Einführung

Liebe Leserinnen, liebe Leser,

in diesem Beitrag möchte ich einige interessanten Beobachtungen über die Evolution des Stromverbrauchs von Thinkpad T Serie Laptops (und individuellen Komponenten) über 4 Generationen teilen. Als Basismaschine steht ein T420 zur Verfügung, und ich werde es mit einem T460-Rechner vergleichen. Die wichtigste Spezifikationen der Maschinen sind unten tabelliert:


Hardware-Spezifikationen


Lenovo Thinkpad T420 T460
CPU i5-2520M i5-6200U
GPU HD Graphics 3000 HD Graphics 520
Arbeitsspeicher DDR3-1333 MHz DDR3-1600 MHz
Chipsatz Intel Cougar Point QM67 Intel Sunrise Point-LP
WLAN Intel N6205 Intel AC8260
Speicher EVO-850 SSD EVO-860 SSD
Display 1366x768 TN 1920x1080 IPS

Eine bemerkenswerte Sache ist die DDR3 Arbeitsspeicher bei dem T460, die für mich ein bisschen überraschend war, weil Gen. 6 Core Prozessoren (Skylake) DDR4 Arbeitsspeicher schon unterstützen. Anscheinend gibt es mindestens zwei offiziellen Versionen von der T460 Maschinen: eine wird mit DDR3 und die andere mit DDR4 ausgerüstet. Optisch, oder aus dem Gesichstpunkt der Modellnummer, gibt es überhaupt keine Unterschiede bei dieser Maschinen. Beide werden als “Thinkpad T460” verkauft. Wenn man den Typ der Arbeitsspeicher herausfinden will, muss der Computer unbedingt eingeschaltet werden, oder das Innere der Maschine kann auch untersucht werden. Das wäre dennoch interessant zu wissen, warum Lenovo sich für die Verschleierung dieses sehr wichtigen Unterschiedes entschieden hat.

DISCLAIMER:
Diese Maschinen verfügen überwiegend über Intel-basierte Komponenten, und daher kann ich über die Sachen auf Intels Flanke diskutieren. Natürlich wäre es auch interessant zu sehen, wie AMD und ARM ihre Sachen entwickelt haben, aber dieser Beitrag wurde hautpächlich von Chance inspiriert (solche Maschinen sind bei mir gleichzeitig vorhanden), deshalb können Trends für diese anderen Produkten leider nicht erforscht werden.


Methodologie

Um eine halbübergreifende Ansicht über die Trends dieser Zeitspanne zu bekommen, habe ich mit diesen Maschinen eine Reihe von Tests gemacht. Wegen des vorhandenen Messgeräts sind dennoch diese Messungen bei Weitem nicht pünktlich. Das Gerät ist ein einfacher Leistungsmesser, der fast in jedes Haushaltselektronikgeschäft erworben werden kann, dewegen ist das nicht überraschend, dass das Gerät bei den Eingabeänderungen langsam reagiert, die gezeigte Werte ein bisschen fluktuieren, und es ermöglicht feinere Messungen als Watt nicht. In diesem Sinne muss ich das betonen, dass alle unten zu sehende Daten nur für informative Zwecke geteilt sind.

Ich habe sowohl Linux (Gentoo stable, Kernel 4.14), als auch Windows (7 und 10) für meine Messungen benutzt. Man könnte behaupten, dass wenn man auf beide Laptops nicht die gleiche Fassung von Windows benutzt, verringert das die Vergleichbarkeit der Ergebnisse, aber ich habe zwei Einwände gegen solche Gedanken:

  1. Beide Computer verwenden eine Fassung von Windows, die für die dazugehörigen Computer Entwickelt wurden, und daher ist es davon anzugehen, dass die Computer bestimmungsgemäß getestet würden. Das macht den Vergleich gültig.
  2. Die Ungenauigkeit des Messungsgeräts führt ein größerer Fehler als der Fehler, der aus der unterschiedliche Fassungen von Windows stammt, ein. Weiterhin, wenn es wirklich einen Unterschied zwischen die Energiemanagements dieser Betriebssysteme gibt, wird das das parallel verwendete Linux-System zeigen.

Kurzerhand habe ich gewährleistet, dass die Akkus nicht aufladen, und keine andere resourssenintensiven Aufgaben laufen im Hintergrund. Das ist bemerkenswert, dass es besonders schwer war, die zweite Sache unter Windows 10 zu erreichen, weil Win10 für mehrere Minuten etwas Prozessor- und Festplattenintesives im Hintergrund immer macht (besonders in der erste Halbstunde eines Neustarts). Solche Prozessen heißen “Windows Modules Installer Worker”, “Office click-to-run (SxS)” oder “Compatibility telemetry”, aber der Virenscanner macht eine resourssenintensiven Aktualisierung auch, die zu einem Race für den Prozessor führt. Meiner Meinung nach war Windows 7 aus diesem Gesichstpunkt viel besser, weil es außerhalb der gewöhnichen kurzen Windows Update Checks nicht so viele Sachen im Hintergrund macht, und das ermöglicht nach der Anlauf eine schnelle Ausführung der Tests. Unter Gentoo Linux gibt es auch keine solche Probleme, deswegen verwende ich das als mein Hauptbetriebsystem.

Sowieso, diese Sachen brauchen keine mehr Diskussion (aber sie sind festzuhalten). Die Methoden für die Tests sind unten dargestellt:

  • Inaktiver CPU, volle Helligkeit (IC, FB): Komplett inaktives System mit maximaler Displayhelligkeit
  • Inaktiver CPU, halbe Helligkeit (IC, HB): Komplett inaktives System mit halber Displayhelligkeit
  • Inaktiver CPU, minimale Helligkeit (IC, MB): Komplett inaktives System mit am kleinsten Displayhelligkeit (aber nicht ausgeschaltet)
  • Inaktiver CPU, volle Helligkeit, Wifi aus (IC, FB, W0): Komplett inaktives System mit maximaler Displayhelligkeit und ausgeschalteter Drahtlosverbindung
  • Voller CPU, volle Helligkeit (FC, FB): Prozessor völlig benutzt und maximaler Displayhelligkeit
  • Voller CPU+FPU, volle Helligkeit (FCF, FB): Gleiche Sache wie oben, aber FPU wurde auch völlig benutzt
  • Voller Arbeitsspeicher, volle Helligkeit (FM, FB): intensive Arbeitsspeicher Nutzung und Prozessor völlig benutzt
  • Voller GPU, volle Helligkeit (FG, FB): GPU wurde 100% benutzt mit maximaler Displayhelligkeit

Auf Windows habe ich AIDA64 und FurMark Software verwendet, um die verschiedenen Systemteile zu belasten. Die zweite wurde nur für die Belastung des GPU benutzt. Auf Linux habe ich für die Prozessorbelastung das folgende Kommando verwendet:
seq 8 | xargs -P0 -n1 md5sum /dev/zero

GPU-, Arbeitsspeicher- und FPU-Messungen wurden unter Linux nicht ausgeführt, weil keine Unterschiede bei dem Leistungsverbrauch zwischen Betriebssysteme erwartet war. Diese Vermutung ist von der CPU-Ergebnisse unterstüzt. Falls es Unterschiede zwischen den Betriebssystemen gibt, werden sie bei dem Energiesparmodus spurbar sein (weil sich die Energieverwaltungsimplementationen unterschieden), und deshalb werden sie in den anderen Tests enthüllt werden.


Ergebnisse und Diskussion



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Bevor die Diskussion der Ergebnisse gestartet werden kann, ist die folgende Tatsache wichtig zu betonen: alle Daten wurden bei maximaler Nutzung gesammelt, sofern es anders nicht bemerkt ist. Rohdaten sind in dem Nachtrag dieses Beitrags zu finden.

Basissystem

Abhängig von dem Betriebssystem ist die ganze Leistungsverbrauch des T460 in einem inaktiven Zustand 4-5W niedriger als bei dem T420, der eine Verringerung von ~50% ist. Es würde so erscheinen, dass es von dem Gesichtspunkt des Leistungsverbrauchs keinen Unterschied zwischen Linux und Windows bei dem T420 gibt, aber es gibt einen Unterschied bei dem T460: unter Linux scheint das System mehr Strom (+1 Watt) zu verbrauchen. Es wäre interessant zu wissen, warum es einen Unterschied zwischen die Betriebssysteme bei dem T460 gibt, und warum es keinen Unterschied bei dem älteren Typ gibt. Meiner Meinung nach hat sich die Situation so herausgestellt, weil die Energieverwaltung unter Windows schneller als unter Linux entwickelt wurde. Diese Unstimmigkeit könnte auch treiberbezogen sein, aber das ist nur eine Spekulation. Das weitere 4-5 W könnte bei dem älteren Thinkpad aus dem höheren inaktiven Energieverbrauch des i5-2520M stammen, aber die schlechtere Energieeffizienz des Chipsatzes oder SSD könnten auch ein paar Watt mitwirken.

Display

Bei den Bildschirmen gibt es interessante Ergebnisse auch. Bei voller Helligkeit konnte ich keinen Unterschied zwischen dem älteren TN und neueren IPS Display feststellen, aber bei halber Helligkeit passierte etwas Interessantes bei dem T460 mal wieder, als unteschiedliche Betriebssysteme getestet wurden. Bei Linux scheint das IPS-Display 1 Watt mehr Strom zu verbrauchen. Ich habe es mehrmals gemessen, aber die Ergebnisse waren beständig: es gibt wirklich 1 W zusätzlichen Stromverbrauch bei halber Displayhelligkeit. Mal wieder, das passierte bei dem T420 nicht, also die unterschiedlichen LCD-Technolgien könnten irgendwie zu dieser Unstimmigkeit beitragen. Ich kann gar nicht vermuten, warum diese Unstimmigkeiten bestehen, weil ich keine Ahnung über die Implementierung der Helligkeitsteuerung habe, deswegen werde ich weitere Spekulation dem Publikum lassen.

CPU

Voller Prozessorverbrauch hat etwas Interessantes gezeigt, aber die selbstverständliche Sachen sollen zuerst aus dem Weg gestellt werden. Erwartungsgemäß war der i5-6200U effizienter, und in diesem Fall gab es keine Unstimmigkeiten zwischen Linux und Windows. Eine verblüffende Sache wurde während des Leistungtests entdeckt, weil der Gesamtenergieverbrauch für den i5-2520M 21 W und für den i5-6200U bei 100% Leistung nur 12 W ist. Warum ist das dann bemerkenswert? Einfach gesagt, weil die Verlustleistung ursprünglich 35 W für den 2520M und 15 W für den 6200U ist (wie es in den runden Klammern der Tabelle zu sehen ist), die 40% und 20% niedriger als die Werkspezifikationen sind. Bei allen Tests habe ich sichergestellt, dass alle Kernen völlig belastet werden, also das sind interessante Ergebnisse. Ich denke, dass Intel die thermische Auslegung mit ein bisschen Überschuss entworfen hat, um die zusätzlichen thermisch aktiven Teile auf dem Chip bedienen zu können. Mal wieder, das ist nur eine Vermutung.

Es ist auch eine gute Idee, diese Ergebnisse aus dem Gesichstpunkt der Rechenleistung zu untersuchen. Laut passmark.com wurde die Single-Thread-Leistung im Verlauf der Jahre nicht erhöht, aber die Wertung des CPU Benchmarks (Multi-Thread) war höher (4016 statt 3584), die eine Zunahme von 12% ist. Wenn man die Punkt pro Watt (PPW) Wertung für die Gesamtwertung des Prozessors berechnet, bekommt man 170.6 (102.4) PPW für 2520M und 334.7 (267.7) PPW für 6200U, die eine 96% Steigerung von Effizienz ist. Single Thread PPW Werte sind das Folgende: 71.2 (42.7) und 124.9 (99.9), wo eine 75% (134%) Erhöhung von Effizienz zu sehen ist. Die Werte zwischen runden Klammern sind auf werkspezifiziertem Energieverbrauch basiert, und die Werte außerhalb den Klammern sind gemessene Verbrauchswerte.

WLAN

Der WLAN-Test hat auch etwas Interessantes ergeben. Es würde so erscheinen, dass die ältere N6205 Karte ein messbares Watt Strom verbraucht, aber bei dem neueren AC8260 konnte ich nichts mit dem Gerät messen, ungeachtet des Statuses (ein- oder ausgeschaltet) des Wififunks. Ein weiterer Punkt für die neuere Technologie.

FPU

Die FPU-Tests haben erwartete Sachen gezeigt: das neuere Gerät verbrauchte 5 W weniger als das ältere, aber die verblüffende Sache ist, dass es eine Minderung von 50% ist.

Arbeitsspeicher

Vielleicht ist die überraschendste Ergebnis aus dem Gesichstpunkt des Arbeitsspeichers zu sehen, wo die vorherige Tendenz umgewandt hat: der T460 war schlechter als der T420. Der Belastungstest ergab einen deutlich höheren Energieverbrauch von 3 W für den T460 als für den älteren Computer, der eine 2,5x Steigerung ist. Man könnte behaupten, dass die 20% höhere Taktfreqenz der Speichermodule des T460 zu einem erhöhten Energieverbrauch führen könnte, aber das verdeutlicht die Steigerung von 125% nicht. Aber, nehmen wir an, dass Speichermodule mit zweifach mehr Kapazität zweifach mehr Strom verbrauchen (8 und 16 GB -> 2 und 4 W), und eine 20% höhere Taktfreqenz führt zu einer vergleichbaren Erhöhung des Energieverbrauchs (das ist so: ~12%), dann sind die obengenannte Ergebnisse sinnvoll. Die Generation der Technologie wurde in diesen Maschinen nicht geändert, deswegen gibt es keine Verbesserung aus dem Gesichstpunkt von Energieeffizienz.

GPU

Nach den vorher dargestellten Trends ist das keine Überraschung, dass in diesem Bereich die neue Generation erneut niedriger Stromverbrauch zeigte, nämlich ~14%. Die ins Auge springende Sache ist, dass alle diese Verbesserungen laut passmark.com mit einem Erhöhung der G2D (~16%) und G3D (~164%) Leistungen erreicht wurde. Das führt zu 13,9 PPW G2D und 9,8 PPW G3D für den HD3000, und 18,5 PPW G2D und 29,6 PPW G3D Werte für den HD520. Das ist eine Effeizienzverbesserung von 33% und 202% über 4 Generationen!


Fazit



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Das oben zu sehende Bild bietet eine Teilübersicht der Ergebnisse, die früher in diesem Beitrag dargestellt wurden. Mal wieder, das ist offensichtlich, dass Intel eine großartige Arbeit bei der Minderung des Stromverbrauchs geleistet hat, und mittlerweile wurde die Rechenleistung von GPUs und CPUs auch erhöht. Das ergab eine sprunghafte Steigerung der Effizienz der Teile, die in einer mobilen Umgebung immer willkommen ist.

Das Basissystem hat Effizienzverbesserungen auch bekommen, die zu einer 50% Minderung des Stromverbrauchs führte. Das bedeutet, dass der Chipsatz, Prozessor und das Speichermedium in einem inaktiven Zustand nicht mehr als ein paar Watt Strom zur Funktionsfähigkeit verbraucht.

Displays wurden in diesen letzten ein paar Jahren aus diesem Gesichstpunkt anscheinend nicht enwickelt, aber wegen 3 Watt bei maximaler Helligkeit soll man sich keine Sorgen machen. Andererseits, dank der immer steigenden Effizienz des Basissystems werden Displays eine bedeutende Hinderung für akkubetriebene Systeme sein, weil im inaktiven Modus das Display für die hälfte der insgesamt verbrauchten Energie verantwortlich ist. Hoffentlich könnte das bedeuten, dass in nicht allzu ferner Zukunft OLED-Displays auch in Laptops üblicher werden, weil heutzutage ein oder zwei gespartes Watt eine deutlich längere Akkulaufzeit bedeuten könnte.

Weil ich in beide Maschinen die gleiche Arbeitsspeichertechnologie hatte, gibt es hier nichts Bedeutendes zusammenfassen, abgesehen von des höheren Energieverbrauchs, die aus höherer Kapazität und Taktfreqenz stammt.

Ich war über die Leistungen der WLAN-Karte ein bisschen überrascht, weil in diesem Bereich neuere Technolgien so große Entwicklungen erreicht haben, dass mein Messgerät bei der neueren AC8260-Karte keine Daten erstellen konnte. Dank der Ungenauigkeit des Messgeräts war das auch so, aber nichtsdestoweniger war das gar eindrücklich.

Wie immer, vielen Dank fürs Lesen.


Nachtrag


Energieverbrauch der Teile T420 (Linux) T420 (Win7) T460 (Linux) T460 (Win10)
Basissystem (chipset+idleCPU+SSD) 8 W 8 W 4 W 3 W
Display 100% 3 W 3 W 3 W 3 W
Display 50% 1 W 1 W 2 W 1 W
CPU 100% 21 (35) W 21 (35) W 12 (15) W 12 (15) W
Wifi 1 W 1 W 0 W 0 W
FPU n/a 13 W n/a 7 W
Memory 100% n/a 2 W n/a 5 W
GPU 100% n/a 32 W n/a 28 W


Gesamter Energieverbrauch T420 (Linux) T420 (Win7) T460 (Linux) T460 (Win10)
idle CPU, full brightness (IC, FB) 11 W 11 W 7 W 6 W
idle CPU, half brightness (IC, HB) 9 W 9 W 6 W 4 W
idle CPU, min. brightness (IC, MB) 8 W 8 W 4 W 3 W
idle CPU, full brightness, wifi off (IC, FB, WO) 10 W 10 W 7 W 6 W
full CPU, full brightness (FC, FB) 32 W 32 W 19 W 18 W
full CPU+FPU, full brightness (FCF, FB) n/a 45 W n/a 25 W
full mem, full brightness (FM, FB) n/a 34 W n/a 23 W
full GPU, full brightness (FG, FB) n/a 43 W n/a 34 W

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