CPU, Taktfrequenz, Störungen, Hitzeentwicklung

Intel 8086 von 1978

Intel 8086 von 1978

Das Herzstück jedes Desktop-PCs ist die CPU. Diese CPU führt sämtliche notwendigen Berechnungen durch und kommuniziert mit allen im PC vorhandenen Peripherie-Geräten wie Arbeitsspeicher, Grafikkarte, Tastatur etc.

Einem PC ohne CPU kann kein Lebenszeichen abgerungen werden. Im günstigsten Fall könnte kurz der Netzteillüfter zu hören sein, eine Bildschirmausgabe wird nicht zustande kommen.

Die Leistungsfähigkeit einer CPU wird in ihrer Taktfrequenz gemessen.

Grundsätzlich gilt: je höher die Taktfrequenz einer CPU ist, umso schneller ist sie. Natürlich ist diese Leistungsmessung auch von ihrer Architektur abhängig. So wird eine Pentium 4 CPU von Intel immer schneller sein, als z.B. eine 486er CPU. Diese Betrachtungsweise ist nur grundsätzlich anzusehen, da z.B. eine Motorola CPU mit einem Drittel der Taktfrequenz einer Intel CPU als schneller anzusehen war.

Die Taktfrequenz hat für eine CPU folgende Bedeutung:
Die ursprüngliche Datenübertragung kann bei jedem Systemtakt erfolgen. Je mehr Taktsignale innerhalb einer Sekunde stattfinden, umso höher die Übertragungsleistung.

Weiterhin gilt: Je mehr Leitungen nebeneinander liegen, umso mehr Daten können per Takt parallel übertragen werden. Die rein parallele Datenübertragung war lange Zeit die überwiegende Art der Datenübertragung innerhalb eines PC-Systems.
Die parallele Datenübertragung wird allerdings in zunehmendem Maße von der seriellen Datenübertragung abgelöst.

SATA-Kabel: schmal (neuer, schneller, seriell)
IDE-Kabel: grau, breit (alt, langsam, parallel)

Grundsätzlich betrachtet ist die parallele Datenübertragung die beste anzunehmende Art der Datenübertragung, jedoch auch die störungsanfälligste, in Bezug auf elektrische, elektromagnetische Beeinflussung von außen, oder durch die Datenübertragung selbst.

Am Festplattenanschluss ist diese Entwicklung deutlich festzustellen. Während am Anfang die IDE, bzw. E-IDE Festplatten über ein 40-poliges Flachbandkabel angeschlossen waren, konnten Datenübertragungsraten vom PIO-Mode bis zum UDMA-Mode von bis zu 33 MByte/sek. realisiert werden.
Ab UDMA-66 wurde bereits neben jedem Signaldraht ein Massedraht notwendig.

Das heißt, aus dem 40-poligen Flachbandkabel wurde ein 80-poliges Flachbandkabel. Die Normlänge lag bei 40 cm. Sollte ein längeres Kabel notwendig sein, mussten auch Maßnahmen für die Entstörung, wie Abschirmung, Erdung etc. getroffen werden.
Woran liegt es also, dass dies so ist? Jede Datenübertragungsstrecke, sei es seriell, parallel, im Netzwerk, auf dem Mainboard, oder sogar innerhalb einer CPU, zeigt grundsätzlich ein sogenanntes Tiefpassverhalten. Dieses Tiefpassverhalten wird durch die elektrischen, bzw. elektromagnetischen Einflüsse durch die Datenübertragung selbst bestimmt.

Die elektrischen Felder sind sogenannte kapazitive, die elektromagnetischen Felder sind induktive Störungen. Der Verursacher der Störungen, also der Sender, wird als Störquelle, und die beeinflusste Komponente, also der Empfänger der Störung wird als Störsenke bezeichnet. Das vereinfachte Ersatzschaltbild einer solchen Datensenke könnte so aussehen:

elektrFelder

Die elektrischen Felder werden durch das Anlegen einer Spannung hervorgerufen (z.B. Steckdose und Kabel in der Wand). Die elektromagnetischen Felder werden durch den Stromfluss bei der Datenübertragung hervorgerufen (z.B. Einstecken und Benutzen eines Geräts).

Grundsätzlich gilt, je höher die angelegte Spannung ist, umso höher ist das elektrische Feld. Je höher der Stromfluss ist, umso höher das elektromagnetische Feld. Bei der parallelen Datenübertragung müssten nun alle Daten, welche pro takt übertragen werden, gleichzeitig am Schieberegister auftreffen und als Datenwort weiterverarbeitet werden. Fehlt auch nur ein einziges Bit, so ist das gesamte Datenwort unbrauchbar und müsste neu angefordert werden. Die ist jedoch nur begrenzt möglich. Das heißt, die Kabellänge und die Taktfrequenz sind Grenzen unterworfen.

Um feststellen zu können, wodurch die Störungen genau hervorgerufen werden, ist es hilfreich, sich das Ersatzschaltbild noch einmal genau zu betrachten.
Die elektrischen Widerstände RC und RL sind sogenannte rein ohmsche Widerstände. Diese Widerstände sind frequenzunabhängig und werden durch die Leitungslänge und das Leitermaterial hervorgerufen. Die Taktfrequenz ist dort nicht ausschlaggebend.

Die frequenzabhängigen Widerstände sind XC und XL. Der Widerstand XC wird durch die Leitungsisolierung, bzw. den Abstand der Leiterbahnen hervorgerufen. Je höher die Taktfrequenz ist, umso kleiner wird dieser Widerstand. Man könnte sagen, dass die Isolatoren zwischen den Leiterbahnen immer schlechter wird, je höher die Frequenz ist.

Bei dem Widerstand XL verhält es sich genau anders herum. Das heißt, dieser Widerstand wird höher, je höher die Frequenz wird. Dies bedeutet, dass dem Signal ein größerer Widerstand entgegengesetzt wird, je höher die Frequenz wird.

Durch diese speziellen Eigenschaften einer Datenübertragungsstrecke kann man sagen, dass je höher die Frequenz wird, umso schlechter wird das übertragene Signal. Es ist somit vorstellbar, dass ab einer bestimmten Taktfrequenz keine Datenübertragung mehr möglich ist. Bei z.B. einer CPU liegt diese Grenze, ohne besondere Maßnahmen zu ergreifen, bei etwa 4 GHz. Durch Erhöhung der Baudichte und spezieller Kühlung mit Stickstoff sind Taktfrequenzen bis ca. 9 GHz möglich.

Das heißt, dass gerade bei der CPU nicht nur Störungen in der Datenübertragung sondern auch die Hitzeentwicklung besonders zu beachten ist. Je höher die Taktfrequenz ist, umso mehr sich die frequenzabhängigen Widerstände ändern, umso wärmer wird auch die CPU. Die Wärme der CPU kann mit einer entsprechenden Kühlung abgeführt, die Störungen allerdings nicht beseitigt werden. Dies ist nur mit einer anderen Technik, z.B. optischen Übertragungsarten, möglich. Die entstehende Wärme bei einer CPU ist eine ungewollte Größe. Daher wird diese Wärmeleistung auch als Verlustleistung bezeichnet. Die entstehende Wärme, welche durch diese Leistung hervorgerufen wird, muss aufwändig mittels großer Kühlkörper abgeführt werden. Ein PC hat eine außerordentlich schlechte Energiebilanz und einen schlechten Wirkungsgrad.

Aufbau des Intel Pentium 4 "Northwood"

Aufbau des Intel Pentium 4 „Northwood“

 

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