CPUs und GPUs: Wie viel Turbo taktest du?
Mindestens seit 2008 gilt bei den Herstellern von schnellen Prozessoren: "leave no watt unused" – jedes bisschen elektrischer Leistung, die zur Verfügung steht, soll in Rechenleistung umgesetzt werden. Damals erschien mit dem Core i7 ( Nehalem ) die erste x86-CPU mit dem bis heute bei manchen Technikfans umstrittenen Turbo-Boost, AMDs Turbo Core folgte 2010. Schon damals gab es das erste Missverständnis, denn um eine Übertaktung handelt es sich bei den Turbos nicht. Mit der Geforce GTX-680 führte schließlich 2012 Nvidia den GPU-Boost ein, AMD zog wenige Monate später mit Powertune mit Boost nach.
Die automatische Steigerung des Taktes – ebenso wie dessen Absenkung zum Stromsparen – ist also bei modernen CPUs und GPUs nicht mehr wegzudenken. Die Hersteller der Chips garantieren dabei einen bestimmten Frequenzbereich, in dem die Bausteine arbeiten. Im Falle von Intels derzeit am höchsten getakteten Desktop-Quad-Core, dem i7 4790K, sind es 4,0 bis 4,4 GHz – immerhin 10 Prozent mehr.
Schon da greift das Marketing der Halbleiterbranche aber, denn sowohl bei Intel als auch AMD ist der höchste Takt nur zu erreichen, wenn nur ein Kern belastet wird. In modernen Multitasking- und Multithreading-Umgebungen ist das jedoch praktisch nie der Fall. Die kleinere Angabe, im Beispiel des 4790K 4,0 GHz, ist der Basis-Takt – und nur das ist die Frequenz, die alle Kerne unter Last auch zuverlässig erreichen. Die größere Zahl, hier 4,4 GHz, ist der maximale Turbo-Takt.
Zu allem Überfluss geben auch manche PC-Hersteller, allen voran Apple, die genauen Takte in ihren Werbeunterlagen nicht an – im Falle der Mac-Bauer wird in der Regel nicht einmal die Modellnummer der eingesetzten Prozessoren genannt. So steht für das 13-Zoll-Macbook-Pro auf der Produktseite nur(öffnet im neuen Fenster) "2,4 GHz Dual‑Core Intel Core i5 Prozessor (Turbo Boost bis zu 2,9 GHz) mit 3 MB gemeinsam genutztem L3‑Cache" , viele Händler machen daraus nur einen i5 mit 2,4 GHz. Welche CPU genau verbaut ist, muss man in Intels ARK-Datenbank(öffnet im neuen Fenster) nachschlagen, in der sich mittels Filtern auch nach bestimmten technischen Daten die Prozessoren auswählen lassen.
Ein Turbo ist keine Übertaktung
Die Idee des Turbos ist einfach: Weil der Bedarf an elektrischer Leistung und die daraus gezogene Rechenleistung selten konstant auf einem hohen Niveau sind, darf ein Prozessor beides dynamisch regulieren. Am einfachsten geht das über den Takt, denn die gleiche CPU ist mit höherem Takt schneller.
Möglich werden die Beschleuniger, weil auf den Prozessoren selbst Sensoren und recht komplexe Logikeinheiten sitzen, die sich nur um die Verwaltung von Energie, Wärme, Takt und Spannungen kümmern. Wie aufwendig das gestaltet ist, gab bisher nur Intel einmal konkret an, und zwar für die sogenannte "Power Control Unit" (PCU) des Nehalem . Sie besteht aus rund einer Million Transistoren, was 1989 noch für den ganzen 486-Prozessor reichte. Die anderen Chiphersteller, auch die von GPUs, verbauen inzwischen ähnliche Schaltungen.
Ein so ausgestatteter Chip weiß zu jedem Zeitpunkt ganz genau, wie viel Leistung er aufnimmt, mit dem Programm HWMonitor(öffnet im neuen Fenster) kann man das bis aufs Watt genau anzeigen lassen. Das auch für die Überwachung anderer Komponenten nützliche Programm gibt auch die Temperaturen der einzelnen Kerne an, schon daran sieht man, wie ungleichmäßig die Auslastung ist. Den Takt zeigt HWMonitor nicht an, dafür ist das Programm CPU-Z(öffnet im neuen Fenster) geeignet.
Bei der Anzeige der aufgenommenen elektrischen Leistung kann der Wert bisweilen bei moderneren CPUs auch kurzfristig über deren technischer Angabe für die "thermal design power" (TDP) liegen. Das ist möglich, weil sich die Turbo-Kontrolleinheiten das Prinzip der thermischen Trägheit zunutze machen.
Dieses lässt sich an einem Alltagsbeispiel veranschaulichen: Wenn man die Hand auf eine vollständig abgekühlte Herdplatte legt und diese dann auf die höchste Stufe stellt, verbrennt man sich nicht sofort. Zwar liegt dabei schon die volle Leistung an, die über einem Kilowatt liegen kann, die Wärme breitet sich aber nur langsam aus. Genauso ist es auch, wenn ein Prozessorkern sofort mehr Leistung aufnimmt: Der gesamte Chip erwärmt sich langsam, die Hitze muss über den Heatspreader an den Kühlkörper weitergegeben werden, und das kann durchaus einige Sekunden dauern.
Für die dabei genutzten Taktfrequenzen übernimmt der Chiphersteller die Garantie, denn sie sind die zugesicherten Eigenschaften in den Datenblättern – was nicht heißt, dass die Turbo-Takte immer erreicht werden, denn hier spielen Anwendungen und Kühlsystem immer eine Rolle. Ein Turbo übertaktet also nicht, sondern nutzt die festgelegten Spezifikationen. Anders ist es, wenn der Nutzer selbst über die Firmware, Anwendungsprogramme oder die Taster spezieller Mainboards den Prozessortakt verändert: Dann liegt eine Übertaktung vor, die nicht mehr von der Garantie abgedeckt ist. Für manche CPUs gibt es aber spezielle Garantien vom Chiphersteller, die auch Übertaktungen umfassen.
Bei Komplett-PCs, die bereits ab Werk übertaktet sind – und auch so beworben werden -, übernimmt in der Regel der Rechnerhersteller eine freiwillige Garantie für die Funktion des Gesamtsystems und das Überleben des Prozessors.
CPU-Turbos helfen auch beim Stromsparen
Bei Prozessoren arbeiten die Turbos immer anhand des Frequenzmultiplikators. Dazu gibt es einen Bustakt (BCLK), der nicht mit dem "Basistakt" , also der minimal garantierten Frequenz unter Last, verwechselt werden sollte. Durch die Vervielfacher ergibt sich der Takt jedes Kerns. Bei Intel-CPUs beträgt BCLK 100 MHz, für 4 GHz ist also ein Multiplikator von 40 nötig.
Das klappt auch nach unten: Wenn wirklich kein Programm oder das Betriebssystem den Prozessor beschäftigt, können die aktuellen Core-Prozessoren ihren Multiplikator auf bis zu 8 senken, womit sich nur noch 800 MHz und eine Leistungsaufnahme für die gesamte CPU von unter 3 Watt ergibt – selbst bei schnellen Desktop-Quad-Cores. Dabei spielen aber noch andere Mechanismen eine Rolle, große Teile der Kerne, Busse und Caches können über die Power Control Unit abgeschaltet werden. Auch AMD-Prozessoren sind ohne Last halbwegs sparsam, da sie ähnlich arbeiten. Der minimale Takt der FX-CPUs liegt aber bei 1,4 GHz, bei den moderneren Kabinis von AMD werden ebenfalls 800 MHz erreicht.
Diese Funktionen machen sich auch die Hersteller von Notebooks zunutze, indem sie manchmal unveränderlich in der Firmware die Turbo-Stufen – also die Multiplikatoren – für den Takt vorgeben. Dadurch werden auf Kosten der Rechenleistung längere Akkulaufzeiten erreicht.
Es lohnt sich also, mit Programmen wie CPU-Z den Takt des Prozessors im Akkubetrieb zu überprüfen und einfache Tests wie mit Cinebench durchzuführen. Ist dieses Programm mit angestecktem Netzteil schneller als ohne, dann wurden die Turbo-Stufen im Akkubetrieb höchstwahrscheinlich verändert. Das ist keine Beschränkung des Prozessors an sich, sondern vom Notebookhersteller so gewollt.
Bei manchen Geräten, beispielsweise einigen Notebooks von Asus, gibt es daher auch einen Turbo-Knopf, der verschiedene, durch ein Windows-Programm auch einstellbare Energieprofile umschaltet. Dabei werden auch die Turbo-Stufen entsprechend gesetzt. Manche Hersteller wählen für das Akkuprofil gleich den niedrigsten Basistakt, was große Leistungsunterschiede ausmachen kann: Ein Core i7-4610Y(öffnet im neuen Fenster) taktet beispielsweise von 1,7 bis 2,9 GHz. In entsprechend konfigurierten Notebooks, die im Akkubetrieb nur den Basistakt nutzen, ist der Rechner also 40 Prozent langsamer als mit Netzteil und Last auf nur einem Kern.
Bei Desktop-CPUs wiederum ist das Verhältnis von Basistakt zu maximalem Turbo nicht so groß, und auch der Basistakt ist in der Regel nicht das, was man unter Last vom Prozessor erwarten kann. Solange nur ein halbwegs ausreichender Kühler montiert ist, sind die CPUs je nach Modell eine oder zwei Stufen schneller als der Basistakt. Das ist in unseren Versuchen auch mit dem unter Last lauten Boxed-Kühler von Intel mit einem Core i7-4770K der Fall, er kommt, wenn alle vier Kerne plus Hyperthreading rechnen, nicht nur auf die spezifizierten 3,5 GHz, sondern erreicht dauerhaft 3,7 GHz.
Grafikkarten halten selten ihren Turbo-Takt
Ganz anders verhalten sich die modernen Desktop-GPUs, bei denen die Turbos erst seit zwei Jahren in mit CPUs vergleichbarer Form verwendet werden. Schon bei der GTX Titan von Nvidia fiel auf, dass die Grafikkarte in einem PC beim stundenlangen Spielen nur mit zusätzlicher Kühlung dauerhaft so schnell war, wie sie es bei kurzen Benchmarks zeigte. Seitdem heizen viele Tester, darunter auch Golem.de, die Karten vor den Messungen vor. Das geschieht durch GPU-Quälgeister wie das Programm Furmark, danach werden alle Tests schnell hintereinander mehrfach durchgeführt.
Am deutlichsten zeigte sich der bei GPUs weniger nützliche Turbo bei der Radeon R9 290 von AMD. Dafür gibt AMD offiziell nur den maximalen Boost-Takt von 947 MHz an, in der Praxis erreicht die GPU aber dauerhaft nur gut 700 MHz. Das liegt an einem zu weit ausgereizten Spiel mit Leistungsaufnahme, Temperatur und Stromversorgung, was die Kollegen von PC Games Hardware(öffnet im neuen Fenster) im Ablauf einer Belastung treffend so zusammengefasst haben:
1. Versorge die GPU maximal mit 208 Watt (inklusive Wandlerverlusten, Speicher und Platine läuft das auf 300 Watt Gesamtverbrauch hinaus).
2. Versuche, 1.000 (R9 290X) bzw. 947 MHz (R9 290) GPU-Takt zu erreichen.
3. Erlaube nicht mehr als 95 °C Chiptemperatur.
4. Halte die PWM-Impulsstärke von 40/55 (290X) bzw. 47 % (290) ein.
5. Sind diese Temperatur- und Lüfterdrehzahl-Limits ausgereizt, senke die Taktrate auf minimal 727 bzw. 662 MHz.
6. Wenn das nichts bringt, also die Temperatur immer noch am Limit ist, ignoriere die PWM-Grenze.
7. Wenn die Temperatur immer noch nicht sinkt, reduziere Takt/Spannung bis hinab auf 300 MHz.
8. Wenn alles versagt, schalte nach mehr als einer Sekunde bei 100 Grad Celsius ab.
Im schlimmsten Fall – und nur dieser ist in diesem Beispiel für eine GPU beschrieben – läuft die Grafikkarte also nur mit zwei Drittel ihrer beworbenen Leistung. Wir haben beim Spielen mit der 290 in einem PC eine mittlere Frequenz von 720 MHz ermittelt, was aber immer noch deutlich unter den angegebenen 947 MHz liegt. Dazu haben wir die Takte mit dem Programm GPU-Z(öffnet im neuen Fenster) in eine Logdatei geschrieben, das Programm zeigt aber nach einem Klick auf den entsprechenden Wert auch selbst Durchschnittswerte an.
Um solche Experimente kommt man auch am eigenen PC nicht herum, wenn man die Grafikkarte im Verdacht hat, nicht so schnell zu laufen, wie sie eigentlich könnte. Dauerhaft den maximalen Turbo-Takt zu erreichen, ist aber mit einem PC, der noch halbwegs leise sein soll, kaum machbar. Aber die mittleren Stufen, wie in unserem Beispiel der 290, sind nach unseren Erfahrungen meist zu erklimmen. Schon eine geringfügig verbesserte Belüftung wie durch einen zusätzlichen Ventilator im Seitenteil eines Towergehäuses kann dabei helfen.
Fazit
Während die Turbos bei Desktop-CPUs heute recht unproblematisch sind, lohnt sich bei Notebooks ein genauerer Blick auf mögliche Unterschiede in Netzteil- und Akkubetrieb. Generell sind die Boost-Funktionen bei den CPUs recht verlässlich, man bekommt die Leistung, für die man bezahlt.
Bei den GPUs von Desktop-Grafikkarten ist dieser Zustand noch nicht erreicht. Hier sind die Turbos viel mehr Marketingargument als echter Vorteil, zumindest für den Praxiseinsatz in einem geschlossenen Gehäuse. Für Technikfans ist das aber auch ein schöner Ansatzpunkt für eigene Experimente – nur blind verlassen sollte man sich auf den Nutzen eines Turbos bei GPUs nicht.