Jenseits der Taktfrequenz: Spannungsversorgung bei modernen CPUs

2.2 Ausgangskondensatorbank C2
Die Ausgangskondensatorbank C2 setzt sich bei Pentium III-Motherboards typisch aus circa 10 bis 20 Keramikkondensatoren und etwa vier bis acht hochwertigen 105°C Elektrolytkondensatoren zusammen. Weil der Prozessor hochdynamisch seine Stromaufnahme innerhalb weniger Taktzyklen von circa 10 bis auf 100 Prozent ändern kann, ist neben einer schnellen Regelung der Prozessorspannung auch eine niederimpedante Abblockung der Prozessorspannungsversorgungspins über einen weiten Frequenzbereich unerlässlich. Ist das nicht der Fall, können die Spannungstoleranzen des Prozessors nicht eingehalten werden.

An dieser Stelle kommen nur hochwertige Elektrolytkondensatoren in Frage, die mit maximalen Impedanzwerten spezifiziert sein müssen. Doch nicht selten werden auch hier von Motherboardherstellern ungeeignete oder zu wenig Kondensatoren verwendet. Bei der Dimensionierung dieser Ausgangskondensatorbank C2 ist besonders darauf zu Achten, dass die Impedanzstreuung der einzelnen Kondensatoren und der starke Anstieg des Impedanzverlaufs bei geringeren Temperaturen sicher aufgefangen wird. Beispiel: beträgt bei einem Elektrolytkondensator die max. Impedanz 44 mOhm bei 20°C so steigt diese auf 55 mOhm bei 5°C an. Das ist gleichbedeutend mit einem Anstieg der Rippelspannung um 25 Prozent. Für die Lebensdauer gelten die gleichen Zusammenhänge wie beim Eingangskondensator. Der Rippelstrom im Ausgangskondensator ist allerdings meistens geringer als im Eingangskondensator. Nochmals hier liegt das Augenmerk auf einem stabilen geringen Impedanzverlauf und das über einem weiten Frequenzbereich.

2.3 Die CPU-Versorgungsspannung
Alle Prozessorhersteller definieren Grenzwerte für den Betriebsbereich ihrer Produkte. Je nach Prozessortyp werden Werte für die statische und dynamische Genauigkeit angegeben. Um die Qualität eines Reglers zu beurteilen gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten.

Erstens, die Verwendung eines sogenannten Power Testers. Es handelt sich dabei um eine elektronische Last, die in den CPU – Sockel eingesteckt und programmiert werden kann. Hier können die vom Hersteller spezifizierten Lastsprünge und Stromwerte eingestellt werden. Dieser Test ist typischer Weise schärfer als die Realität und bedarf sehr viel Erfahrung bei der Interpretation der Messergebnisse, da der Einfluss des Power Testers auf das Ergebnis nicht vernachlässigbar ist. Die andere Möglichkeit, die näher an der Realität ist, besteht darin, die Messung mit der tatsächlichen CPU durchzuführen. Dazu wird eine spezielle Software gestartet, die in der Regel der CPU-Hersteller zur Verfügung stellt, um die CPU maximal zu belasten und so die ungünstigsten Umstände zu simulieren.

Die Abbildungen 6 bis 8 (weiter utnen) zeigen Messungen mit einem realen Prozessor. Die horizontalen Cursor stellen den Toleranzbereich dar, der nicht verlassen werden darf. Dass diese Grenzwerte nicht immer eingehalten werden, zeigt die Abbildung 8 eines Athlon-Boards von einem namhaften Hersteller. Die Abbildungen 6 und 7 zeigen das Fujitsu Siemens-Board D1289 für Athlon-Prozessoren. Wie auf der Abbildung 6 zu sehen ist, werden die Grenzwerte gut eingehalten, um Toleranzen in den Bauteilen auszugleichen und somit zuverlässige Qualität während des Produktionsprozesses zu gewährleisten.

Ein weiterer Aspekt ist die Temperatur der Halbeiter, die sich unter Maximallast einstellt. Auch hier gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den Herstellern. Bei manchen Mainboards erreichen die Halbleiter auf den Boards bis zu 120°C, während auf dem D1289 von Fujitsu Siemens die Temperaturen nicht über 95°C zu messen sind: Schon eine Temperaturerhöhung um 10°C bedeutet eine Halbierung der Lebensdauer des Bauteiles.