Nur Windows 10 beherrscht Speed Shifting

Mit Skylake bricht Intel mit einem seit sehr vielen Jahren gültigen Grundsatz: Das Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) und damit das Betriebssystem bestimmt, ob der Prozessor mit vollem Takt läuft oder mit niedrigeren Frequenzen. Der Chip selbst konnte bisher einzig den Turbo oberhalb der Nominalfrequenz selbst festlegen, weshalb hier deutlich schnellere Taktwechsel möglich sind. Unter Windows 10 übergibt das Betriebssystem nun fast vollständig die Kontrolle an den Prozessor, Intel nennt diese Skylake-exklusive Technologie Speed Shift.

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Details zur Skylake-Architektur (Bild: Intel)

In jedem halbwegs aktuellen Intel-Chip steckt eine PCU (Power Control Unit), die nahezu in Echtzeit die anliegenden Spannungen, die Taktraten, die Leckströme, die Temperatur und weitere Parameter prüft und, falls erforderlich, anpasst. Windows 10 gibt die PCU eine Energy Performance Preference vor, anhand der die Steuerungseinheit selbstständig die Frequenzen der CPU-Kerne regeln darf. Der Vorteil ist einleuchtend: Die Power Control Unit soll laut Intel in der Lage sein, in einer statt in 30 Millisekunden umzuschalten, wodurch die Geschwindigkeit und die Leistungsaufnahme des Prozessors viel feiner gesteuert werden.

Welche Frequenzen der Chip als maximalen Turbo und als garantierte Basisfrequenz unter Last anlegen darf, bestimmt bei den Mobile-Modellen der Notebook-Hersteller. Intel überlässt es wie gehabt den OEMs, eine Thermal Design Power samt Taktraten und ein Temperaturlimit festzulegen. Innerhalb dieses Spektrums gibt es für jeden Chip eine Frequenz, welche die höchste Effizienz aufweist - bei Skylake liegt diese Intel zufolge bei etwa 1 bis 1,5 GHz. Weniger Takt ist nicht zielführend, da eine gewisse Mindestspannung anliegen muss und diese Leckströme verursacht. Umgekehrt verhindert Speed Shift hohe Frequenzen, wenn die Grafikeinheit limitiert ist oder ein Video läuft.

Spezielle Algorithmen sollen solche Situationen erkennen und den Chip entsprechend drosseln oder besser gleich daran hindern, unnötig Energie durch steigende Taktraten ohne Leistungsgewinn zu verbrauchen. Unterm Strich verringert Speed Shift also den Strombedarf des Prozessors, senkt dessen Temperatur, verlängert die Akkulaufzeit und kann dennoch innerhalb kürzester Zeit aus dem Schlafzustand den Turbo anwerfen, wenn ein Programm es erfordert. Intel spricht von bis zu 20 Prozent mehr Geschwindigkeit und bis zu 20 Prozent eingesparter Energie, bei realer Nutzung statt in Benchmarks sollen die Unterschiede durch Speed Shift noch einmal besser ausfallen.

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Details zur Skylake-Architektur (Bild: Intel)

Für besonders sparsame Chips wie die Core M hat sich Intel zudem Duty Cycling ausgedacht: Diese Prozessoren sind in einem solch niedrigen TDP-Bereich (um die 5 Watt) angesiedelt, dass die Frequenz mit der höchsten Effizienz bei längerer Laufzeit die Kühllösung überfordert. Folgerichtig taktet Intel die Chips für einige Sekunden mit der Idealfrequenz, stoppt die Berechnung, schickt die CPU-Kerne kurz in den Schlafzustand, um sie abzukühlen und lässt sie dann weiterrechnen. Dieses Auf und Ab soll im Mittel die Leistung und zugleich die Akkulaufzeit erhöhen.

Um generell Energie einzusparen, hat Intel eine Menge zusätzliche Transistoren in allen Skylake-Chips implementiert: Nahezu alle Bestandteile können von der Spannungsversorgung abgekoppelt werden, was Leckströme und damit eine sehr geringe, jedoch konstante Leistungsaufnahme verhindert. Im Detail sind das einzelne CPU-Kerne, die Grafikeinheit und deren Sub Slices, der Ringbus, der Last-Level-Cache und der System Agent. In diesem steckt erstmals ein integrierter Bildprozessor (ISP) für bis zu vier Kameras und Bildsensoren mit bis zu 13 Megapixeln. Außerhalb des eigentlichen Chips hat Intel zudem die einst als tolle Neuerung gelobten Fully Integrated Voltage Regulators (FIVR) vom Package zurück aufs Mainboard verbannt. Insbesondere bei den Core M klappte die Implementierung nicht wie gedacht, weswegen Intel bei den Haswell-Modellen einen Bypass legt, um die FIVRs zugunsten von traditionellen Spannungsreglern auf der Hauptplatine zu ersetzen.

Fazit

Intel hat bei Skylake wie erwartet die Mikro-Architektur an vielen Ecken und Enden verbessert, insbesondere mit Blick auf mobile Geräte wie Detachables und Ultrabooks. Die CPU-Kerne und die Grafikeinheit sind schneller, effizienter und verfügen über mehr Funktionen - ohne Windows 10 kann Skylake sein Potenzial aber nicht voll ausspielen. Zudem hat sich Intel bisher nicht zu den tiefgehenden Änderungen an der Kern-Technik geäußert, weswegen die Architekturbesprechung keinesfalls zuende ist.