Stromverbrauch von PCs im Wandel
Moderne PCs verfügen fast schon selbstverständlich über zwei, vier oder gar acht Rechenkerne, schnelle Grafiklösungen, viel RAM und große Festplatten. Da kommt einiges zusammen – auch in Punkto elektrischer Leistungsaufnahme. Doch nicht immer lag der Rechentakt im Gigahertzbereich. Doch wie schaute es mit dem Energiebedarf der PC-Veteranen aus? War in den 1990er Jahren der PC mangels Leistung ein Geringverbraucher? Dabei muss allerdings unterschieden werden: Ein PC besteht nicht nur aus dem Prozessor sondern auch aus Festplattenspeicher, Arbeitsspeicher, einer Grafiklösung und einem Mainboard. Die größten Verbraucher sind allerdings CPU und Grafik, so dass wir uns zuerst auf diese Komponenten konzentrieren werden.
Maßgeblich für die Energieaufnahme einer CPU und auch für die eines Grafikchips ist der Fertigungsprozess in dem der Chip hergestellt wird und die Komplexität des Chips. Mehr Transistoren bedeuten in den meisten Fällen auch mehr Leistung aber auch eine höhere Energieaufnahme. Kleinere Fertigungsprozesse indes verkleinern nicht nur den Chip sondern sorgen auf für bessere Energiewerte – oder für mehr Leistung bei gleichbleibender Energieaufnahme.
So bestand Intels 8080-CPU, ein 8-Bit-Prozessor mit 2 bis 3 Megahertz Taktfrequenz und ein in den 1970er- und 1980er Jahren sehr populärer Prozessor, aus gerade einmal 6000 Transistoren. Produziert wurde der Prozessor in 6 µm Strukturbreite, sein Energiebedarf lag bei überschaubaren 0,5 Watt. Gekühlt werden musste der Prozessor daher nicht.
Spannender wurde es ab 1985 mit dem Intel 80386DX, einem reinrassigen 32 Bit Prozessor mit 25 bis 33 Megahertz. Hier kamen schon 275.000 Transistoren zum Einsatz, gefertigt in 1000 nm. Die Energieaufnahme stieg auf 2 Watt für das Modell mit 33 Megahertz – immer noch wenig genug um ohne Kühlkörper oder gar Lüfter gekühlt werden zu müssen und aus heutiger Sicht enorm sparsam.
Stromverbrauch von PC`s im Wandel ©iStockphoto/rvlsoft
Als Nachfolger des 80486 präsentierte Intel im Jahr 1993 den Pentium, erst mit 60 Megahertz, später mit bis zu 200 Megahertz Taktfrequenz. Diese hohen Taktraten waren unter anderem durch eine stetige Verbesserung der Prozesstechnik möglich – der Pentium wurde anfangs in 800, später dann in 600 und 350 nm Strukturbreite gefertigt. Der Stromverbrauch lag je nach Modell zwischen 8 und 16 Watt. Bei den neueren Pentium-Modellen konnte Intel aufgrund der verbesserten Fertigungstechnik auf eine geringere Spannung setzen. So lagen bei den ersten Pentium-Modellen noch 5 Volt an, neuere Modelle benötigten nur noch 3,3 Volt. Bei der 1997 präsentierten überarbeiteten Version P55 (Pentium MMX) sank die Spannung sogar auf 2,8 Volt, der Energiebedarf lag zwischen 4 und 17 Watt. Verbaute Intel beim Pentium noch 3,3 Millionen einzelne Transistoren, waren es beim Pentium MMX schon 4,5 Millionen. Kleine Kühlkörper auf den CPUs etablierten sich, Lüfter waren allerdings noch nicht nötig.
Auf bis zu 9,5 Millionen Transistoren kam dann zwei Jahre später der Pentium III, dazu summierte sich der Cache-Speicher, der bei den in der ungewöhnlichen Slot-Bauform produzierten auf einer Platine neben und nicht im Prozessor lag. Die Verbesserung der Prozesstechnik machte eine Produktion in 250 nm möglich, dennoch stieg der Energiebedarf gegenüber dem ersten Pentium aufgrund zahlreicher interner Geschwindigkeitsboosts wie Out-of-Order-Berechnungen auf bis zu 35 Watt. Diese Energiemenge machte vor allem bei den höher getakteten Modellen schon kleine Lüfter auf dem Prozessorkühler nötig. Im Jahr 1999 drohte dann zudem der CPU-Unterdog AMD mit dem erstaunlich erfolgreichen Athlon am Ruf von Intel zu kratzen. Der Takt des Pentium III wurde auf bis zu 1.133 Megahertz angehoben, die Strukturbreite auf 180 nm verringert und die Spannungsversorgung auf 1,8 Volt gesenkt. So benötigte ein Coppermine-P3 ebenso wie ein nur halb so schneller Deschutes maximal 35 Watt.
Keine sehr ruhmvolle Entwicklung war hingegen der Pentium 4, sowohl was die real erreichbare Leistung als auch was die Energieaufnahme anging. Gefertigt wurde die erste Version des P4 in 180 nm Strukturbreite mit für damalige Verhältnisse beeindruckenden 42 Millionen Transistoren. Betrieben wurden die CPUs mit 1,7 Volt, die Energieaufnahme lag allerdings bei bis zu 100 Watt – Rekord für die damalige Zeit und fast immer mit lauten Lüftergeräuschen verbunden. Dass eine hohe Leistungsaufnahme nicht gleich eine hohe Rechenleistung bedeutet, beweist der P4 eindrucksvoll, AMDs deutlich sparsamere Konkurrenz-Athlons benötigten deutlich weniger Energie, rechneten aber schneller. Auf die Spitze trieb Intel das Pentium-4-Experiment mit den Topmodellen der Prescott-Produktreihe: Zwar verkleinerte Intel die Fertigungsstrukturen auf nur noch 90 nm, erhöhte die Transistorzahl aber auf 125 Millionen. Trotz auf 1,25 Volt gesenkter Spannung kamen diese P4-Modelle auf bis zu 151 Watt Energieaufnahme.
Wären da nicht in den kommenden Jahren der grob auf dem P3 aufbauende CoreDuo und dessen Nachfolger Core2Duo erschienen, Intel wäre heute wahrscheinlich in einer weniger guten Marktposition. Die 291 Millionen Transistoren des Conroe-Kerns im Core2Duo wurden in 65 nm Strukturbreite gefertigt und mit 1,5 Volt Spannung angesprochen. Der Energiebedarf sank so trotz der zwei Rechenkerne auf 65 Watt – bei gegenüber dem Pentium 4 deutlich gesteigerter Rechenleistung.
In die darauf folgenden Core-i-CPUs integrierte Intel bereits eine vollwertige Grafikeinheit, der Energiebedarf der CPU deckt also auch die Grafikerzeugung mit ab. Zuvor waren dafür mindestens 10-20 Watt für Onboard- oder dedizierte GPUs einzuplanen. Die Grafik war allerdings noch nicht direkt in die CPU integriert sondern befand sich nur auf dem Die, dem CPU-Träger also. Zudem produzierte Intel die GPU in 45 nm während die CPU in fortschrittlichen 32 nm hergestellt wurde. Das Gesamtpaket benötigt dennoch nur maximal 95 Watt, die etwas teurere S-Variante der ersten i5-CPUs kamen sogar auf nur 82 Watt.
Ebenfalls mit 95 Watt angegeben sind die Vierkernmodelle der zweiten Core-i-Generation „Sandy Bridge“. Auch hier ist eine GPU integriert, bei deaktivierter Grafik spart der Nutzer noch einmal gut 15 Watt. Beim 22-nm-Shrink Ivy Bridge, der dritten Core-i-Generation von Intel, sinkt die Energieaufnahme sogar auf 77 Watt für 4 Rechenkerne und eine HD4000-GPU, 55 Watt lassen sich bei deaktivierter iGPU messen.
Der Trend geht bei Intel nach dem P4-Desaster also wieder zu energiesparenden Prozessoren. Auf die einzelnen Kerne gerechnet benötigt ein aktueller Core-i-Prozessor sogar weniger Energie als einst ein Pentium 3 – eine sensationelle Leistung angesichts der beeindruckenden Rechenleistung der Core-i-Rechenkerne.
AMD jedoch konnte die Zeit seines Höhenfluges nicht wiederholen – die aktuellen FX-Prozessoren sind zwar nach einigen Updates ungefähr so leistungsstark wie Intels Quadcore-Oberklasse, benötigen aber unter Last mehr als doppelt so viel Energie.
Bei diesen Werten handelt es sich allerdings immer um Volllast-Angaben. Im Alltag ist eine CPU jedoch nur selten dauerhaft voll ausgelastet. Wichtiger für die alltägliche Situation sind daher die Werte im Idle, im Ruhezustand also, wie er bei Office-Tätigkeiten die meiste Zeit vorherrscht. Hier sind Intel und AMD aktuell fast gleichauf, ihre Prozessoren kommen mit nur wenigen Watt aus und takten sich selbsttätig herunter wenn sie nicht gefordert werden. Diese aus dem Notebookbereich importierten Stromsparmechanismen sorgen auch dafür, dass moderne Computer im Alltag deutlich weniger Strom aufnahmen als ältere Modelle. Und das, ohne auf die Leistungsreserven des Volllastbetriebes verzichten zu müssen.
Während es bei den CPUs zumindest im Hause Intel wieder abwärts geht mit dem Energiebedarf, setzt sich dieser Trend bei Grafikkarten erst langsam durch. Wer mit seinem PC nicht nur arbeitet und Filme oder Fotos schaut, sondern auch gelegentlich damit spielen will, kommt um eine energiehungrige Grafikkarte nicht herum. Hier lag der Stromverbrauch noch vor 10 Jahren bei knapp 30 bis 40 Watt, mittlerweile nehmen leistungshungrige Doppel-GPU-Modelle bis zu 380 Watt auf. Immerhin: Diese teuren Highendmodelle braucht niemand zum Spielen und in der gehobenen Mittelklasse hat zumindest vor kurzem ebenfalls der Trend zum Energiesparen begonnen. Modelle der aktuellen Serien Radeon HD 7000 und Geforce 600 benötigen bei gesteigerter Leistung weniger Energie als ihre direkten Vorgänger – unter Last und vor allem auch ohne 3D-Last. Wird mit dem PC nur gearbeitet, halten sich moderne Grafikkarten beim Stromverbrauch stark zurück, takten auf niedrige Frequenzen herunter und drosseln ihre Lüfter. So lassen sich selbst flotte Gaming-PCs tagsüber als Arbeitsgerät nutzen, ohne dass die Grafikkarte mit einem hohen Lärmpegel stört und die Stromrechnung ins Unermessliche steigt. Dennoch kann ein dedizierter Energiespar-PC für die Arbeit Sinn ergeben – zumindest, was den reinen Energiebedarf angeht, nicht mehr wenn auch die Anschaffungskosten eingerechnet werden müssen.
