Intel-CPU: Haswells Spannungsregler spult durchs Chipgehäuse

Wann immer der Designer einer integrierten Schaltung eine Wellenlinie ins Blockdiagramm zeichnen will, dürfte ein ihm zusehender Kollege zumindest ein "Ähm..." äußern. Denn dieses Symbol steht für eine Spule, die neben Widerstand und Kondensator eines der drei passiven Grundelemente der klassischen Elektronik ist. Im Vergleich zu den beiden anderen Bauelementen ist eine Spule aber riesig - erst recht, wenn sie auf dem kleinen Chipgehäuse (Substrat) eines modernen PC-Prozessors verbaut werden soll.

So muss es wohl auch den Intel-Entwicklern gegangen sein, die nun auf der International Solid State Circuits Conference (ISSCC) einige Spezialitäten des Haswell-Designs vorgestellt haben. Die Aufgabe war unter anderem, einen voll auf dem Chipgehäuse integrierbaren Spannungsregler (FIVR) zu konstruieren. Dies ist in der Architektur der Plattform eine der größten Änderungen bei Haswell.

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Leistungstransistoren (FET) und Spulen liegen im Chipgehäuse. (Bilder: Intel)

Statt der bis zu 13 externen Spannungsregler - dabei sind die einzelnen Rails mitgezählt - sollte es bei Haswell außerhalb der CPU nur noch zwei geben. Im Inneren des Prozessors sollten die nach Intels bisherigen Veröffentlichungen mindestens fünf verschiedenen Spannungen direkt erzeugt werden.

Dazu sind mehrere Ketten von passiven Bauelementen nötig, vor allem die platzraubenden Spulen. Im Substrat eines Chipgehäuses, den typischen grünen Plastikträgern, sind aber ohnehin schon mehrere Schichten wie bei anderen Platinen auch vorhanden. Also hat Intel die Verbindungen zwischen diesen Schichten, die sogenannten Traces aus Metall, als Spulen zweckentfremdet. Dafür ist bei den Bereichen, die nicht von Kontakten des Chips belegt sind, reichlich Raum vorhanden.

Da man mit dem Tieferlegen von Schaltungsteilen schon angefangen hatte, wurden auch noch die Kondensatoren, die bei zwei großen, voneinander isolierten Flächen besonders effizient sind, ins Substrat versenkt. In seinen Diagrammen nennt Intel die Spulen übrigens teilweise "Air Core Inductors" oder ACI, weil sie keinen Kern besitzen. Luft ist aber im Haswell-Substrat auch nicht vorhanden, der Begriff des ACI ist jedoch verbreitet.

Dieser ganze Aufwand, der auch die Herstellung des sonst recht simplen Chipgehäuses verteuert, dient nicht nur dem Stromsparen - auch wenn das ein Ziel war. So ist der integrierte Spannungsregler schon bei einer Stromstärke von nur etwas mehr als einem Ampere zu 90 Prozent effizient, ein Design mit vier Phasen erreicht das erst bei 4 Ampere. Wichtiger war der FIVR für die Leistung der integrierten Grafikkerne, die sich wie beim Schritt zum Vorgänger, Ivy Bridge, bei Haswell wieder deutlich erhöhen sollte.

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Der FIVR erlaubt mehr Grafikleistung. (Bilder: Intel)

Das erreichte Intel nicht nur durch mehr Rechenwerke, sondern auch durch einen höheren Takt der integrierten GPU, was in der Regel auch eine höhere Spannung voraussetzt. Da sich die Leistungsaufnahme der GPU aber nicht drastisch steigern sollte, war eine flachere Kurve für das Verhältnis von Takt und Leistungsaufnahme nötig. Auch das wurde durch den integrierten Spannungsregler erreicht. Damit dieser FIVR funktioniert, kamen auch noch andere Kniffe wie ein Frequenzsynthesizer zum Einsatz, insgesamt stellt der FIVR für Haswell 16 Phasen zur Verfügung.