Haswell - wo steckt die Effizienz?

[Kornflakes]

Hey,

folgendes Thema geht mir durch den Kopf. Der gute alte Haswell Sockel 1150 hat ja Spannungen zwischen 0.9xx Volt und 1.10x Volt. Und dann im Turbo steigt die Spannung an. Für eine Nvidia 970 wird der Stromverbrauch zur Leistung (FPS pro Watt) gemessen. Gibt es so etwas auch für Prozessoren und wo hat mein Haswell den optimalen Wert?

[seba86]

Selbst ist der Mann!

D.h. mit Stromzähler bewaffnet und z.N. SuperPi 3-4 vrschiedene Taktraten anlegen und dann mit einem TR den Effizient-Faktor berechnen.

[Ph0b0ss]

Wenn man nur die CPU isoliert betrachtet, wird man am meisten FPS pro Watt wohl irgendwo unter 4Ghz haben:

http://extreme.pcgameshardware.de/attachments/772165d1411259475-gamer-pc-2500-sins-hardware-1648495.png

[ndrs]

Wenn man alle Energiesparfunktionen deaktiviert, sollte die höchste Effizienz eigentlich bei der niedrigst möglichen Spannung und der dazu passenden höchsten Taktrate erreicht werden. Durch das allgegenwertige Power-Gating und was sonst noch alles passiert liegt die Wahrheit wohl irgendwo zwischen oben genanntem und Race-to-idle. Genaue Skalierungstests hab ich aber auch noch nie gesehen, wobei das natürlich extremst Anwendungsabhängig ist.

[Tesseract]

je niedriger die spannung umso effizienter die architektur. ein haswell auf 2GHz ist unter last in etwa doppelt so effizient wie einer auf 4GHz. (d.h. etwa die halbe leistung bei etwa einem viertel des verbrauchs).

[seba86]

Finde ich viel zu verallgemeinernd.
Tatsächlich muss man derartige niedrige Spannungen auch erstmal einstellen können.

Rechnet man aber den zusätzlichen Verbrauch des Komplett-System hinzu, ist es schnell vorbei mit der Effizienz in der Praxis.

[Poweraderrainer]

Du suchst den Sweetspot (nicht den OC-Sweetspot)? Also den besten Mix aus Performance und Verbrauch?

Der dürfte bei Haswell so zwischen 3,5 und 4,2 Ghz liegen bei den meisten CPUs und zwar bei 0,95V - 1,1V (in diesem Bereich ist der Mehrverbrauch durch gesteigerte Spannung in gutem Verhältnis zur erreichbaren Leistungssteigerung). Wo der Sweetspot genau liegt, unterschiedet sich jedoch quasi von CPU zu CPU, wie auch das OC oder Undervolting-Verhalten.

Beispiel:
Deine Haswell-CPU braucht für 4 GHz genau 1,000V unter Volllast
1,2V bringen vllt 400-500 MHz mehr, also nicht sonderlich viel --> +20% Spannung --> 10-12,5% mehr Takt = weniger effizient*
0,8V verringern das Taktvermögen erheblich auf 3 GHz oder weniger --> -20% Spannung --> 25-33% weniger Takt = weniger effizient*

Deshalb ist das auch der Bereich, in dem die CPUs takten abzüglich einer Sicherheitszone und schon kommen wir auf die 3,2-4,0 GHz, die die Haswell-CPUs auch haben. Intel denkt sich schon was dabei.
Dank der Sicherheitszone sind ja auch immer Taktsteigerungen möglich ohne die Spannung zu erhöhen.

Was passiert, wenn ein Hersteller diesen Sweetspot nicht wählt, weil es nicht mehr anders geht, sieht man an FX-9590 und FX-9370 zB.

[ndrs]

Also ich behaupte jetzt mal ganz dreist, dass ein mobile oder gar ultra mobile Haswell effizienter ist als eine Desktop-Version. Erstere laufen allerdings nicht mit 3,5-4,2 GHz.

[Der_Korken]

Beispiel:
Deine Haswell-CPU braucht für 4 GHz genau 1,000V unter Volllast
1,2V bringen vllt 400-500 MHz mehr, also nicht sonderlich viel --> +20% Spannung --> 10-12,5% mehr Takt = weniger effizient
0,8V verringern das Taktvermogen erheblich auf 3 GHz oder weniger --> -20% Spannung --> 25-33% weniger Takt = weniger effizient


20% weniger Spannung heißt aber auch, dass die CPU nur 80%*80% = 64% verbraucht im Vergleich zur Ausgangsspannung. Durch den um 25% reduzierten Takt sinkt der Verbrauch ebenfalls nochmal um 25%, also von 64% auf 48%. Nach der Rechnung würde die 4Ghz CPU im Vergleich zu 3Ghz zwar 33% mehr Leistung haben, aber dafür das doppelte verbrauchen. Theoretisch müsste ein Prozessor dort am effizientesten sein, wo er die niedrigste Spannung hat.

In der Praxis sieht es natürlich anders aus: Man würde eher so hoch takten, wie man den Mehrverbrauch verkraften kann - z.B. aus thermischen Gründen. Außerdem sinkt, wie schon ein Vorredner gesagt hat, der Verbrauch des Restsystems nicht.

[Poweraderrainer]

Ist mir klar, dass das nicht linear ist, aber um einen weiteren Post zu vermeiden, wie die über meinem, habe ich die Frage einfach beantwortet wie schon seba86 - habe nur zusätzlich ein Beispiel genannt.

Dass bei möglich geringer Spannung die CPU am effektivsten ist, ist klar, deswegen sprach ich ja auch vom Sweetspot und nicht der maximalen Effizienz im mathematischen Sinne. Denn danach ist offensichtlich gefragt (bezug auf ne 970 -> Zocken?).
Wenn ich die CPU mit 0,7 V und 2 Ghz laufen lasse ist sie wohl effizienter als mit 4 GHz, ja - was mir das dann aber im Einsatz bringt ist ne andere Sache, wenn mir die Leistung nicht mehr reicht. Wie gesagt, Intel denkt sich die Taktraten und Spannungen ja nicht einfach aus...

EDIT: außerdem sollte man im Auge haben, dass eine CPU nicht ohne System läuft. Wenn ich für eine Berechnung mit 2 GHz doppelt so lange brauche wie bei 4 GHz, muss der PC auch doppelt so lange laufen und Strom verbrauchen...ob das dann so effizient ist, kann jeder selber entscheiden/messen. Aber die 40-60W, die ich dann bei der CPU spare, gehen durch den längeren Betrieb der anderen Komponenten eh wieder drauf bei einem durchschnittlichen Dekstop-PC. Entschuldigt, wenn ich euch aus der Theorie in die Praxis hole ;)

[ndrs]

Klar, im allgemeinen stimmt das natürlich. Wobei die Frage des TE's auch recht allgemein gehalten war und wir nur spekulieren können, was er genau tun will. Wenn es ums Zocken geht, wäre wohl der effizienteste Ansatz Takt und Spannung so weit runterzudrehen, dass es gerade noch so flüssig läuft. Wobei das der Rechner mit aktuellen Stromsparmechanismen und mithilfe eines Framelimiters eigentlich größtenteils selber erledigen kann.
(bezug auf ne 970 -> Zocken?)
[...]
EDIT: außerdem sollte man im Auge haben, dass eine CPU nicht ohne System läuft. Wenn ich für eine Berechnung mit 2 GHz doppelt so lange brauche wie bei 4 GHz, muss der PC auch doppelt so lange laufen und Strom verbrauchen
Ich schalte mal den Trollmodus an, weil du so ne schöne Vorlage geliefert hast:
Schaltest du beim Zocken den Rechner immer aus, wenn ein Frame fertig berechnet ist? Das wäre dann wenn's schön flüssig werden soll 60 mal pro sekunde an und ausschalten :D
Hm, das könnte man jetzt noch weiterspinnen. Wenn ich mich mit 50 FPS zufrieden gebe, könnte man ja in das Kaltgerätekabel ne Diode einbauen und lässt den Rechner nur auf einer Halbwelle der Netzspannung laufen :D

[davidzo]

Dass die CPU die bei minimaler Spannung und maximal erreichbarem takt läuft, am effizientesten ist, ändert ja nichts am race to idle-paradigma.
Idle heißt durch clock gating praktisch "off", es läuft dann nur noch der "uncore". Die CPU läuft also solange mit ihrem maximalen takt bei niedrigster spannung, bis die "core"-bestandteile wieder abgeschaltet werden könnte. Eine noch größere verbrauchsreduktion wäre nur möglich indem man den takt senkt, nicht aber die spannung, wiel dies schon die niedrigstmögliche ist. Eine Absenkung des Takts unter last, bei gleicher Spannung sollte sich auf den Verbrauch praktisch linear auswirken. Da aber der idleverbrauch praktisch eine fixe Basis ist, skaliert das ganze schlechter als linear. Hier greift dann eher das race to idle - maximaler takt bei gegebener spannung.

Umgekehrt lohnt es sich nicht die spannung über den minimalen wert zu erhöhen um noch mehr takt zu erziehlen, weil eine gleichzeitige erhöhung von takt und spannung sich immer exponentiell auf den Verbrauch auswirkt. Da hilft auch das race to idle nicht mehr.


amd hatte da mal eine interne folie gemacht die das ganze einfach erläutert:
http://1.1.1.1/bmi/www.extremetech.com/wp-content/uploads/2014/06/LVDS.png
http://www.extremetech.com/computing/184881-amd-claims-it-can-deliver-25x-energy-efficiency-improvement-in-the-next-six-years

[diedl]

Hatte hier schon mal eine ähnliche Idee mit meinen alten
i7 2600K
ab hier
http://www.forum-3dcenter.org/vbulletin/showthread.php?p=9737372#post9737372

mein kleiner
HTPC.
mit 75 Watt pico PSU LC-Power LC-1370Wmi weiß, 75W extern, Mini-ITX
ASRock B85M-ITX (c2)
Intel Core i5-4570 @3.1 GHz bei 0.85V kein Turbo
2x4 GiB DDR3 800 (1600) MHz 1.25V
128 GB SSD + 2.5" 1TB HD
Blu-ray Brenner.
W-Lan Stick
Funk für Maus und Tastatur
CPU Lüfter

IDLE.....................8,3 Watt

Verbraucht beim gleichen Test etwa 48 Watt und ist bei
3,1 GHz sogar leicht schneller wie der 2600K bei 3,4 GHz.
Mit 3,1 GHz läuft mein Haswell-System hier am effizientesten.
Bei einem System mit höheren Grundverbrauch sollte die Taktfrequenz
aber höher sein.

Gruß diedl

[Tesseract]

Dass bei möglich geringer Spannung die CPU am effektivsten ist, ist klar, deswegen sprach ich ja auch vom Sweetspot und nicht der maximalen Effizienz im mathematischen Sinne.

die frage nach dem "sweet spot" ist vollkommen sinnlos weil das so schwammig formuliert ist und so viele undefinierte variablen enthält, dass es darauf keine antwort gibt.
sowas (http://ark.intel.com/products/81713/) baut intel beispielsweise wenn sie viel rechenleistung pro watt rausholen wollen - 12 kerne mit einem base clock von 2,6GHz.

[davidzo]

Bei einem System mit höheren Grundverbrauch sollte die Taktfrequenz
aber höher sein.


In der Praxis ist das total richtig.
Allerdings war hier die CPU glaube ich isoliert betrachtet worden. Und da wird der ideale Takt+Spannung von Haswell wohl deutlich niedriger sein als in der Praxis. Ich tippe da auf 0.6V@2Ghz oder so.

[diedl]

Das ist natürlich rein auf die CPU betrachtet richtig.
Die beste Effizienz sollte bei der maximal erreichbaren Taktrate bei
kleinster einstellbarer Spannung (um 0,6V) liegen.
Nur eine CPU alleine funktioniert halt nicht.
Der Threadersteller sprach z.B. auch eine Nvidia 970 an, also
GPU+Speicher usw.
Ein System dass von Haus aus wenig verbraucht, kommt der reinen CPU Effizienz noch
am nächsten. Mehr CPU-Kerne können je nach Anwendung den Einfluss des Restsystems auch noch etwas minnimieren.
Im grunde muss man sagen, je nachdem wieviel das "Restsystem"
verbraucht liegt die optimale Effizienz woanders, und kann man
eigentlich nur durch messen der bevorzugten Anwendung herraus finden.

Zum Schluss noch ein Vergleich
Vielleicht ist dem Threadersteller damit mehr geholfen
Wenn ich mein Sandysystem (I7-2600K) mit meinen Haswellsystem (I5-4570) beim
optimal effizienten Arbeitspunkt vergleiche, ist das Haswellsystem beim h264 encodern
um ~ Faktor 2 effizienter (PSU-Wirkungsgrade mit einberechnet), ohne dass ich auf
Leistung verzichten muss. Der I5-4570 ist sogar leicht schneller obwohl kein HT.
Mit einen eher vergleichbarem I7 47** wäre die Effizienz wohl noch etwas besser.
Es gibt natürlich auch Anwendungen die nicht so stark profitieren.

Wenn man mit den PC nur spielt, und eine oder sogar mehrere „dicke“ Grakas
nutzt, ist die Effizienz der CPU aber schon fast egal, hier zählt dann vor allem
die Leistung.
Eine übertaktete CPU könnte hier sogar effizienter sein (aufs ganze System bezogen), da der Grundverbrauch
des Systems sehr hoch liegen dürfte.

Gruß diedl