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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.


Strom sparen mit Undervolting - Wieviel bringt es wirklich ?


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


Strom sparen mit Undervolting - Wieviel bringt es wirklich ?

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.

Strom sparen mit Undervolting - Wieviel bringt es wirklich ?

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.


Strom sparen mit Undervolting - Wieviel bringt es wirklich ?




-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.

Strom sparen mit Undervolting - Wieviel bringt es wirklich ?



-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.

Strom sparen mit Undervolting - Wieviel bringt es wirklich ?



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.



5 Kommentare

Von Malwin am 07.08.2014
Besucher

Hi Stefan,
nochmals vielen Dank - und ich warte jetzt einfach auf Deine Story.
Grüße Malwin

Von Stefan am 07.08.2014
Technikaffe.de Team

1884 Beiträge
@malwin: Hi, TPM würde ich erstmal nicht aktivieren - jedenfalls solange Du nicht vorher es aktiv z.B. zum Verschlüsseln deiner Festplatte zu benutzen. Hier ein kurzer Auszug aus meinen (schon rehct weit fortgeschrittenden) Artikel:

Ein TPM schützt den Computer vor ungewollter Manipulation und erhöht die Sicherheit beim Zugriff auf verschlüsselte Daten. Zusammen mit dem Betriebssystem, welches den Einsatz eines TPM Modules unterstützen muss (z.B. Windows Vista, Windows 7, Windows 8/8.1, MacOS 10+, Android, Linux, uvm.) bildet das TPM dann eine so genannte Trusted Computing Plattform, kurz: TC-Plattform.

Allerdings gibt es auch einen großen Nachteil an einer TC-Plattform: Den Datenschutz. Eine Musikdatei könnte mit Hilfe des einzigartigen kryptographischen Schlüssels z.B. auf die Benutzung auf nur diesem PC limitiert werden. Eine Verteilung dieser Datei könnte immer zu ihrem Ursprung zurückverfolgt werden da ein System durch TPM einzigartig identifizierbar ist.

Von malwin am 07.08.2014
Besucher

Hi Stefan,
1. Entschuldigung, dass ich die Namen durcheinander und mehr Tippfehler als Text zu Bildschirm gebracht habe.
2. Großen Dank für Deine Antworten - sie sind hilfreich.Dass der Stromverbrauch nicht immer "parallel" zur Taktfrequenz schwankt, verblüfft mich erst einmal.
3. Ich harre Deiner TPM-Story, aber bleibt bei Eurer Linie: Qualität vor Quantität (und Schnelligkeit) - das unterscheidet Euch imho von vielen anderen Seiten.
4. Nur falls Du Zeit hast: Mein neuer PC hängt nun schon 4 Wochen am Internet. Ist es noch sinnvoll, TPM zu aktivieren? Kann ich beim Aktivieren von TPM irgendwelchen Unfug anstellen, der nur schwer wieder rückgängig zu machen ist bzw. soll ich erst einmal auf Deine Story warten?
Gruß & Dank
malwin

Von Stefan am 05.08.2014
Technikaffe.de Team

1884 Beiträge
@malwin: VR steht für Voltage Regulation und meint den internen Spannungswandler in der CPU, der seit der Haswell Generation bei Intel im Prozessor selbst sitzt. Der Vorteil hieran ist, das vom Mainboard nur noch 1 Spannung an den Prozessor gegeben werden muss und der Prozessor kümmert sich um alles weitere selbst.

Stromverbrauch und Taktfrequenz hängt nicht immer zusammen wenn Du nicht unter Volllast testest. Über die maximale Taktfrequenz im Ressourcenmonitor kommst Du weil in Windows dein Basistakt 100% ergibt. Da die meisten CPUs heute über einen Turbo verfügen, wird zwar immer maximal eine Auslastung von 100% angezeigt, die Taktfrequenz kann aber über 100% liegen.

Bezüglich TPM werde ich noch in diesem Monat einen Bericht veröffentlichen :)

Von malwin am 05.08.2014
Besucher

Ein, wie oft bei Euch, Artikel, der mir sehr gut gefallen hat, selbst für mich (nahezu) nachvollziehbar und nützlich! Dennis, was bedeutet im Asus-UEFI-Bios "CPU-internes VR-Management" oder so? Generell: Die Erläuterungen dort sind mager. Nachhilfe wäre super.

Beim Nachvollzug der Story mit Prime 95, Passmark und Cinebench/Cinema 4D ist mir aufgefallen, dass der Zusammenhang zwischen Stromverbrauch lt. CoreTemp und Kerntakt sehr locker ist. Problem von CoreTemp? Außerdem bin im Win 8.1 Pro--Ressourcenmonitor zeitweise auf ine CPU-Auslastung von 426 %(!) gekommen, auch die Zeit max. CPU-Frequenz lag ein- oder zweimal deutlich über 100% - also: auch den Ressourcenmonitor erklärt zu bekommen, wäre super.

Noch etwas ganz anderes: Da Ihr wohl aus der Administratoren-Ecke kommt, müsstet Ihr doch auch Ahnung haben bez. Internet-Sicherheit (schutz der Privatsphäre/Geschäftsgeheimnisse)??? Z.B. ist es sinnvoll TPM einzusetzen und wo liegen die Fallstricke?

Gruß schon mal vielen Dank!

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Über den Autor
Stefan ist 33 Jahre alt, wohnt bei Hamburg und arbeitet als IT-Administrator in einer japanischen Firma. Stefan ist eines der drei Gründungsmitglieder von Technikaffe und schreibt seit April 2013 rund um die Themen Server, Netzwerk und Programmierung.