Cpu-powerlimits aan of uit?

Behalve dat de opgegeven tdp niet altijd op zinnige wijze tot stand komt, vormt hij ook geen harde limiet voor het stroomverbruik van je processor. Hoewel de tdp weliswaar een van de zogenaamde powerlimits is, beschikken vrijwel alle moderne cpu's over verschillende powerlimits, waaronder vaak een limiet die nog een stuk hoger ligt dan de tdp.

Hoe dat exact werkt, verschilt tussen de twee fabrikanten van x86-processors, dus hieronder splitsen we de uitleg opnieuw op tussen AMD en Intel. Het concept is echter gelijk; systeembouwers kunnen in het bios aangeven dat de stroomtoevoer en koeling een hoger stroomverbruik aankunnen dan de standaard tdp. Als je zelf een pc bouwt met een los aangekocht moederbord, gaat de moederbordfabrikant er echter van uit dat je die limieten zelf primair op de gekozen koeling afstelt.

In de praktijk doet vrijwel niemand dat en blijven de moederborden dus op hun standaardinstellingen staan. Tot voor kort golden er dan praktisch geen limieten, waardoor je processor zoveel stroom mocht gebruiken als hij kon. Pas in het afgelopen jaar zien we af en toe dat budgetmoederborden niet langer standaard ongelimiteerd zijn.

Kort samengevat zochten pc-fabrikanten en zelfbouwers de vereiste vrm-kwaliteit en processorkoeling vooral uit op basis van de opgegeven tdp, terwijl processors zoveel stroom mochten gebruiken als ze willen. Dat gaat goed zolang het stroomverbruik enigszins in de buurt blijft van de tdp.

AMD-powerlimits

AMD hanteert drie soorten stroomlimieten, die hetzelfde zijn voor alle processors met een gelijke tdp. Binnen deze drie limieten doet Precision Boost 2 zijn werk. Voor de duidelijkheid: dat is AMD's standaard boostfunctie en dus geen overklokken. Twee van die limieten gaan over de stroomtoevoer vanuit de vrm's op het moederbord, de thermal design current (voor langdurige belasting) en de electrical design current (voor piekbelasting). Beide worden opgegeven in ampère. De tastbaarste limiet is echter de package power tracking, als het ware het verbruik van de complete processor in watt.

De ppt ligt steeds 35 procent hoger dan de tdp van de processor. De Ryzen 5 5600X met een tdp van 65W mag bijvoorbeeld maximaal 88W verbruiken, terwijl de Ryzen 7- en 9-modellen in de Ryzen 5000-serie een ppt van 142W hebben. In de praktijk zal een volledig belaste Ryzen-chip trouwens lang niet altijd zoveel gebruiken; diverse andere factoren kunnen het boostalgoritme al eerder een halt toeroepen.

Tdp	Ppt	Verschil tdp/ppt	Tdc	Edc
65W	88W	35%	60A	90A
105W	142W	35%	95A	140A

Een mooi praktijkvoorbeeld van het effect hiervan is het Ryzen 5-duo uit de Ryzen 3000-serie: de 3600 en 3600X. Deze modellen zijn praktisch identiek, op hun tdp na: de 3600 heeft een 65W-tdp, de 3600X heeft op papier een tdp van 95W. In onze benchmarks presteerden beide cpu's echter zo goed als identiek. In realiteit bleken ze dan ook nagenoeg hetzelfde te verbruiken: ongeveer 80W. Blijkbaar had een 3600X niet meer dan dat nodig om maximaal te presteren en aangezien 80W ook nog binnen de ppt van de 3600 viel, kon die processor in de praktijk net zo hoog boosten.

Het is overigens mogelijk om de ppt, tdc en edc handmatig verder te verhogen, maar dat is natuurlijk wel overklokken en valt buiten de scope van dit artikel. Meer daarover kun je lezen in onze overklokworkshop voor Ryzen 3000- en 5000-processors.

Intel-powerlimits

Bij Intel hebben we te maken met twee powerlimits. PL1 is gelijk aan de tdp van de processor en PL2 is de ruimte die het Turbo Boost-algoritme heeft om de kloksnelheid van de processor tijdelijk te verhogen. Bovendien is er nog een 'tau', de tijd die de hogere PL2 officieel mag worden aangehouden voordat PL1 in werking treedt.

Zoals gezegd zijn deze twee powerlimits op los verkochte moederborden de facto oneindig ingesteld. In de praktijk kan een processor hierdoor continu zijn maximale kloksnelheid vasthouden, met het bijbehorende hoge verbruik. In de onderstaande grafieken hebben we twee keer een langdurige multithreaded-workload losgelaten op de Core i9 11900K. De donkerblauwe lijn toont het gedrag zonder ingestelde limieten, de lichtblauwe lijn laat zien wat er gebeurt als we de officiële Intel-richtlijnen instellen.

Package power
Kloksnelheid

Zonder limieten verbruikt de Core i9 11900K in deze test al gauw 280W, wat nog oploopt naar 293W als de processor langer wordt belast. Warmere componenten worden immers minder efficiënt. Met de limieten ingesteld loopt de packagepower niet verder op dan 243W, om na een seconde of veertig terug te vallen tot de tdp van 125W. Dat heeft een fors effect op de kloksnelheid: unlimited blijft de processor vrijwel continu op 5,1GHz draaien, limited boost hij zelfs aan het begin niet verder dan 4,9GHz en komt de klokfrequentie na het verstrijken van de tau nog maar iets boven de 4,3GHz uit. Vanzelfsprekend zie je dat terug in de prestaties: unlimited noteren we 16.206 punten, limited nog maar 13.915 punten.

In de tabel hieronder hebben we alle waarden van de mainstreamtopmodellen (socket 1151/1200) sinds de introductie van de Skylake-architectuur op een rij gezet. Omdat Intel al die tijd vastzat op het 14nm-proces en tot aan de 11900K ook aan dezelfde architectuur, kon de chipfabrikant de prestaties alleen verhogen door de klokfrequenties te verhogen en meer cores toe te voegen. Dat maakte de cpu's steeds minder zuinig. Intel geeft dat wel toe door de tdp te laten stijgen, van 91W bij de i7 6700K tot 125W bij de recentste processors, maar PL2 steeg veel harder.

Dat blijkt duidelijk uit het berekende verschil tussen PL1 en PL2. Waar PL2 bij de i7 6700K nog maar 31 procent hoger lag dan PL1, is het tegenwoordig eerder regel dan uitzondering dat PL2 100 procent meer is dan PL1. Bovendien steeg de tau in dit tijdsbestek van acht seconden naar bijna een minuut.

	Tdp / PL1	PL2	Verschil PL1/PL2	Tau
Core i7 6700K	91W	119W	31%	8 sec.
Core i7 7700K	91W	135W	48%	8 sec.
Core i7 8700K	95W	188W	98%	8 sec.
Core i9 9900K	95W	210W	121%	28 sec.
Core i9 10900K	125W	250W	100%	56 sec.
Core i9 11900K	125W	251W	101%	56 sec.