Strom sparen mit Undervolting – Wieviel bringt es wirklich ?

Mit Undervolting lässt sich durch die manuelle Verringerung der CPU-Spannung im Bios Strom sparen. Soviel zur Theorie. Ich wollte einmal anhand meines Intel Core i5-4570 (4x 3,2GHz, Turbo bis 3,6GHz, 84W TDP, Haswell) Prozessors wissen, wieviel Energie sich wirklich sparen lässt und ob sich auch die CPU-Temperatur senken lässt.

Übertakten - also Overclocking - ist vielen bereits ein Begriff, doch bei Undervolting zucken viele nur mit den Schultern. Dabei ist es quasi exakt das gleiche - nur steht hier nicht die Taktfrequenz im Mittelpunkt, sondern die CPU-Spannung, also die VCore. Ansonsten ist der Ablauf der Optimierung beim Undervolting aber identisch zum Übertakten: Es wird die geringst möglichste CPU-Spannung für eine Taktfrequenz ausgelotet.

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Zuerst einmal möchte ich kurz erklären, warum Undervolting überhaupt möglich ist. Für jede CPU legt Intel anhand eines Stabilitätstests eine sogenannte VID (Voltage Identification) für jede Taktfrequenz der CPU fest. Im Idle (also Ruhemodus) ist die VID also deutlich geringer als unter Last, bei meinem Intel Core i5-4570 liegt die VID im Idle bei 0,7V und unter Last bei 1,04V.

Wenn Intel die VID so genau festlegt - wieso ist dann Undervolting überhaupt noch möglich ? Um die absolute Stabilität garantieren zu können scheint Intel die VID höher festzulegen als eigentlich notwendig. Zusätzlich spielt auch das Mainboard, insbesondere die Stabilität der CPU-Spannungsversorgung, eine wichtige Rolle. Je höherwertiger das Mainboard, desto mehr Undervolting ist möglich, dies hat sich im Laufe der letzten Jahre aber etwas relativiert.

Generell gilt: Je höher die VID bei einer CPU ist, desto mehr Energie nimmt die CPU auf. Dies resultiert dann auch in einer etwas höheren CPU-Temperatur - mehr Energie ist gleich mehr Abwärme die abgeführt werden muss. Allerdings wird die Energieaufnahme nicht nur durch die Spannung, sondern auch durch die Stromstärke beeinflusst. Auf die Stromstärke hat man allerdings keinen Einfluss.

Das schlechte gleich vorweg: die aktuellen Intel Haswell CPUs nehmen im Idle so wenig Strom auf, dass eine Spannungsverringerung so gut wie keinen Einfluss auf den Gesamtverbrauch hat. Undervolting bringt daher bei aktuellen CPUs nichts, wenn ihr nur den Idle-Verbrauch optimieren möchtet.

Sparen kann man mit Undervolting aber immer noch, und zwar immer dann wenn die CPU unter Last ist. Im Volllastbereich lassen sich so mindestens 5% der Energie einsparen, bei manchen CPUs sind bis zu 10% möglich. Das liegt daran, dass die CPUs aufgrund der Fertigungstoleranzen relativ große Unterschiede in der VID haben können. CPU 1 kann Beispielsweise unter Last mit 0,9V stabil bei 3,2GHz betrieben werden, CPU 2 benötigt für die gleiche Taktfrequenz aber 1,1V für einen stabilen Betrieb.

Daher gibt es keine feste Regel um wie viel sich die CPU-Spannung verringern lässt, man muss die geringstmöglichste Spannung selbst ermitteln.

Benötigte Software


Dazu benötigen wir eine Software um die VID auszulesen, hier hat sich z.B. Core Temp etabliert. Zusätzlich kontrollieren wir die Spannung mit CPU-Z. Die Software Prime95 dient dazu die CPU maximal auszulasten und so auf einen stabilen Betrieb hin zu optimieren.






ToolBeschreibung
CPU-ZAuslesen der CPU-Spannung
Core TempAuslesen der Kerntemperaturen
Prime95Testprogramm zum Auslasten der CPU

Unter Last bei Auto-Einstellungen (als Mainboard kam in meinem Test ein ASUS H81i-Plus zum Einsatz) zeigt CoreTemp eine VID von 1,037V (siehe Core Temp) an. Das Mainboard hat dann 1,036V (siehe CPU-Z) angelegt, also leicht unter der Vorgabe. Unter Volllast zeigt Core Temp mit den Standardeinstellungen 55,3W an.

Bei Auto-Einstellungen misst das Energiemessgerät im Idle 37,4W, unter Last werden 114,7W fällig. Dem Intel Core i5-4570 stehen 2x 4GB DDR3-1600 Arbeitsspeicher sowie eine GeForce 750 Ti (OC) zur Seite.

Änderungen im Bios


Im Bios des ASUS H81I-Plus ist im Advanced Mode unter dem Reiter Ai Tweaker der Punkt für die CPU Core Voltage zu finden. Diese habe ich auf Offset Mode gestellt, den Offset Mode Sign auf negativ und schließlich die CPU Core Voltage Offset um einen festen Wert verringert. Angefangen habe ich mit einem Offset von -0,05V was jeder Prozessor mitmachen sollte.

Den stabilen Betrieb bei 0,99V habe ich mit Prime 95 im Custom Mode und einer FFT Länge von 1344K überprüft. Diese FFT Länge hat sich in der Übertakter-Szene durchgesetzt um eine stabile VCore - also CPU Spannung - zu ermitteln. Dies funktioniert beim Undervolting genauso.

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-0,05V Offset


Bei einer Spannungsverringerung um 0,05V reduziert sich die Energieaufnahme der CPU um ca. 5,6W (nachgemessen). Laut Core Temp beträgt der Unterschied 5,7W - fast identisch mit meinem Messwert. Die Temperaturen der CPU haben sich allerdings nicht verbessert, hierfür scheint die Spannungsverringerung noch zu klein zu sein.

-0,075V Offset


Bei einer Spannungsverringerung um 0,075V reduziert sich die Energieaufnahme der CPU um ca. 8,6W (nachgemessen). Laut Core Temp beträgt der Unterschied 9,3W. Die maximalen CPU-Temperaturen sind messbar geringer ausgefallen: -2°C konnte ich messen.

Reduzierung der Taktfrequenz


Um noch mehr Energie zu sparen, kann man auch die maximale Taktfrequenz und dadurch nochmal die Spannung verringern. Dies macht meiner Meinung nach aber nur Sinn, wenn man z.B. die CPU-Temperatur begrenzen möchte, weil man die CPU in einem kleinen Gehäuse unterbringen möchte. Die Leistung-pro-Watt wird davon nicht positiv beeinflusst, diese kann sich sogar verschlechtern.

Außerdem braucht ein Prozessor mit reduzierter Taktrate einfach eine längere Zeit um eine Aufgabe abzuarbeiten, er befindet sich also länger im Lastbereich, während der normal getaktete Prozessor schon wieder im Idle ist und dadurch Strom einspart.

Trotzdem bietet Intel seine Prozessoren teilweise auch in einer T-Version mit reduzierter Taktfrequenz und TDP an. Die TDP kann so bei einem Intel Core i7-4770T von 84W auf 45W gesenkt werden, die Taktfrequenz reduziert Intel von 3,4GHz auf 2,5GHz (Vergleich: i7-4770 vs. i7-4770T).

Fazit


Mit Arbeit ist Undervolting schon verbunden: Es muss bei jeder Spannungsverringerung geschaut werden, ob die CPU noch stabil läuft. Dafür wird man dann mit Einsparungen zwischen 5 und 10 Prozent belohnt. Bei Intels Core 2 Duo bzw. Core 2 Quad Prozessoren waren noch Einsparungen von 20 Prozent möglich.

Im Idle lässt sich leider so gut wie nichts sparen, unter Volllast waren bei mir mit einer Spannungsverringerung von 0,075V immerhin 8,6W drin - die Geschwindigkeit des Prozessor hat sich dabei nicht verändert. D.h. man bekommt diese kleine Ersparnis gratis. Mehr Sinn könnte dies aber bei Notebook-Prozessoren machen, die unter Last dann sparsamer und vielleicht auch etwas kühler bleiben - bei mir hatte sich die Temperatur um 2°C verringert.

Eine größere Spannungsverringerung (-0,1V) mochte mein Intel Core i5-4570 dann aber nicht und generierte mir nach kurzer Zeit unter Windows einen Bluescreen.