Stromaufnahme-Messung Der Chipsatz – oft unterschätzt

Der Chipsatz als unvermeidlicher Begleiter des Prozessors führt ein Schattendasein und wird oft unterschätzt. Denn im Falle einer Intel-Atom-Plattform beinflusst er die Eigenschaften des Systems stärker als der Prozessor selbst. Ein Blick auf die zwei Alternativen US15W und i945.

Der Intel-Atom-Prozessor ist das Markenzeichen für einen stromsparenden PC. Doch nicht alle Implementierungen sind gleich – sie unterscheiden sich in der Rechenleistung, in der Schnittstellenausstattung, aber auch in der Stromaufnahme. Die Eigenschaften eines Intel-Atom-Computers werden vom ausgewählten Prozessor selbst (Tabelle 1), aber in noch stärkeren Maße vom verwendeten Chipsatz bestimmt.

Intel bietet derzeit 14 unterschiedliche Atom-Prozessoren an. Für den industriellen Einsatz eignen sich allerdings nur die sieben Embedded-Versionen, da diese Modelle auch langfristig verfügbar sind. Ein „P“ am Ende der Modellbezeichnung bedeutet eine etwa doppelt so große Bauform und einen fertigungstechnisch leichter zu handhabenden vergrößerten Pin-Abstand. Der Abstand der „Balls“ des verwendeten μBGA-Gehäuses liegt bei der Standard-Version bei lediglich 0,6 mm. Das zusätzliche „T“ zeigt an, dass es sich um Modelle für den industriellen Temperaturbereich von –40 bis +85 °C handelt.

Ein Blick auf den maximalen Leistungsbedarf zeigt, dass nicht alle Atom-Prozessoren gleich stromsparend sind. Der Bereich erstreckt sich von 0,65 Watt bis hin zu 8 Watt bei der Dual-Core-Version. Aber auch beim Funktionsumfang gibt es erhebliche Unterschiede. Wenn auf einem System zwei unterschiedliche Betriebssysteme zum Einsatz kommen sollten, eignen sich die Versionen ab dem Z520, da nur diese den Intel-Virtualisierungs-Support bieten. Diese Technik wird gerne in der Automatisierungstechnik angewandt, wenn Echtzeit-Steuerung und das Benutzer-Interface auf zwei unterschiedlichen Betriebssystemen implementiert werden.

Der Prozessor selbst bietet der Anwendung keine Schnittstellen. Diese werden größtenteils vom dazugehörigen Chipsatz bereitgestellt. Die Atom-Prozessoren arbeiten mit zwei Chipsätzen zusammen, die sich stark unterscheiden. Bei den Z5xx-Prozessoren kommt der zwar sehr stromsparende, aber leider recht schwach mit Schnittstellen ausgestattete US15W System Controller Hub zum Einsatz (Tabelle 2).

Dieser hochintegrierte Baustein vereint die Funktionen, die sonst meist in zwei Chips, der North- und der South-Bridge, verbaut werden. Wie bei den zugehörigen Prozessoren gibt es auch hier passende Versionen mit größerem Gehäuse und mit erweitertem Temperaturbereich (US15WP und US15WPT). Für den Atom-Prozessor N270 sowie die Nicht-Embedded-Bausteine 230 und Dual Core 330 ist der 945GSE-Chip spezifiziert.

Der 945GSE ist eine etwas abgespeckte Version des in der Industrie weit verbreiteten 945GME-Chipsatzes mit nur einem Speicherkanal. Zur Komplettierung des Chipsatzes kommen South-Bridges der ICH7-Serie zum Einsatz.

Leistungsaufnahme in Theorie und Praxis

Vergleicht man die maximale Leistungsaufnahme der beiden grundsätzlich möglichen Kombinationen, so unterscheidet sich die Kennzahl TDP (Thermal Design Power) zunächst dramatisch

  • Intel Atom Z530 + US15W System Controller Hub: TDP = 4,3 W
  • Intel Atom N270 + 945GSE + ICH7M: TDP = 11,8 W

Diese beiden Kombinationen entsprechen den beiden COM-Express-Modulen conga-CA (Z530) und conga-CA945 (N270) von Congatec. Der tatsächlich gemessene Leistungbedarf bei einer Speicherausstattung von jeweils 512 Mbyte unterscheidet sich weit weniger dramatisch:

  • conga-CA – gemessene Leistungsaufnahme: bei 100 Prozent Auslastung: 7,2 W Desktop im Leerlauf: 5,6 W
  • conga-BA945 – gemessene Leistungsaufnahme: bei 100 Prozent Auslastung: 10,8 W Desktop im Leerlauf: 7,2 W

 

Der Unterschied im Leistungsbedarf dieser beiden Implementierungen liegt also nicht beim Faktor 3 (4,3 W zu 11,8 Watt TDP der Komponenten), sondern unterscheidet sich lediglich um 50 Prozent (7,2 Watt zu 10,8 Watt bei der Messung der Module). Ein Blick auf die beiden Blockschaltungen (Bild 1 und Bild 2) macht den Unterschied deutlich. Während das conga-CA945 bereits im Chipsatz Serial-ATA und PCI enthält, müssen diese Funktionen beim conga-CA über zwei zusätzliche Interface-Bausteine erzeugt werden: einen Serial-ATA-Controller und eine PCI-Express-to-PCI-Bridge. Diese zusätzlichen Komponenten erklären den höheren Stromverbrauch.

Die auf dem 945er Chipsatz aufgebauten Module haben zwar einen etwas höheren Stromverbrauch, bieten aber dafür auch eine bessere Ausstattung. Die sechs PCI-Express-Lanes erlauben eine flexible Erweiterung mit schnellen Schnittstellen. Auch die Grafik ist in den meisten Disziplinen leistungsfähiger. Der im US15W integrierte Grafik-Controller kann aber durch ein hardware-unterstütztes Decoding trotzdem hochauflösende HDTV-Videos ohne extra CPU-Belastung flüssig abspielen.

Das BIOS – wichtiger Nebenschauplatz

Neben der Auswahl der Komponenten spielt aber auch die Implementierung des BIOS eine wichtige Rolle. Das BIOS selbst kann die Verwendung der Powermanagement-Funktionen moderner Chips in weiten Bereichen beeinflussen. Die Auswirkung der BIOS-Funktionen oder auch der BIOS-Konfiguration ist deutlich messbar. Bei vergleichenden Messungen ist es wichtig, eine einheitliche Software zugrunde zu legen. Die Ausnutzung der Stromsparfunktionen moderner CPUs und Chipsätze hängt in erheblichem Maße von der Anwendungs-Software und dem Betriebssystem ab. An den obigen Messwerten ist deutlich zu sehen, dass ein unbelastetes System (Messwert „Desktop im Leerlauf“) schon einige Sparfunktionen ausnutzen kann.

Erwähnenswert ist auch die Realisierung der Stromversorgung für den Prozessor und den Chipsatz. Die Versorgungsspannung wird abhängig von der geforderten Rechenleistung gesteuert. Der Wirkungsgrad dieser aufwendigen DC/DC-Regler spiegelt sich direkt im Stromverbrauch des Rechnermoduls wider. Regler, die für einen fixen Eingangsspannungsbereich optimiert sind, weisen grundsätzlich eine deutlich bessere Effizienz auf als DC/DC-Wandler mit einem Weitbereichseingang.

Die beiden Chipsatzoptionen für den Intel-Atom-Prozessor unterscheiden sich grundlegend im Strombedarf und in der Schnittstellenausstattung. Anwendungen, die mit weniger Schnittstellen auskommen, finden mit dem US15W eine äußerst sparsame Lösung. Speicher- und schnittstellenhungrige Systeme sind mit einer 945er-Lösung besser realisierbar, angesichts des insgesamt niedrigen Stromverbrauchs aber trotzdem noch als ökologisch zu bezeichnen.

Module wie z.B. das kompakte Qseven conga-QA, die per Definition z.B. ohne PCI-Bus auskommen, benötigen weniger Zusatzkomponenten und sind damit die derzeitigen Stromsparkönige bei den Embedded-Computermodulen. Ein Qseven-Modul mit Intel Atom Z510 und US15W System Controller Hub benötigt bei leerlaufendem Windows-Desktop nur 3,2 Watt und unter Volllast 4,4 Watt. Im Suspend-to-RAM-Modus (S3) werden weniger als 0,3 Watt verbraucht. Diese Leistungwerte ermöglichen es, wirklich mobile Systeme mit Batterielaufzeiten von mehr als 8 Stunden zu realisieren. Damit wird der Traum vom mobilen PC auch für viele Industrieanwendungen Wirklichkeit.

 

Dipl.-Ing. (FH) Christian Eder 

studierte Elektrotechnik mit Schwerpunkt Nachrichtentechnik an der Fachhochschule Regensburg. Er startete sein Berufsleben bei Kontron, als dies noch ein BMW-Tochterunternehmen war. Nach Stationen bei Force und JUMPtec und der neu gegründeten Kontron AG ist er seit 2004 Mitbegründer und Marketing Manager der congatec AG.

Kontakt: christian.eder@congatec.com