Dell Dynamic Power Policy: Wie Dell bei seinen XPS-Geräten Thermik und Performance handhabt.

Notebooks werden mit jeder neuen Generation immer leistungsstärker, und Hersteller scheuen keinen Aufwand um sicherzustellen, dass Oberklasse-Notebooks so nah wie möglich an ihre Desktop-Äquivalente herankommen. Anders als diese sind Notebooks jedoch stark eingeschränkt, wenn es darum geht, den optimalen Kompromiss aus Power, Mobilität, Dicke etc. zu finden. Aufgrund der begrenzten Platzverhältnisse sind Komponenten wie CPU und GPU arg in ihrer Möglichkeit, Wärmeenergie abzugeben, beschränkt. Um sicherzustellen, dass diese Bauteile mit ihrer maximal möglichen Leistung laufen und die Temperaturen gleichzeitig nicht durch die Decke gehen, ergreifen Hersteller diverse Maßnahmen, um auch unter maximaler Last eine gewisse Grenze der Leistungsfähigkeit nicht zu unterschreiten. Erreicht wird dies durch eine Kombination aus Sensoren und Algorithmen, die das System konstant überwachen und die Energiezufuhr dynamisch an die Gegebenheiten anpassen. So verfügen das Dell XPS 13, XPS 15nd XPS 13 2-in-1 über spezielle Sensoren, die in Echtzeit die Temperaturen an ausgewählten Stellen im Notebook messen. Im Folgenden wollen wir darstellen, wie Dell eine Technologie namens Dynamic Power Mode nutzt, um in der XPS Serie auch unter hoher Belastung eine möglichst maximale Performance zu erreichen.

Warum Grenzwerte wichtig sind

Jedes elektrische Bauteil eines Notebooks benötigt Strom. CPUs und GPUs sind siliziumbasierte Bauteile, die mit einem bestimmten Takt betrieben werden, mittels dem die Anzahl der Operationen pro Sekunde bestimmt wird. Die Taktfrequenz, mit der eine Komponente wie die CPU betrieben wird, hängt von vielen Faktoren ab, hauptsächlich jedoch von der Energiezufuhr. Je mehr Energie zugeführt und verarbeitet wird, desto höher kann die Taktfrequenz liegen und desto schneller wird schlussendlich der Computer. Hoher Energieverbrauch bedeutet jedoch leider auch hohe Wärmeentwicklung.

Energieeffiziente CPUs sind in der Lage, innerhalb eines spezifizierten thermischen Fensters zu operieren und benötigen daher insgesamt weniger Energie. Werden diese CPUs ans Limit getrieben, muss es einen Weg geben, die entstehende Wärmeenergie abzuführen. Oftmals ist es aufgrund von Designvorgaben nicht möglich, große Kühlkörper anzubringen, Spitzenleistung ist jedoch trotzdem unabkömmlich. In diesen Situationen kann eine verringerte Energiezufuhr dazu führen, dass die abgegebene Wärmeenergie innerhalb der spezifizierten Grenzwerte bleibt.

Im Allgemeinen sind CPU und GPU für einen bestimmten Energiebedarf spezifiziert, der als „Thermal Design Point“ den meisten bekannt sein dürfte. Der Chiphersteller garantiert dabei, dass die Chips - ordnungsgemäße Kühlung vorausgesetzt - mit den spezifizierten Taktfrequenzen innerhalb des spezifizierten TDP-Limits betrieben werden können, ohne dass dabei der Temperaturgrenzwert (Thermal Junction Temperature oder abgekürzt Tj Max genannt) überschritten wird. Die Einhaltung dieser Spezifikation genügt, um die Nominalleistung des Chips abrufen zu können. OEMs streben jedoch nicht selten danach, eine möglichst maximal hohe Performance bei gleichzeitig immer kleiner werdenden Notebooks zu erreichen. Denn selbst bei großen Kühlkörpern ist irgendwann der Punkt erreicht, an dem seine Fähigkeit, weitere Wärmeenergie aufzunehmen und abzuführen, an ihre Grenzen stößt. Dieser Punkt wird als „thermal soak“ bezeichnet (sinngemäß übersetzt in etwa thermische Sättigung) - der Punkt, an dem der Kühlkörper „gesättigt“ ist und keine weitere Energie in Form von Wärme aufnehmen kann. Der Sättigungsgrad kann mit Hilfe von Lüftern verringert werden. Während dieses Vorgangs der Energieaufnahme und -abgabe durch den Kühlkörper kommt es zu Perioden von hoher Energieaufnahme für hohe Performance und niedriger Energieaufnahme für niedrigere Performance.

Die Länge des Zeitraums hoher Energieaufnahme ist eingeschränkt, da sie zu einem Anstieg der Temperaturen jenseits der spezifizierten thermischen Grenzwerte führen kann und folglich den Kühlkörper für längere Zeit sättigen würde. Je heißer ein Chip wird, desto ineffizienter wird er. Um in diesen kurzen Zeiträumen maximale Leistung abzugeben, setzen moderne CPUs und GPUs auf Turbo-Taktraten, bei denen die Taktfrequenz für einen kurzen Zeitraum maximal erhöht, und sobald die Rechenaufgabe abgeschlossen ist, sofort wieder reduziert wird. Dies ermöglicht es den Chips, sich abzukühlen, und gibt der Kombination aus Kühlköper und Lüfter Zeit, die vom Kühlkörper aufgenommene Wärmeenergie abzuführen.

Wie Dells Dynamic Power Mode hier Abhilfe schafft

Wie bereits in der Einleitung erwähnt ist eine der größten Herausforderungen bei Notebooks der stark eingeschränkte Platz. Notebooks müssen so dünn wie möglich sein und dabei trotzdem noch maximale Leistung bringen. Und mit jeder neuen, noch dünneren Notebook-Generation rückt die Oberfläche des Notebooks dem Kühlkörper der CPU immer näher und näher. Konstruktions- und funktionsbedingt ist die Umgebungstemperatur des Kühlkörpers sehr hoch und kann zu einem Sicherheitsrisiko für die Benutzer werden. Obwohl vom Hersteller der CPU und GPU bestimmte Grenzwerte bei den Temperaturen vorgegeben werden, ist es im Interesse der Betriebssicherheit eines Notebooks, dass diese Limits niemals erreicht werden.

Jedes Notebook hat sein eigenes individuelles Design und muss entsprechend individuell für maximale Performance optimiert werden, ohne dabei die Oberflächentemperaturen über den Wohlfühlbereich der Haut steigen zu lassen. Statt hier jedoch von einem theoretischen Worst-Case-Szenario auszugehen, können Energiezufuhr und Grenzwerte dynamisch und basierend auf strategisch platzierten Temperatursensoren der aktuellen Situation angepasst werden. Dell Dynamic Power stellt dabei einem Zusammenhang zwischen Temperatur der Haut, Energiebedarf, Taktfrequenz, Gerätetemperatur und anderen Faktoren her, um die Oberflächentemperaturen hervorzusagen. Das Ergebnis ist eine Matrix aus Grenzwerten und thermischen Regeln, die in Echtzeit angewandt wird, um die Energiezufuhr zu diversen Komponenten zu regeln. Erreicht wird dies mittels einer Kombination eines eingebetteten Controllers (EC), der mit jeder der Einzelkomponenten kommuniziert, und einer speziellen Software. Das Intel Dynamic Platform Thermal Framework (DPTF) stellt dabei das Software-Framework für Dells Energieverwaltung zur Verfügung.

Somit kann die Dynamic Power Mode Policy sich stets an die aktuellen Gegebenheiten anpassen. Wenn das System beispielsweise eingedockt ist, kann das Temperaturlimit erhöht werden. Genauso gilt im Umkehrschluss, dass das Limit abgesenkt wird, wenn das Gerät abgedockt verwendet wird. So wird sichergestellt, dass in jeder Situation die maximal mögliche Performance zur Verfügung steht.

Dell erklärt die Technik dabei wie folgt:

„Die Thermal- und Power Policy regelt dynamisch die Energiezufuhr, um jederzeit innerhalb der mechanischen Vorgaben, wie zum Beispiel der thermischen Aufnahmefähigkeit des Kühlkörpers oder der Wärmeleitfähigkeit der spezifischen Kühlkomponenten jedes einzelnen Systems, die maximale Leistungsfähigkeit zur Verfügung zu stellen. Indem die Werte in Echtzeit überwacht und als Eingabewerte für unter kontrollierten Laborbedingungen ermittelten Modellen dienen, kann sich das System der individuellen Umgebung des Benutzers sowie der spezifischen Anwendungs- und Lastsituation anpassen.“