Gastkommentar: Quo vadis, Energie / Teil 2

Also: Vorwiderstand: Netzteilspannung
Kondensator: Akku
Lastwiderstand (Netbook): Verbraucher

So, was tut also der Tiefpaß? Er lädt und entlädt sich mit einer Geschwindigkeit, die davon abhängt, wie groß die Last und wie klein die Kapazität ist. Die Größe des Ladestroms ist natürlich auch entscheidend. Kleiner Akku, großer Rechner: Akku schnell leer, aber auch schnell wieder voll. Also ist eine hohe lade-entlade-Frequenz möglich.

Andersrum: großer Akku, kleiner Rechner, langsame Entladung, also eine niedrige Frequenz. Wenn ich jetzt in diesen großen Akku eine schnell wechselnde Spannung schicke, wird davon hinten nix ankommen, weil die große Kapazität zu träge ist, um der Wechselspannung zu folgen. Es kostet mich ja auch mehr Kraft ein Kettenkarussell zu beschleunigen, als eine Skateboardrolle. Oder gar die Drehrichtung umzukehren. Allerdings kann es auch sehr anstrengend sein, eine Skateboardrolle auf sehr hohe Geschwindigkeit zu bringen, sprich, ein System besitzt immer eine obere Grenzfrequenz, ab der die aufzubringende Energie überproportional ansteigt, um noch höhere Frequenzen durchzubringen. Hier sieht man mal den Frequenzgang eines Tiefpasses erster Ordnung, Exemplare höherer Ordnung zeichnen sich durch eine höhere Steilheit aus:

Man sieht: ab ungefähr F=50 steigt die Dämpfung, bei F=100 braucht man schon die doppelte Spannungsamplitude um am Ausgang wieder auf „0 dB“ zu kommen (jaja, nicht ganz sauber formuliert, reicht aber für unsere Überlegungen)

So, ich hoffe, dass die Elektroniker unter den Lesern noch ein wenig Farbe im Gesicht haben… und außerdem, worauf will der Knabe eigentlich hinaus?

Geduld, Geduld, wir habens gleich.

Wir erinnern uns an den Kondensator aus Teil I, man kann sagen, dass ein Kondensator immer entsteht wenn man an zwei leitende Schichten, zwischen denen ein Isolator liegt, eine Spannung anschließt, sich die eine Schicht mit Ladungsträgern füllt, auf der anderen Seite Ladungsträger abwandern. Schwupps, haben wir eine aufgeladene Kapazität. Sie steigt in etwa proportional mit der Fläche. Diejenigen unter euch , die gehofft haben, dass ich mich heute schon in den Tiefen des Chips verstricke, muß ich leider auf den dritten Teil vertrösten. Heute nehmen wir erstmal an, dass ein Chip einen R-C-Tiefpaß darstellt, was für heute reicht. In erster Linie besteht son Siliziummopped aus Schichten, die Energie speichern, also Kondensatoren, und Bahnwiderständen.

Manchmal liest man von Leuten, die ihren Arbeitsspeicher nicht mehr so hoch takten können, wenn sie zwecks Speicherausbau eine zweite Bank belegt haben. Nun ist so ein Speichercontroller ja auch eine Endstufe, die eine gewisse Schaltleistung bei einer gewissen Spannung zur Verfügung stellt. Addiere ich nun einen zweiten Tiefpaß, sprich Speicherriegel in mein System, erhöhen sich Widerstand und Kapazität meines sogenannten Übertragungssystems und die Grenzfrequenz verschiebt sich nach unten. Um wieder auf z.B. 1 GHz Takt zu kommen, muß ich also die Betriebsspannung anheben, damit mein Speicher wieder ordentlich den Unterschied zwischen „0“ und „1“ erkennt.

Zwischenfazit: je größer die Anzahl/Fläche von Chips, desto größer ihre Kapazität, desto niedriger die Arbeitsfrequenz, bei der Rechenleistung und Stomverbrauch in akzeptabler Relation stehen. Das blöde ist halt, dass solche Effekte immer Überproportionalen Charakter haben, wegen P=U²/R ( die kleine „2“ ist in der Formel der Bösewicht) .

Und zack!- schwebt mir da doch wieder eine Milchmädchenrechnung a la couleur vor:
Mal angenommen, der Atom wäre nicht in 45 sondern in 90 nm gefertigt worden, dann wäre ja seine Fläche in etwa 4 mal so groß. Diesen Faktor 4 würzen wir jetzt noch indem wir ihn quadrieren, in der Annahme, dass sich eine Flächenvergößerung im Quadrat auf die Leistungsaufnahme auswirkt und setzen die 2 Watt Leistungsaufnahme des Rechenzwergs ein. Wir landen bei 2Wx16=32 Watt, was für einen 90 nm-Prozessor mit der Transistorzahl erschreckend gut hinhaut… hanebüchen sagen die einen, besser ne schlechte Faustformel als gar nix die anderen.

Wenn wir diese (zugegeben sehr grobe) Annahme verwenden, ergeben sich für den Stromverbrauch hochfrequent schwingender Systeme folgende abschließende Thesen:

1.je kleiner die Fläche eines Chips, desto höher die theoretisch mögliche Arbeitsfrequenz
2.somit ist wiederum die Verlustleistung bei niedrigen Frequenzen kleiner
3.versuche ich, Systeme ans Limit zu schicken, komme ich früher oder später in einen Bereich, wo die Leistungsaufnahme in keiner Relation zum Mehrwert steigt.
4.wenn ich große Chips schrumpfe, werden sie weniger Verbrauchen
5.wenn ich Komponenten aufeinander abstimmen kann, sie sich sozusagen aufeinander einschwingen, kann ich die Verlustleistung reduzieren
6.je höher der Stromverbrauch einer Komponente ist, desto mehr sollte ein Hersteller anstreben, sie zu schrumpfen
7.wenn Prozessoren im bestmöglichen (kleinsten) Fertigungsprozeß hergestellt werden, sollte man andere Systemkomponenten hinzupacken, damit sie genauso schnell schrumpfen (so geschehen bei der Northbridge (Speichercontroller), oder bei SoCs)
8.Komplettplattformanbieter könnten durch Power Management schon in der Designphase einen Wettbewerbsvorteil erlangen.

So stellt Intel sich das vor:

Jaja, hamwa wieder was gelernt, über viele Sachen hatte ich mir vorm Schreiben dieses Artikels auch noch nicht so explizit Gedanken gemacht…

Letztenendes ist es eine Frage der Zeit, bis wir die ersten Feingetunedten Plattformen sehen werden, das Umdenken bei den Chipherstellern hat gerade erst begonnen. Der Prozessor ist nicht mehr zwangsläufig Energieverbraucher Nummer eins, nun muß das Drumherum genauer unter die Lupe genommen werden. Bei einem Netbook zählt schließlich jedes Watt, und Systeme bei denen die Northbridge 10 mal mehr Leistung zieht als der Prozessor selber will ich nicht mehr sehen!

Was steht noch auf der Agenda? Ach ja, das Display als „Großverbraucher“ sollte ich mir auf jeden Fall noch vornehmen, und wenn meine Recherchen so weiter gehen, kann ich euch endlich auf die Reise in einen Chip mitnehmen. Soviel sei an dieser Stelle verraten, es ist schon fast ein Paralleluniversum, in das wir uns hinabbegeben, wir werden feststellen, dass Einstein doch recht hatte, und manche Dinge eben doch dem Zufall überlassen sind. Heute werden wir den Weg nicht zu Ende gehen, aber wir haben ihn schon mal ein wenig platt getrampelt. Ich sag mal unter Vorbehalt:
„Bis nächste Woche!“.

Euer Milchmädchen