Technische Details zu Undervolting

Einführung

Unter Undervolting versteht man die gezielte Reduzierung der elektrischen Spannung an CPU und GPU. Bei korrekter Anwendung hat Undervolting das Potenzial, die Temperatur und den Stromverbrauch des Systems leicht zu senken, ohne die Systemstabilität zu beeinträchtigen. Unter hoher Last kann Undervolting auch die Gesamtleistung erhöhen, da das Erreichen der Temperatur-Obergrenzen verzögert wird, wodurch die in der Spannung abgesenkte Komponenten mehr Zeit erhält, in welcher sie ihr volles Boost-Potenzial entfalten kann. Siehe auch:

• Welche XMG- und SCHENKER-Laptops unterstützen Undervolting?

Undervolting ist theoretisch auch bei Grafikkarten möglich, ist dort aber ungleich komplizierter und fehleranfälliger. Dieser Artikel behandelt deshalb ausschließlich CPU-Undervolting.

Methodik: Run-time vs. Boot-time

Es gibt grundsätzlich zwei Methoden, den "Voltage Offset"-Wert zu ändern.

• Über das BIOS-Setup direkt beim Systemstart (Boot-Time)
• Über eine Windows-Software im Laufenden Betrieb (Runtime)

Die Methoden haben unterschiedliche Vor- und Nachteile.

Welche Methode unterstützt wird, ist für das jeweilige Modelle in der o.g. Übersichts-Tabelle angegeben.

VBS blockiert Run-time Undervolting

Die Option "Speicher-Integrität" in den Sicherheitseinstellungen von Windows ist seit Windows 11 standardmäßig aktiviert. Diese Option ist auch bekannt als VBS (Virtalisation-based Security) oder HVCI (Hypervisor-protected Code Integrity).

Ist diese Funktion aktiv, ist CPU-Undervolting über die sogenannte "Run-time"-Methode grundsätzlich nicht möglich, da VBS den Zugriff von Software im laufenden Betrieb auf sicherheitsrelevante CPU-Register unterbindet.

Eine Deaktivierung der Speicherintegrität ist grundsätzlich möglich, um Run-time Undervolting zu erlauben. Dies reduziert jedoch das Sicherheitsniveau des Systems, da Schutzmechanismen gegen bestimmte Klassen von Malware und Kernel-Exploits außer Kraft gesetzt werden. Eine solche Änderung sollte daher nur bewusst und unter Abwägung der damit verbundenen Risiken erfolgen.

Potenzielles Sicherheitsrisiko durch Plundervolt

Ein System, welches die oben beschriebene "Run-time"-Methode unterstützt bzw. durch Deaktivierung von VBS zugänglich macht, birgt zusatzälich auch das Risiko, dass die Methode von Malware (bösartiger Software) dazu ausgenutzt wird, Geheimnisse aus geschützten Speicher-Bereichen zu ergattern, wie dies durch den Plundervolt-Exploit demonstriert wurde.

Hierbei ist es unerheblich, ob der Anwender selbst bereits ein Undervolting durchgeführt hat. Das Risiko liegt nicht in der Anwendung durch den Nutzer, sondern allein schon darin, ob Run-time Voltage Offset vom System zur Verfügung gestellt (erlaubt) wird.

Recovery-Methode zur Verhinderung von "No Boot"-Situation

Wie in der Tabelle oben erläutert, hat die "Boot time"-Methode das prinzipielle Risiko, dass ein übetriebenes Undervolting dazu führen kann, dass das System nicht mehr hochfahren kann – so dass man also auch nicht mehr ins BIOS-Setup kommt um die übertriebenen Werte zurückzunehmen. Dies nennt man eine "No Boot"-Situation. Eine solche Situation macht es erforderlich, die Tuning-Werte auf Umwegen wieder auf Standard zurückzusetzen. Ein einfacher CMOS-Reset (z.Bsp. durch Herausnahme der CMOS-Batterie) genügt hierfür nicht.

Automatische Wiederherstellung

Um diese Situation zu entschärfen, hatten wir in der XMG CORE- und NEO-Serie bereits im Jahr 2021 eine umfassende Recovery-Methode eingeführt. Hierbei erkennt der von der CPU unabhängig operierende EC-Mikrocontroller (EC = Embedded Controller), ob das System mehrmals hintereinander am Boot-Vorgang gescheitert ist. Sollte dies erkannt werden, sorgt die EC-Firmware dafür, dass der nächste Boot-Vorgang mit Standard-Werten ausgelöst wird, so dass der Anwender anschließend wieder ins BIOS-Setup kommt und die Werte anpassen kann. In manchen Modell-Serien sorgt die EC-Firmware auch direkt für einen BIOS-Reset.

Manuelle Wiederherstellung via Strg+B

Diese Wiederherstellung lässt sich auch manuell über den Hotkey "Strg+B" auslösen. Hält man diese Tastenkombination beim Kaltstart gedrückt, dann wird das Zurücksetzen der Tuning-Optionen manuell ausgelöst. Anschließend sollte man wieder ins BIOS-Setup gelangen, wo man weitere Einstellungen vornehmen kann.

Wichtige Hinweise:

• Recovery mit Strg+B funktioniert nur während eines Kaltstarts, nicht bei Neustart.
• Falls sich das Gerät aufgrund von nicht-bootfähigen Einstellungen in einer Reboot-Schleife befindet, muss es durch besonders langes Drücken der Einschalttaste zunächst vollständig ausgeschaltet werden. Es ist dann ausgeschaltet, wenn alle LEDs erloschen sind.
• Vor dem Kaltstart ist es erforderlich, dass man das Netzteil herauszieht und es kurz darauf wieder einsteckt.

Ausführliche Anleitung:

• System komplett ausschalten durch langen Druck auf den Power-Button. Das System ist dann ausgeschaltet, wenn alle LEDs erloschen sind.
• Netzteil herausziehen und wenige Momente später wieder einstecken.
• Strg+B gedrückt halten, die Einschalttaste betätigen, dabei aber Strg+B nicht loslassen.
• Die Wiederherstellung ist dann erfolgreich abgeschlossen, sobald die Display-Hintergrundbeleuchtung zu sehen ist. Spätestens dann kann man Strg+B loslassen und gleich F2 drücken, um ins BIOS-Setup zu gelangen.

Dauer des Recovery-Vorgangs je nach Modellreihe

Die Dauer, wie lange man Strg+B gedrückt halten muss bzw. wie lange man im Anschluss warten muss, hängt von der Modellreihe ab.

Sicherheit und Stabilität

CPU-Undervolting kann die Systemstabilität beeinträchtigen und (wie im vorherigen Abschnitt erläutert) dazu führen, dass sich das System nicht mehr hochfahren lässt. Daher ist es erforderlich, das System in kleinen Schritten an das Optimum heranzuführen und nach jedem Schritt zu testen.

In Punkto Stabilität gibt es zwischen "bootet nicht" (worst case) und "führt manchmal zu Abstürzen" eine große Grauzone. Daher kann man erst nach langer Testphase (ggf. mehrere Wochen) wirklich sicher sein, ob eine Undervolting-Einstellung stabil ist.

Undervolting gilt als nicht-destruktiv

Undervolting kann zwar die Systemstabilität beeinträchtigen oder sogar zu "No Boot"-Situationen führen. Aber dies gilt immer nur für Zeiträume, in denen auch wirklich entsprechend hohe Voltage-Offset-Werte anliegen. Sobald man diese wieder auf Null zurücksetzt, sind sämtliche Instabilitäten vorbei. Undervolting hat somit keine negative Nachwirkung und wirkt sich auch nicht negativ auf die Lebensdauer des Gerätes aus. Dies ist ein entscheidender Vorteil von Undervolting gegenüber Overvolting und Overclocking. Wir unterstützen daher Undervolting – aber nicht Overvolting.

Stabilitätstests

Es werden folgende Tests empfohlen:

• Prime95, Preset "Small FFT" mit deaktiviertem AVX
• AIDA64 System Stress Test
• Furmark, 3DMark oder Gaming Tests

Prime95 und AIDA64 testen standardmäßig nur die CPU. AIDA64 gilt hierbei als der härtere Test. Das Scheitern des eines solchen Tests kann sich in einem Bluescreen oder einem Programmabsturz bemerkbar machen. Bei AIDA64 könnte auch die Meldung "Hardware failure detected" erscheinen, wie im folgenden Screenshot zu sehen:

Sollten diese Tests keine Instabilitäten aufweisen, kann man auch noch GPU- und Gaming-Tests hinzuziehen. Auch wenn die Grafikkarte vom CPU-Undervolting unberührt ist, so ruft typische 3D-Last auch eine recht hohe und recht fluktuierende CPU-Last hervor, u.a. auch durch den intensiven Datenaustausch zwischen CPU und Grafikkarte über die PCI-Express-Schnittstelle.

Bei Vorfällen jeglicher Art: Undervolting zurücknehmen

Auch wenn die zuvor genannten Stabilitätstests erfolgreich verlaufen, heißt das noch nicht, dass die Undervolting-Einstellung zu 100% stabil ist. Instabilitäten können auch sporadisch bei variabler oder geringer Last auftreten.

Derartige Langzeit-Instabilitäten können sich in Symptomen wie Software-Abstürzen, Bluescreens, willkürliche System-Abschaltung, visuellen Bild-Artefakten oder Audio-Glitches äußern. Dies kann im Grenzbereich zwischen "stabil" und "instabil" ggf. auch erst nach mehreren Wochen aktiver Nutzung auftreten. Sollte es also jemals zu unerwarteten Vorfällen kommen, sollte man das Undervolting um ein paar Stufen zurückfahren und weitertesten bzw. weiterarbeiten.

Rückblick

Einige Ereignisse oder Trends der letzten Jahre haben die Unterstützung von Undervolting zunehmend erschwert – oder teilweise auch unmöglich gemacht. Die folgende Chronik stellt die Entwicklung der letzten Jahre dar.

Weitere Informationen

• Welche XMG- und SCHENKER-Laptops unterstützen Undervolting?
• Welche Tuning- und System-Software empfiehlt XMG?
• Sensor-Logging (CSV-Datei) mit HWiNFO64 zur Unterstützung von technischen Anfragen
• Relativ hohe Lüfterlautstärke bei vermeintlich geringer Last
• Reinigung des Kühlsystems