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C-States (Energie Zustand) nennt man Energiesparmodi in einem Prozessor (CPU). Bereits seit dem 486DX4 Prozessor (CPU) gibt es Energiesparmodi. Diese sollen den Stromverbrauch, aber auch die Temperatur des Prozessors regeln. Bei aktuellen Hochleistungsprozessoren hat man die Energiesparmodi mit der Zeit noch erweitert.

Wie funktionieren die C-States?

Wenn ein Prozessor im Leerlauf ist, oder z.B. Prozessorkerne (Cores) nicht benötigt werden, reduziert der Prozessor selbstständig die Leistung. Das geschieht in verschiedenen Schritten.  Wie viele Schritte ein Prozessor unterstützt hängt vom Alter und vom Einsatzgebiet ab. Ältere Prozessoren z.B. besitzen noch wenige C-State Schritte. Auch gibt es Unterschiede zwischen Desktopprozessoren und Prozessoren für Mobile Geräte. Bei mobilen Geräten kommt es deutlich mehr auf eine gute Energieeinteilung an, als z.B. beim Schreibtischcomputer, der ja sowieso immer an der Steckdose angeschlossen ist.
Damit ein Prozessor in den Energiesparmodus wechselt muss dieser eine bestimmte Zeit im Leerlauf sein. Es reicht auch, wenn einzelne Prozessorkerne im Leerlauf sind. So kann z.B. ein 4-Kern Prozessor 2 oder 3 seiner Kerne in den Energiesparmodus setzen und nur noch 1 oder 2 Kerne verrichten die Arbeit.
Sobald dann wieder mehr Leistung vom Prozessor verlangt wird schaltet dieser zurück in den normalen Arbeitsmodus.

Bremst C-State einen Prozessor aus?

Nun ja, wenn man ständig von einem geringen Gebrauch in einen Hochleistungsgebrauch wechseln würde, könnte man sicher gegenüber einer durchgängigen Vollleistung einen Unterschied feststellen. Nur das macht sicher keiner. Bis zum Energiesparmodus C2 (siehe unten) benötigt ein Prozessor nur Nanosekunden um zur vollen Leistung zurück zu kehren. Befindet sich der Prozessor bereits im C5 Modus dauert es durchschnittlich 250 Mikrosekunden bis der Prozessor wieder seine volle Leistung erreicht hat.

Welche C-State Energiesparmodi gibt es?

In der folgenden Tabelle habe ich die derzeit verfügbaren 9 C-State Modi  aufgeführt. Alle 9 Modi werden nicht von allen Prozessoren unterstützt. Wie oben bereits beschrieben, verwenden Prozessoren, je nach Anwendungsgebiet, immer nur eine bestimmte Auswahl dieser C-State Energiesparmodi.

C-State Funktion Intel-Prozessoren AMD-Prozessoren Zeit zurück bis Vollleistung
C0 Standard Vollleistung Alle Alle Vollleistung
C1 Halt Interner CPU Takt wird teilweise per Software angehalten Interner CPU Takt wird teilweise per Software angehalten ~ 10 ns
C1E Erweiterter Halt Interner CPU Takt wird teilweise per Software angehalten und reduziert die CPU Spannung  (Vcore) Interner CPU Takt wird komplett per Software angehalten > 10 ns
C2 Stopp Interner CPU Takt wird per Hardware angehalten Interner CPU Takt wird per Hardware angehalten ~ 100 ns
C2E Erweiterter Stopp Interner CPU Takt wird per Hardware angehalten und reduziert die CPU Spannung  (Vcore) Nicht vorhanden > 100 ns
C3 Schlaf / Tiefschlaf Interner (Schlaf) bzw. Interner und externer (Tiefschlaf) CPU Takt wird komplett angehalten. Der Level 1 Cache wird geleert. Interner (Schlaf) bzw. Interner und externer (Tiefschlaf) CPU Takt wird komplett angehalten. Teilweise mit Reduzierung der CPU Spannung  (Vcore) ~ 50 µs
C4 Tieferer Schlaf Reduziert die CPU Spannung (Vcore) deutlich. Der Level 1 und Level 2 Cache wird geleert Reduziert die CPU Spannung (Vcore) deutlich. Der Level 1 und Level 2 Cache wird geleert. ~ 150 µs
C4E / C5 Erweiterter Tieferer Schlaf Reduziert die CPU Spannung (Vcore) noch weiter und schaltet den Cache aus Nicht vorhanden ~ 250 µs
C6 Spannungsabschaltung Reduziert die CPU Spannung (Vcore) auf Werte nahe 0 Volt Nicht vorhanden > 250 µs

Bringt C-State große Energieeinsparungen?

Nun ja, die C-State Technik haben die Prozessorhersteller alle in ihre CPUs integriert. Das macht natürlich auch immer einen guten Eindruck, wenn man mit "Energiesparmodi" werben kann.
Unter dem Strich hängt die Effektivität der C-State Energieeinsparung auch vom Anwender und den Betriebssystemeinstellungen sowie von den installierten Programmen ab.
Wenn man z.B.  einen schönen Bildschirmschoner einsetzt, der bei Arbeitspausen den Prozessor belastet, wird dieser nicht in einen Energiesparenden C-State Zustand wechseln können.  Auch sind aktuelle Virenscanner, Beschleunigungstools oder die Windows Suchfunktion so eingestellt, dass sie gerade bei Arbeitspausen, also im theoretischen Leerlauf, anspringen und ihre Arbeiten durchführen. Damit wird ein Prozessor dann auch nicht in einen hohen Energiesparmodus wechseln können.
Dazu kommen die aktuellen Betriebssysteme. Selbst wenn Programme theoretisch nur einen Prozessorkern unterstützen, verteilen diese die Aufgaben auf mehrere Kerne, so dass jeder etwas zu tuen hat. Das ist zwar gut für die Leistung des Computers, aber schlecht um Energie zu sparen.

Was sind in diesem Zusammenhang Turbo Boost bzw. Turbo Core?

Oft liest man im Zusammenhang mit C-State auch etwas von "Torbo Boost" bzw. "Turbo Core". "Turbo Boost" ist eine Technik vom Prozessorhersteller "Intel" und "Turbo Core" eine ähnliche Technik des Prozessorherstellers "AMD".  Beide Techniken werden in aktuellen Prozessoren genutzt um die Leistung zu steigern. Geht ein Kern oder sogar mehrere Prozessorkerne in einen Energiesparenden C-State Modus, erhöht diese Technik die Leistung der aktiven Prozessorkerne entsprechend. Damit wird dann zwar keine Energie gespart, aber die Leistung des Prozessors wird erhöht. Verwendet ein Programm z.B. nur zwei Kerne eines aktuellen 4-Kern Prozessors, und die anderen beiden Kerne gehen in einen bestimmten C-State Energiesparmodus, erhöht der Prozessor den Takt der beiden aktiven Kerne um festgelegte Schritte. Damit wird der Prozessor nicht wärmer und verbraucht nicht mehr Energie als wenn alle 4 Kerne benutzt würden, aber das Programm läuft auf den beiden verwendeten Prozessorkernen schneller als mit den Standardwerten.

Fazit:

Energiesparen ist in der heutigen Zeit generell wichtig und überall erwünscht. Egal wohin man hin schaut, fast alle Anbieter von elektrischen Geräten werben mit "hoher Energieeinsparung" oder "geringem Energieverbrauch".  Gerade bei tragbaren Computern (Laptops / Netbooks) ist ein geringer Stromverbrauch für das lange Arbeiten unterwegs unerlässlich. Allerdings möchten die meisten Anwender auch eine hohe Leistung haben. Beides zusammen verträgt sich aber leider nicht.
Werben Prozessorhersteller mit speziellen Energiesparmodi, wie dem hier beschriebenen "C-State", macht das sicher einen guten Eindruck. Allerdings wie hoch die Energieeinsparung im Endeffekt ist, hängt auch vom Anwender ab. Möchte man Energie sparen, müssen im Betriebssystem und in den Anwenderprogrammen einige Einstellungen vorgenommen werden,  die dann aber optische und funktionelle Einschränkungen mit sich bringen.

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Letzte Aktualisierung: 25.02.2017
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