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C-States, P-States, S-States - Energieverwaltung erklärt

Um die Leistungsaufnahme bei modernen Computersystem zu reduzieren, haben sich die Hersteller allerhand einfallen lassen. Für den normalen Endverbraucher wird es hingegen immer schwerer den Überblick zu behalten. Soll man die erweiterten C-States im BIOS aktivieren ? Was sind die Vor- und Nachteile ? Wieviel Strom lässt sich wirklich sparen ?

Diesen Fragen möchte ich hier auf den Grund gehen. Da die Materie extrem nerdlastig ist, kratze ich sie nur oberflächlich an. Alle energierelevanten Standards im PC Bereich sind im Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) zusammengefasst.


C-States

Die C-States Energiesparfunktionen können im BIOS eingestellt werden. Sie dienen dazu die CPU (also den Prozessor) in einen stromsparenden Modus zu befördern, wenn gerade keine oder wenig Leistung abgerufen wird. Diesen Modus bezeichnet man auch als Idle (also Leerlauf). Die C-States müssen von der Hardware unterstützt werden, bieten aber mit das größte Energiesparpotential.
StateNameLatenz zu C0Leistungsaufnahme*
C0Operating Mode100%
C1Halt~ 1 µs40%
C1EEnhanced Halt~ 1-2 µs35%
C2Stop Clock~ 59 µs30%
C2EExtended Stop~ 70 µs28%
C3Deep Sleep~ 85 µs26%
C4Deeper Sleep~ 150 µs24%
C4E/C5Enhanced Deeper Sleep~ 250 µs22%
C6Deep Power Down~ 300 µs19%
C7Deeper Power Down~ 400 µs15%
* Die Leistungsaufnahme ist von System zu System unterschiedlich. Sie soll hier nur dazu dienen eine Vorstellung von der unterschiedlichen Leistungsaufnahme in den C-States zu bekommen.

C-States, P-States, S-States - Energieverwaltung erklärt

Generell zeigt sich: Je tiefer die CPU "einschläft" desto länger dauert es, bis die CPU in den Volllastzustand zurückwechseln kann. Dies ist logisch, denn bei hohen C-States - ab C6 - werden Arbeitsspeicher und sogar Teile des internen Cache abgeschaltet.


P-States

CPU-Mulitplier und CPU Spannung können zudem noch über die softwareseitigen P-States reguliert werden. Diese werden vom Betriebssystem (also z.B. Windows) verwaltet. Entgegen seines schlechten Rufs ist Windows eines der Betriebssysteme mit der besten P-States Verwaltung. Im Idle lassen sich so bessere Werte wie z.B. unter Ubuntu Linux (10,0W zu 14,5W in meinem Beispiel) erreichen.

State *CPU-Takt (MHz)CPU-Takt (Anteil)
P02801100%
P1280099%
P2270096%
P3260092%
P4250089%
P5230082%
P6220078%
P7210074%
P8200071%
P9190067%
P10180064%
P11170060%
P12150053%
P13140049%
P14130046%
P15120042%
* Das hier dargestellte Beispiel basiert auf einem Intel Core i5-3360M (2x2,80GHz). Die Werte wurden mit Microsofts pwrtest Tool (Windows DDK Toolkit 7.1) unter Windows 7 Professional 64bit ermittelt. Prozessoren mit anderen Taktfrequenzen stufen natürlich anders ab. Die maximale Anzahl an P-States ist auf 16 limitiert, wovon Windows 7 auch alle nutzt.

Die maximale Transition Latency (also die Latenz um wieder in den State 0 = 100% Leistung) zu gelangen liegt bei diesem System bei 10 µs. Bei den P-States handelt es sich also um einen reinen Softwaremechanismus.


S-States

Die Sleep-States werden über die Energieverwaltung des Betriebssystemes gesteuert. Nach einer beliebigen Zeit fährt dann das System (sofern unterstützt) in den jeweiligen S-State herunter.

StateBeschreibungLeistungsaufnahme
S0Working / on100%
S1Sleep / CPU stopped
S2Deeper Sleep / CPU off
S3Standby (Save to RAM)~ 1 Watt
S4Ruhezustand (Save to disk)~ 0,1 Watt
S5System power off~ 0,1 Watt


HDD-States

Energiesparmechanismen gibt es natürlich auch bei Festplatten. Diese werden größtenteils durch die SSDs unwichtiger, aber da große Kapazitäten immer noch durch normale Festplatten bedient werden, ist dies für einige trotzdem interessant (z.B. in einem NAS). Hier ein Beispiel einer Seagate Barracuda ST3000DM001.

StateLeistungsaufnahme (w)Aktivierung
Load (Lesen/Schreiben)5,8Unter Last
Idle (Leistung)1,8Keine Aktivität
Active Idle0,9~1s keine Aktivität
Low Power Idle0,6~10s keine Aktivität
Standby0,1Energieverwaltung (OS)

Zuletzt gibt es noch die G-States (Global States), die aber nicht konfigurierbar sind. Als G-States gibt es On, Off und Sleeping. Die G-States sind für den Endverbraucher relativ uninteressant, sie dienen meist nur zu Dokumentationszwecken.

Wieviel Energie lässt sich denn nun sparen ? Einiges. Eine pauschale Aussage lässt sich hier nicht treffen, denn jedes System reagiert natürlich anders auf die Energiesparmechanismen. Die C-States bieten mit das größte Energiesparpotential und ich kann nur jeden raten (gerade bei NAS / Fileservern oder Always-On-PCs) sich im BIOS zu vergewissern, dass die C-States aktiviert sind (die Standardeinstellung in den meisten BIOS ist "deaktiviert" !).

Warum sind die C-States häufig werksseitig deaktiviert ? Zum einen wird der PC durch die Aktivierung der C-States etwas träger, denn er benötigt eine gewisse Zeit um aus den Schlafzuständen wieder in den Normalmodus zu wechseln. Ich habe schon von 5-10% Leistungsabfall auf den USB und SATA-Hostcontrollern gelesen. Auch dies ist von System zu System unterschiedlich. Hier kann ich nur dazu raten die Einstellungen durchzuprobieren - eventuell werdet ihr mit einer netten Stromersparnis belohnt!

Tipp: Wer noch nach einem geeigneten Mainboard sucht, der sollte sich das Intel DH87RL einmal anschauen, welches mit einem phänomenal niedrigen Verbrauch von 10W (mit Intel Core i5-4570) auftrumpft.



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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.