Intel Pentium 4 570J - Das E0-Stepping für den Prescott - StromverbrauchundLeakage-Probleme

Intel hat im Moment zwei Prescott-Versionen im Programm - eine Variante mit 84W Abwärme und eine Variante mit 115W Abwärme. Bislang gehörten die 3,4 und 3,6 GHz Prescott-Prozessoren zu den heissen 115W-Modellen mit einem sogenannten "Platform Requirement Bit "1" (PRB=1) und die Modelle darunter zur "Sparfraktion" mit 84W Abwärme (Platform Requirement Bit "0" oder PRB=0). Einen Unterschied gibt es bei diesen beiden Modellen in der Strom-/Spannungs-Kennlinie. Die PRB=1-Modelle verwenden die B-Kennlinie mit maximal 119 Ampere und ziehen auch im unbelasteten Zustand bereits sehr viel Leistung. Die Modelle mit PRB=0 begnügen sich mit der Kennlinie A und insgesamt 78 Ampere. Unterschieden werden diese Modelle in der Platform Compatability Guide 04A:

To reduce confusion in proper motherboard selection, Intel has created a compatibility naming convention called, “Platform Compatibility Guide.” “04B,” and “04A,” will be the first Platform Compatibility Guides to be introduced. (Future specifications will use similar Platform Capability Guides where the first two digits represent the year the Guide is introduced and the 3rd digit stands for the market segment. “A,” applies to processors that fall in the Mainstream 2, 1 and Value market segments; where “B,” applies to processors that fall in the Performance and Mainstream 3 market segments. [Quelle]

Dieses Platform Requirement Bit nutzen übrigens einige Mainboardhersteller, um den 14er-Multiplikator zu ermöglichen. Dem Prozessor wird vorgegaukelt, das Mainboard kommt nicht mit 115 Watt zurecht, somit schalten die PRB=1-Prozessoren auf PRB=0 herunter und setzen den Multiplikator von dem hohen Wert auf 14x herunter, um mit maximal 84 Watt zu arbeiten. Ein kleiner Trick, der nun fürs Overclocking ausgelegt wird, aber von Intel als Schutzmechanismus für schwach designte Boards gedacht war.

Bislang hatten wir im D0-Stepping eine klare Unterscheidung: Über 3,4 GHz waren die Modelle mit 115W ausgezeichnet, unter 3,2 GHz mit 84W. Mit dem E0-Stepping ist nun auch ein Pentium 4 550 mit 3,4 GHz und 84W erhältlich, hinzu kommt ein Pentium 4 570J aus diesem Test mit eben 115W:

Leistungsaufnahme (TDP in Watt) Intel Pentium 4 570J (3,8 GHz, E0) 115 Intel Pentium 4 560J (3,6 GHz, E0) 115 Intel Pentium 4 560 (3,6 GHz, D0) 115 Intel Pentium 4 550 (3,4 GHz, D0) 115 Intel Pentium 4 EE 3,46 GHz (S775) 110,7 Intel Pentium 4 EE 3,4 GHz (S775) 109,6 AMD Athlon 64 FX-55 104 Intel Pentium 4 3.4 GHz E Precsott (C0, S478) 103 Intel Pentium 4 3.2 GHz E Prescott (C0, S478) 103 Intel Pentium 4 EE 3.4 GHz (W0) 102,9 Intel Pentium 4 EE 3.2 Ghz (W0) 94 Intel Pentium 4 3.0 GHz E Prescott (C0, S478) 89 Intel Pentium 4 2.8 GHz E Prescott (C0, S478) 89 Intel Pentium 4 3.4 GHz Northwood 89 AMD Opteron u. Athlon 64 84,7 Intel Pentium 4 550J (3,4 GHz, E0) 84,7 Intel Pentium 4 540-520 (3,2 - 2,8 GHz, E0/D0) 84,7

Der 3,4 GHz-Prescott im E0-Stepping dürfte demnach wirklich sehr interessant sein - er hat eine geringere TDP von 84W, besitzt auch die Stromspar-Features und das Execute-Disable Feature und hat ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis, sodass er sich ziemlich in der Mitte des aktuellen Produktfeldes befindet.

Die Frage ist aber, warum Intel mit dem Prescott eine so hohe Abwärme in Kauf nehmen muss, obwohl die 90nm-Strukturen doch eigentlich etwas Anderes versprachen. Das Problem liegt hier in der Leakage, die wir uns etwas genauer ansehen wollen. Die beiden wichtigsten Arten der Leakage sind heute:

• Sub-Threshold Leakage

Die Sub-Threshold Leakage entsteht durch den schwindenden Einfluss des Gates auf den darunter liegenden Isolator. Die Strukturen sind hier derartig klein, dass Elektronen durch untere Regionen des eigentlichen Isolator fließen. Intel entwickelt für dieses Problem unter anderem TriGate-Transistoren, die drei Gates haben und die somit den Einfluss auf den Isolator so erhöhen können, dass zwischen Source und Drain nur noch Elektronen fließen, wenn der Transistor tatsächlich schaltet. Weiterhin kann versucht werden, andere Isolatoren zu verwenden oder den Einfluß des Gates in sonstiger Weise zu erhöhen. Aktuell ist die Sub-Threshold-Leakage das größere Problem.

• Gate Leakage

  Die Sub-Threshold Leakage beschreibt eine Leakage, die durch eine zu geringe Gate-Länge entsteht. Auch hier fließen in ungünstigen Situationen Elektronen durch die Sperrschicht auf dem Isolator, obwohl dies nicht gewollt ist. Beim 90nm-Prozess ist dies entstanden, da Intel die Gate-Länge verringert hat und die Gate Oxidschicht nur noch 1,2 nm beträgt. Durch diese nur noch fünf Atomlagen ist es wahrscheinlich, dass Elektronen fließen können. Für den 65nm-Prozess hat Intel deshalb geplant, die Gate-Oxidschicht konstant zu belassen und die Gate-Länge auf 35 nm zu verringern. In diesem Fall soll die Leakage in diesem Fall um 20% reduziert werden können.

  Weiterhin helfen bei der Vermeidung der Leakage auch neue Fertigungstechniken wie high-K Dielectrics, welches die Leaktage im Vergleich zu klassischer SiO2-Transistoren ebenfalls deutlich positiv beeinflussen kann. Auch wenn die Gate-Leakage heute noch nicht das Hauptproblem ist, wird sich diese Leakage in Zukunft zum Problem entwickeln.

Für die Abwärme eines Prozessors ist dabei die Leakage ganz beachtlich mitverantwortlich, wie man aus der von uns bereits genannten Formel erkennen kann. Die Leakage steigt jedoch auch exponentiell mit der Spannung des Prozessors - aus diesem Grund ist die dynamische VID hier sehr hilfreich, die Leakage in Ruhephasen des Prozessors zu minimieren und den Stromverbrauch deutlich zurückzufahren.

Für die kommende 65nm-Technik will Intel noch weitere Ideen verwirklichen, beispielsweise Sleep Transistors. Über einen Schaltmechanismus können dabei nicht verwendete SRAM-Cache-Blöcke komplett deaktiviert werden. Deaktivierte Transistoren haben gar keine Leakage - und somit lässt sich hier ähnlich wie bei der Abschaltung der Caches des Pentium M sehr viel Strom sparen. Im Bild unten sieht man den Effekt, aufgenommen mit einer Wärmebildkamera. Mit der Sleep-Transistor-Technologie werden inaktive Blocks komplett abgeschaltet und verbrauchen praktisch keinen Strom mehr.

Durch Klick auf das Bild gelangt man zu einer vergrößerten Ansicht

In der Praxis wird sich also bei Intel einiges tun, bislang kann man beim Prescott allerdings nur in kleinen Schritten Vorteile vermelden. Wie sich Enhanced Speed Step auf die Praxis auswirkt, zeigen wir auf der nächsten Seite.