Intel K-CPU Stromzufuhr sinnvoll begrenzen

Einleitung

Das war ein Aufreger: Intel hat die Hersteller von Motherboards mehr oder weniger dazu gezwungen BIOS Updates wegen instabiler K-CPUs zu veröffentlichen.

Ich kann gleich Entwarnung geben: die fis Audio PCs sind davon nicht betroffen, weil wir das BIOS immer mit Strom- und Wärmebegrenzung einrichten. Doch worum geht es? Sehen wir uns zuerst die Grundlagen an und erörtern dann das Problem.

Grundlagen

Strommanagement im BIOS, bzw. UEFI

BIOS & UEFI

BIOS (Basic Input/Output System) und UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) sind beides Firmware-Typen, die beim Starten eines Computers grundlegende Hardware-Initialisierungen durchführen und das Betriebssystem laden. So sind zum Beispiel zahlreiche Einstellungen möglich, die direkt oder indirekt Einfluss auf die Stromversorgung haben.

BIOS ist ein älteres System, das ursprünglich in den späten 1970er Jahren entwickelt wurde. BIOS hat eine textbasierte, nicht-grafische Benutzeroberfläche und ist daher nicht sehr benutzerfreundlich, dafür aber schnell.

UEFI ist moderner und wurde in den frühen 2000er Jahren als Nachfolger von BIOS entwickelt. UEFI kann grafische Benutzeroberflächen und Mausunterstützung bieten. Es ermöglicht eine benutzerfreundlichere und intuitivere Bedienung, ist aber auf billigen Motherboards mitunter sehr träge.

Die im fis Audio PC verwendeten Motherboards sind sehr hochwertig und verwenden alle UEFI. Ich erlaube mir trotzdem das Bezeichnung BIOS als Synonym für UEFI zu verwenden, weil es umgangssprachlich verbreiterter ist.

PL1 (Power Limit 1) und PL2 (Power Limit 2)

PL1 und PL2 sind Leistungsbegrenzungsparameter (Power Limits), die in der Architektur von Intel-Prozessoren verwendet werden, um die Leistung und den Energieverbrauch der CPUs zu steuern. Dabei passt der Prozessor seine Taktraten und Spannungen an, um sicherzustellen, dass der durchschnittliche Energieverbrauch den PL1/PL2-Wert nicht überschreitet.

PL1 ist die langfristige Leistungsgrenze, die den durchschnittlichen Energieverbrauch eines Prozessors über einen längeren Zeitraum definiert.

PL2 ist die kurzfristige Leistungsgrenze, die den maximalen Energieverbrauch eines Prozessors über kürzere Zeiträume definiert. PL2 erlaubt dem Prozessor, für kurze Zeiträume über den PL1-Wert hinauszugehen, um höhere Leistungsspitzen zu bewältigen, was zu einer temporären Leistungssteigerung führt.

PL1 und PL2 Spezifikationen (Veränderungen)

Normalerweise soll PL1 als langfristige Einstellung einen niedrigeren Wert haben als PL2. Das war aber lange Zeit nicht so. Intel spezifizierte die PL1 und PL2-Werte bei einem Intel® Core™ i9-13900K Prozessor mit 253W gleich.

Das wurde zurückgenommen. Aktuell ist in den Intel-Profilen „Baseline“ und „Performance“ der PL1 Wert niedriger als der PL2 Wert:

Vorteile von Intel K-CPUs

Intel-CPUs mit dem Zusatz „K“ haben spezifische Eigenschaften, die sie von anderen Intel-CPUs unterscheiden. Ausfolgenden Gründen verwenden wir für den fis Audio PC einen Intel® Core™ i9-13900K Prozessor:

Taktfrequenz einstellbar

Der größte Unterschied ist, dass CPUs mit einem „K“-Suffix einen freigeschalteten Multiplikator haben. Das bedeutet, dass sie für das Übertakten ausgelegt sind. Übertakten ist der Prozess, bei dem die Taktfrequenz des Prozessors erhöht wird, um eine höhere Leistung zu erzielen. Umgekehrt geht es aber auch, so dass die Taktfrequenz herabgesetzt werden kann.

Verlötet statt Wärmepaste

Ein weiterer Unterschied liegt im Verlöten des Heatspreaders (IHS, Integrated Heat Spreader) mit dem Prozessor-Die. Dies sorgt für eine effizientere Wärmeableitung im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeleitmaterialien wie Thermalpaste. Die bessere Wärmeübertragung hilft, die CPU stabiler zu halten, insbesondere bei hoher Belastung oder Übertaktung.

Problemstellung

Instabile Intel K-CPUs

Berichte von Nutzern

Aus der Gaming-Szene gab es andauernde Berichte über Stabilitätsprobleme mit K-CPUs der 13. und 14. Gen Core. Das perfide an der Sache war, dass sich dieses Verhalten erst mit steigender Nutzungsdauer einstellte. Die Folge waren Computer-Abstürze und eine schnellere Alterung der CPUs. Siehe unter anderem BSOD mit Intel Core: Berichte um rasant „alternde“ K-CPUs reißen nicht ab – ComputerBase.

Probleme beim Übertakten

Mittlerweile gibt es ein Statement von Intel:

Intel® hat festgestellt, dass dieses Problem möglicherweise mit Betriebsbedingungen zusammenhängt, die außerhalb der Spezifikation liegen und zu anhaltend hohen Spannungen und Frequenzen während Zeiten erhöhter Hitze führen.
Die Analyse der betroffenen Prozessoren zeigt, dass es bei einigen Teilen zu Verschiebungen der Mindestbetriebsspannungen kommt, die möglicherweise mit dem Betrieb außerhalb der von Intel® spezifizierten Betriebsbedingungen zusammenhängen.

Obwohl die Grundursache noch nicht identifiziert werden konnte, hat Intel® festgestellt, dass die Mehrzahl der Berichte über dieses Problem von Anwendern mit entsperrten/übertaktungsfähigen Motherboards stammen.

Tatsächlich gibt es bei den Motherboards irrwitzige Einstellungen. Zum Beispiel wurde bei msi automatisch das Profil „Water Cooler“ mit einer PL1 von 4.096W gesetzt, wenn der CPU Multiplikator erhöht wurde.

Intel verlangt nun von PC- und Motherboard-Herstellern, dass sie Anwendern in Zukunft ein „Default BIOS“ zur Verfügung stellen, das den Betrieb nach Intels Vorgaben ermöglicht. Quelle: Instabile K-CPUs: Intel sieht die Schuld allein bei den Mainboard-Herstellern – ComputerBase

Keine Probleme beim fis Audio PC

Ja auch der fis Audio PC wird übertaktet. Aber in einer intelligenten und gemäßigten Form. Der erste Schritt ist, den Multiplikator der P-Cores (P-Core-Ratio) je nach Einsatzzweck und Netzteil auf 40 bis maximal 44 einzustellen. Das entspricht einer Taktfrequenz von 4 GHz oder 4.4 GHz. Gleichzeitig stellt es die Obergrenze dar. Zum Vergleich: der Intel® Core™ i9-13900K Prozessor ermöglich eine Übertaktung bis 5,8 GHz. Manche gehen noch darüber hinaus.

Wer P-Core-Ratio stattdessen in der Standard-Einstellung „Auto“ belässt, erlebt beim ersten Programmstart sein blaues Wunder. Bei einem linearen Netzteil wird bei einer Taktfrequenz von > 5GHz in der Regel die Abschaltung ausgelöst.

Ich wurde schon oft gefragt, warum im fis Audio PC nicht eine leistungsschwächere CPU verbaut wird. Auch um das elektrische Rauschen zu vermindern. Nach meiner Erfahrung ist genau das Gegenteil der Fall. Eine leistungsstarke CPU arbeitet ruhiger und mit weniger Rauschen als eine schwache CPU, die immer bis zum Anschlag hochgefahren wird. Hinzu kommt noch die Silikon Lotterie, weshalb im fis Audio PC immer die Flaggschiff CPUs verbaut werden. Bei Interesse zum Nachlesen: Was gibt es Neues auf dem CPU Markt?

Nun kommt das Entscheidende: Die maximale Stromzufuhr muss begrenzt werden! Dabei stellen wir das Long Duration Power Limit, welches Intels PL1 entspricht, auf maximal 95W ein (je nach Einsatzzweck). Und das Short Duration Power Limit, welches Intels PL2 entspricht, auf maximal 125W. Damit lagen diese Werte für alle fis Audio PCs schon immer weit unterhalb der Intel Spezifikationen.

Zusätzlich wird die CPU Temperatur auf 95°C begrenzt. So hat man noch Reserven, bevor der Intel Core bei 100°C selbst anfängt die Leistung zu drosseln.

Alle unsere fis Audio PC Kunden erhalten ein Protokoll mit den Einstellungen und den durchlaufenen Tests für den stabilen und klangstarken Betrieb. Ein BIOS Update ist nicht erforderlich! Denn es gilt: „Never change a running system“!

Zusammenfassung

Dem Strommanagement im BIOS, bzw. UEFI kommt eine große Bedeutung zu. Die Motherboard Hersteller haben es mit ihren standardmäßig aktivierten PL1 und PL2 Limits übertrieben. Andererseits ist es kaum vorstellbar, dass Intel von dieser weit verbreiteten Praxis bisher nichts wusste.

Die Intel K-CPUs haben die Vorteile, dass die Taktfrequenz einstellbar und der IHS verlötet ist. Intel hat nun selbst die PL1 und PL2 Spezifikationen wieder in das Sinnvolle verändert. Nämlich die PL1 für den dauerhaften Betrieb mit niedrigeren Werten, als PL2. PL2 war schon immer nur für kurzfristige Leistungsspitzen gedacht.

Durch die hohen PL1- und PL2-Werte kam es zu instabilen Zuständen. Keine Probleme gibt es beim fis Audio PC, weil hier schon immer Strom- und Wärmebegrenzungen im BIOS eingestellt wurden. Das ermöglicht dir den störungsfreien und klangstarken Musikgenuss.