen oder Rechenbelastungen steigt die Abwärme.

Auch Halbleiter haben einen gewissen Innenwiderstand, je mehr Schaltkreise um so mehr Widerstand.

 

[IXS]

Auch Halbleiter haben einen gewissen Innenwiderstand, je mehr Schaltkreise um so mehr Widerstand.

Cool. Damit sind ja endlich die physikalischen so ausgerichtet, dass CPUs unendlich schnell werden können bei unendlich hohem Widerstand.

Bisher war es ja genau andersrum.

 

[IXS]

Also... mein Elektro-/Prozesstechnik Lehrer hat das mal so erklärt (glaube ich): Computerchips wie die CPU etc. werden bei Last wärmer, da vermehrt 0 und 1 übertragen werden müssen. Das heißt Low Pegel (wenig Spannung) wechseln sich mit einem High Pegel (mehr Spannung) ab. Wenn von einem Zustand zum andere gewechselt wird so fließt genau in diesem Moment wo die Spannung absinkt/ansteigt mehr Strom was zu einer erhöhten Abwärme führt. Wieso das so ist hat er uns auch erklärt.. nur hab ichs vergessen. Ich hoffe ich hab kein Unsinn erzählt, ansonsten dürft ihr mich ruhig steinigen. Dass aktuelle CPUs eine Stromspartechnik haben erklärt aber nicht warum sich generell ICs (Schaltkreise etc.) erwärmen, denn die haben sowas nicht ^^. So wie alte CPUs auch keine Stromspartechnik haben und sich dennoch unter Last erwärmen.

Hier beißen sich zwei grundlegende "Ideologien".
Zum Einen ist da die Elektrotechnik, die aufgrund gegebener physikalischer Vorgänge, durch fließenden Strom (Bewegung der Elektronen/Reibung auf Molekularbasis)) Wärme erzeugt.

Zum Anderen gibt es die Informatik, die eigentlich gar keine Energie benötigt, falls es irgendwann mal möglich wird, die Datenzustände "1" und "0" ohne physikalische Veränderung, nutzen zu können.

Da Daten eigentlich keine Energie benötigen, nennt man den elektrotechnischen Aufwand der Datenverarbeitung auch "Verlustleistung".

Es gibt da auch noch die Supraleiter, bei denen die Elektronen besser durch den Wust an Atomen geleitet werden, ohne ständig aneinander zu reiben, wodurch kaum Hitze entsteht und der Widerstand sehr gering wird ( ). Dann hat man zwar geringeren Strom- und Spannungs-Aufwand, aber die Herstellung und Kühlung der Leiter führt den Nutzen ad Absurdum.

 

[unpluged]

Auch Halbleiter haben einen gewissen Innenwiderstand, je mehr Schaltkreise um so mehr Widerstand.

Cool. Damit sind ja endlich die physikalischen so ausgerichtet, dass CPUs unendlich schnell werden können bei unendlich hohem Widerstand.

Bisher war es ja genau andersrum.

Ja es kommt eben drauf an in welchem Nanometerbereich produziert wird, irgendwann sind da mal die physikalischen Grenzen erreicht .

 

[ruyven_macaran]

Jeder aktuelle CPU hat ne Stromspartechnik. Erst unter Last steigt also die Spannungsaufnahme. Vorrausgesetzt dass diese eingeschaltet ist...

klappt auch mit cpus, die ohne last weder takt noch spannung senken.
um genau zu sein: dank meines hochwertigenpreisigen bords sinkt die spannung meiner cpu unter last sogar. (ein weiterer hinweis auf einen sinkenden wiederstand)

 

[struy]

klappt auch mit cpus, die ohne last weder takt noch spannung senken.
um genau zu sein: dank meines hochwertigenpreisigen bords sinkt die spannung meiner cpu unter last sogar. (ein weiterer hinweis auf einen sinkenden wiederstand)

Das deutet aber eher auf eine schlechte Stromversorgung hin.
Der Grossteil der Verlustleistung wird beim Schalten von dem einen Zustand in den anderen Zustand eines Transistorpaares (CMOS-Techonologie, Complementary Metal Oxide Semiconductor), in dem dann ganz kurz die Spannungsquelle mit der Erdung kurz geschlossen wird (ergo entsteht Wärme). Daneben gibt es noch Leckströme, die aber verlustleistungstechnisch zu vernachlässigen sind, nicht aber für die Ingenieure bei der Entwicklung.
Und je höher die Spannung ist, desto schneller kann ein Transistor schalten und desto grösser ist die Verlustleistung (bei gleicher Technologie versteht sich), das geht aber nicht in beliebig hohe Spannungen, irgendwann wird der Transistor durch die zu grosse Spannung zerstört.

 

[rumkugel]

Also... mein Elektro-/Prozesstechnik Lehrer hat das mal so erklärt (glaube ich): Computerchips wie die CPU etc. werden bei Last wärmer, da vermehrt 0 und 1 übertragen werden müssen. Das heißt Low Pegel (wenig Spannung) wechseln sich mit einem High Pegel (mehr Spannung) ab. Wenn von einem Zustand zum andere gewechselt wird so fließt genau in diesem Moment wo die Spannung absinkt/ansteigt mehr Strom was zu einer erhöhten Abwärme führt. Wieso das so ist hat er uns auch erklärt.. nur hab ichs vergessen. Ich hoffe ich hab kein Unsinn erzählt, ansonsten dürft ihr mich ruhig steinigen. Dass aktuelle CPUs eine Stromspartechnik haben erklärt aber nicht warum sich generell ICs (Schaltkreise etc.) erwärmen, denn die haben sowas nicht ^^. So wie alte CPUs auch keine Stromspartechnik haben und sich dennoch unter Last erwärmen.

Also warum fließt denn nun in diesem Moment wo die Spannung absinkt oder ansteigt mehr Strom? Eigentlich dürfte die Stromstärke doch nur dann zunehmen wenn auch die Spannung steigt und nicht auch wenn sie absinkt oder?
Wäre euch sehr dankbar wenn ihr eine Antwort hättet die ich verstehe^^.

 

[IXS]

Also warum fließt denn nun in diesem Moment wo die Spannung absinkt oder ansteigt mehr Strom? Eigentlich dürfte die Stromstärke doch nur dann zunehmen wenn auch die Spannung steigt und nicht auch wenn sie absinkt oder?
Wäre euch sehr dankbar wenn ihr eine Antwort hättet die ich verstehe^^.

Das hängt mit dem Innenwiderstand zusammen.
Nimm eine Glühlampe an einer Batterie. Du misst die Spannung der Batterie, da die Glühlampe einen relativ hohen Widerstand hat.

Miss die Spannung an zwei Stellen eines der Lampendrähte, wird dir ein Messegerät "0" Volt anzeigen, da ein Draht einen sehr geringen Widerstand hat.
Ist der Widerstand des Verbrauchers niedriger als der des Stromlieferers (Batterie, Akku) fällt die Spannung sehr schnell ab.
Ist der Widerstand höher, fällt die Spannung weniger ab.

Ein guter Spannungsregulator misst den Spannungsabfall/Spannungsanstieg und reagiert blitzschnell mit einer Spannungsanpassung.

 

[rumkugel]

[
Das hängt mit dem Innenwiderstand zusammen.
Nimm eine Glühlampe an einer Batterie. Du misst die Spannung der Batterie, da die Glühlampe einen relativ hohen Widerstand hat.

Miss die Spannung an zwei Stellen eines der Lampendrähte, wird dir ein Messegerät "0" Volt anzeigen, da ein Draht einen sehr geringen Widerstand hat.
Ist der Widerstand des Verbrauchers niedriger als der des Stromlieferers (Batterie, Akku) fällt die Spannung sehr schnell ab.
Ist der Widerstand höher, fällt die Spannung weniger ab.

Ein guter Spannungsregulator misst den Spannungsabfall/Spannungsanstieg und reagiert blitzschnell mit einer Spannungsanpassung.

Du meinst also das sich der Widerstand ändert? Das wussste ich ja schon vorher aber wieso tut er das? Ist es denn so, das in den nichtgenutzten Bereichen des Prozessors kein Strom fließt?

 

[Herbboy]

Du meinst also das sich der Widerstand ändert? Das wussste ich ja schon vorher aber wieso tut er das? Ist es denn so, das in den nichtgenutzten Bereichen des Prozessors kein Strom fließt?

ich kann es dir technisch nicht einwandfrei sagen, aber rein logisch gesehen ist es so, dass halt nur dann der strom 100% fließt, wenn es nötig, also wenn daten gesendet werden. es macht keinen sinn, dass die CPU ohne programmlast einfach trotzdem lautr nullen oder einsen sendet..

 

[struy]

ich kann es dir technisch nicht einwandfrei sagen, aber rein logisch gesehen ist es so, dass halt nur dann der strom 100% fließt, wenn es nötig, also wenn daten gesendet werden. es macht keinen sinn, dass die CPU ohne programmlast einfach trotzdem lautr nullen oder einsen sendet..

Irgendwie muss der Prozessor beschäftigt werden, und wenn es halt nur eine Endlosschleife ist ohne dass überhaupt etwas ausgeführt wird (z.B. while(1){}. Auch mit den Stromspartechnologien wird der Prozessor beschäftigt, aber halt so, dass weniger Wärme entsteht.

 

[N-Traxx]

Cool. Damit sind ja endlich die physikalischen so ausgerichtet, dass CPUs unendlich schnell werden können bei unendlich hohem Widerstand.

Naja dann müsste die ja nur noch die Lichtgeschwindigkeitsgrenze überschreiten

Zur wärme, die Spannung in einer CPU ist immer gleich auch in IDLE. Was sich ändert ist die Leistung (WATT), man vergleiche eine Glühbirne 40W und 150W beide habe die gleiche Spannung 220V aber die Leistung der 150W Birne ist größer deshalb sind die auch wärmer. Ich kann das auch nicht genau erklären. Es liegt auf jedenfall an der Stromleistung und nicht an der Spannung.

 

[rumkugel]

Irgendwie muss der Prozessor beschäftigt werden, und wenn es halt nur eine Endlosschleife ist ohne dass überhaupt etwas ausgeführt wird (z.B. while(1){}. Auch mit den Stromspartechnologien wird der Prozessor beschäftigt, aber halt so, dass weniger Wärme entsteht.

Warum muss der Prozessor immer beschäftigt werden? Kann er nicht einfach nichts machen? Und wie kann ein Prozessor so beschäftigt werden das weniger Wärme entsteht als wenn er etwas (sinnvolles) rechnet?

 

[unpluged]

Warum muss der Prozessor immer beschäftigt werden? Kann er nicht einfach nichts machen?

Es gibt doch den StandByModus ! Da "schläft" sozusagen das komplette System und es wird nur minimal Strom für einen Desktop PC verbraucht. Wacht dann auf Tastendruck auf.

Aber einen kompletten ausgeschalteten Zustand gibts da nicht, irgendeine Steuerung muß da immer aktiv bleiben ...

 

[flateric82]

Warum muss der Prozessor immer beschäftigt werden? Kann er nicht einfach nichts machen? Und wie kann ein Prozessor so beschäftigt werden das weniger Wärme entsteht als wenn er etwas (sinnvolles) rechnet?

Die CPU muss ja mindestens in regelmäßigen Abständen prüfen, ob es wieder was zu tun gibt. Wenn man sie komplett abschalten würde, könnte man sie nicht wieder "aufwecken". Es gibt auch unterschiedliche Standby Modi, aber in einem laufenden System, auch wenn man gerade nichts macht, passiert mehr als man meint. Es gehen ständig Interrupts von Ein/Ausgabegeräten, Hardware-Controllern, Systemuhr etc ein. Dass die CPU für ein paar Sekunden gar nichts macht gibt es im laufenden Betrieb nicht

 

[struy]

Warum muss der Prozessor immer beschäftigt werden? Kann er nicht einfach nichts machen? Und wie kann ein Prozessor so beschäftigt werden das weniger Wärme entsteht als wenn er etwas (sinnvolles) rechnet?

Wenn man den Prozessor in einen Schlafzustand versetzen würde, würde er trotzdem die ganze Zeit aufgeweckt werden, und bis der Prozessor dann bereit wäre, dauert es doch wieder einige Zyklen, was sich dann wahrscheinlich nicht lohnt. Aber genau weiss ich es nicht, weshalb der Prozessor keinen Sleep-Mode besitzt (abgesehen vom Stand-By, aber da liegt der Fall wieder anders). Ohne Sleep-Mode muss der Prozessor beschäftigt werden, da er sonst vielleicht irgend einen Scheiss ausgeben würde, was dann ein anderes Programm dann wieder falsch interpretieren würde und schlussendlich zum Absturz führen würde.
Die Wärme entsteht ja hauptsächlich durch das Schalten der Transistoren, also muss man schauen, dass möglichst wenige Transistoren geschaltet werden, wenn da nichts gemacht wird (also Idle). Eine Variante ist da einfach runtertakten, da werden dann halt einfach weniger Rechenschritte ausgeführt, was dann zu verminderter Leistungsaufnahme führt. Andererseits kann man dann auch mit der Spannung runter gehen; da ist dann der Transistor etwas langsamer, jedoch bei vermindertem Takt immer noch genug schnell. Was sonst noch alles an Mechanismen eingebaut sind (Abschalten gewisser Bereiche oder so) weiss ich jetzt nicht, ich habe selber noch nie einen Prozessor konstruiert .
Was bei meinem Athlon XP aber auch möglich ist, einen anderer Idle Prozess auszuführen (nennt sich CoolerXP, ein Tool von MSI), so dass halt einfach der Prozessor anders belastet wird (weniger Transistoren schalten) und somit auch weniger Abwärme entsteht. Und der Prozessor hat noch keinen Stromsparmodus, man kriegt aber anhand dieses Tools die Verlustleistung in Idle um 40-50 Watt runter (bei 72Watt max. Leistung laut Datenblatt).
Es gibt also einige Ansätze, um Strom zu sparen, bestimmt noch weitere, die ich selbst auch nicht kenne.

 

[ruyven_macaran]

Aber genau weiss ich es nicht, weshalb der Prozessor keinen Sleep-Mode besitzt (abgesehen vom Stand-By, aber da liegt der Fall wieder anders).

Was bei meinem Athlon XP aber auch möglich ist, einen anderer Idle Prozess auszuführen (nennt sich CoolerXP, ein Tool von MSI), so dass halt einfach der Prozessor anders belastet wird (weniger Transistoren schalten) und somit auch weniger Abwärme entsteht.

zum einen haben heutige (mobile)prozessoren diverse sleep-modi, in denen nach und nach erst die eigentliche recheneinheit, und dann die cache stufen (die ohne stromversorgung daten verlieren würden) abgeschaltet werden - bis zum extremfall suspend-to-ram/standby, in dem die cpu und alle onbordkomponenten komplett abgeschaltet und nur noch der ram mit strom versorgt wird - nachteil ist halt, dass es auch immer ein weilchen dauert, aus einem tieferen sleep-modus wieder "aufzuwachen", weil die ganzen daten erstmal wieder in die caches geladen werden müssen,...

wo du die tools aus athlon zeiten gerade erwähnst, fällts mir wieder ein:
ich glaube, es gibt tatsächlich einen "tue gar nichts" befehl, der so ~um die jahrtausendwende eingeführt wurde.
die funktion sollte eigentlich in windows integriert sein, wurde aber in verbindung mit athlon und athlonXP nicht richtig genutzt - diese tools schaften abhilfe und sparten damit einiges an strom ein.
heute sollte das standard sein/zum "leerlaufprozess" gehören und dafür sorgen, dass das rechenwerk der cpu ohne aufgabe nicht viel mehr strom verbraucht, als durch leckströme unvermeidbar ist.