Auf Sparflamme

Aktuelle Prozessoren von AMD und Intel verbrauchen mit bis zu 90 Watt fast so viel wie ein Fernseher. Bauen Sie dann noch viel RAM und eine hochgerüstete Grafikkarte in Ihren Rechner ein, müssen Sie sich über eine Gesamtleistung von 300 Watt und mehr nicht wundern.

Für welch gigantische Leistungsaufnahme heutige Privat-Computer ausgelegt sind, zeigt schon ein flüchtiger Blick in das Gehäuse: 200-Watt-Netzteile sind völlig aus der Mode gekommen, in neuen Rechnern finden Sie meist 350- oder gar 400-Watt-Netzteile. Schon die Leistungsdaten der zentralen PC-Komponenten fallen erschreckend aus: Ein AMD Athlon 64 3200+ mit 2 GHz Prozessortakt und 1 MByte Cache verbraucht laut Hersteller-Spezifikation [1] bereits 89 Watt. Hinzu kommen noch einmal bis zu 40 Watt, die das Mainboard mit den aufgelöteten Komponenten wie PCI-, South- und Northbridge benötigt.

Stromsparen per ACPI

Mit herkömmlichen Stromspar-Mechanismen wie Heruntertakten des Prozessors per ACPI oder Abschalten der Festplatte liegt der Stromverbrauch bereits spürbar niedriger als bei Volllast. Der grö§te Stromverbrauch geht allerdings auf die ständig steigenden Leckströme der Transistoren zurück: Mit jeder Verkleinerung der Chips wird die Isolation zwischen Emitter und Kollektor sowie der Basis immer dünner. Sie besteht bei aktuellen 90-Mikrometer-Prozessen nur noch aus wenigen Atomlagen.

Die Halbleiter-Hersteller reagieren auf dieses Problem mit der Entwicklung verbesserter Halbleiter-Materialien: Etwa durch Verwendung von Kupfer als Leiterbahnen innerhalb des Chips sowie Basismaterialien mit hohem Isolationsfaktor aus teuren Silizium-Germanium-, Silizium-Indium- oder gar Gallium-Arsenid-Legierungen.

Problem Leckströme

Besonders viele Transistoren sind für die Herstellung von RAM-Bausteinen erforderlich, für jedes einzelne Bit eines SRAMs benötigen die Ingenieure sechs Transistoren und einen Kondensator. In herkömmlicher Technik gefertigt, können solche Transistoren Leckströme von bis zu einem Nano-Ampere verursachen – bei 512 MByteyte RAM summieren sich die Verluste auf über 25 A. Entsprechend gro§ war das Interesse an der Powermanagement-Technik, die Texas Instruments auf dem VLSI-Symposium Mitte letzten Jahres vorstellte. Sie soll in Zukunft SRAM-Zellen mit nur 2 pA Leckstrom [2] ermöglichen.

Doch nicht nur die RAM-Bausteine enthalten Speicherzellen, auch jeder Prozessor arbeitet heute mit mehrstufigen Caches. So befinden sich in jedem Athlon-64-Kern (Abbildung 1) allein 1 MByte Level-2-Cache plus zwei mal 64 KByte Level-1-Cache für Daten und Befehle – das macht allein 56,6 Millionen Transistoren im Prozessor nur für die Caches.

Abbildung 1: Beim Athlon 64 belegt der Level-2-Cache (rechts, braun) fast zwei Drittel der Chip-Oberfläche, hinzu kommen noch die zwei Level-1-Caches rechts oben und rechts unten (grüne Rechtecke) im eigentlichen Rechenwerk (links).

Logischerweise hängt die Stärke der Leckströme unmittelbar von der am Transistor angelegten Spannung ab. Während bei einer logischen Null in einer Speicherzelle keine oder eine kaum nennenswerte Ladung an den sechs Transistoren des Bits anliegt, wird bei einer logischen Eins eine Spannung von mehreren Volt im Kondensator gespeichert, was den Leckstrom auf ein Vielfaches gegenüber der Null-Spannung steigert.

Leckströme und Verluste des Kondensators bauen innerhalb von wenigen Millisekunden die gespeicherte Ladung einer logischen Eins ab, weshalb die für die Speicheransteuerung zuständige Northbridge die Speicherinhalte mehrere tausend mal pro Sekunde auffrischen muss – wobei lediglich die gespeicherten logischen Einsen ins Gewicht fallen. Logische Nullen hingegen sind relativ "billig" zu speichern, da hier das Refreshing entfällt. Ein möglicher Ansatz zum Stromsparen besteht also darin, die Zahl der Einsen im Speicher zu verringern.