Руководство по разгону процессора на примере Intel Core i7-3770K

Сергей Пахомов

Теория разгона

Зависимость производительности процессора от тактовой частоты

Зависимость энергопотребления процессора от тактовой частоты и напряжения питания

Какой процессор лучше разгонять

Особенности разгона процессоров семейств Ivy Bridge и Sandy Bridge

Способы разгона процессора K-серии путем изменения коэффициента умножения

Разгон частично разблокированных процессоров

Типы напряжений питания процессора

От теории к практике

Настройки UEFI BIOS

Зависимость энергопотребления процессора от тактовой частоты при неизменном напряжении

Зависимость энергопотребления процессора от напряжения V_core при неизменной тактовой частоте

Зависимость напряжения питания V_core от настроек LLC

Разгон процессора Intel Core i7-3770K

Заключение

В последнее время разгон процессора становится всё более актуальной темой. Этой проблеме посвящено немало материалов в Интернете, где даже созданы специализированные сайты и форумы для оверклокеров. Подливают масла в огонь и производители материнских плат и процессоров. Компания Intel (в дальнейшем мы будем говорить исключительно о процессорах Intel, поскольку процессоры AMD, на наш взгляд, просто не заслуживают внимания в сравнении с ними) начала выпускать специализированную К-серию процессоров с разблокированным коэффициентом умножения, которые предназначены специально для разгона.

Производители материнских плат, пытаясь завоевать признание пользователей, не только допускают возможность разгона на своих материнских платах, но и прилагают к ним различные утилиты, упрощающие процесс разгона. Есть даже решения (хотя и весьма неэффективные), когда разгон производится поворотом ручки на самой материнской плате.

Кроме того, сейчас ежегодно проводятся официальные соревнования оверклокеров, и если так пойдет и дальше, то разгон процессоров скоро станет спортивной дисциплиной.

Отметим, что с появлением несколько лет назад процессоров, поддерживающих технологию динамического разгона, называемую Intel Turbo Boost, разгон стал для них естественным процессом. Все современные процессоры Intel поддерживают эту технологию, а следовательно, при определенных условиях, о которых мы расскажем далее, способны увеличивать свою тактовую частоту. К разгону процессора можно относиться по-разному. Одних пользователей эта проблема вообще не волнует (зачастую они даже не подозревают, что их процессор динамически разгоняется самостоятельно). Другие являются противниками разгона системы, по-старинке полагая, что достигаемый рост производительности отражается на стабильности работы системы, ну а третья категория пользователей — это убежденные приверженцы разгона, то есть оверклокеры.

Наша статья ориентирована в первую очередь на начинающих пользователей, которые, возможно, приобрели свой первый компьютер, но слышали об оверклокинге и хотят попробовать самостоятельно разогнать процессор.

Сразу же оговоримся, что существует два типа разгона. Первый — это экстремальный разгон с применением жидкого азота. Это разгон ради разгона — в результате могут быть достигнуты рекордные показатели, но работать на таких компьютерах невозможно. Подобные эксперименты проводятся только для фиксации рекордных результатов, а для обычного пользователя такой разгон интереса не представляет.

Вторым типом разгона является разгон с целью повышения производительности процессора без ущерба для стабильности работы. Он реализуется с использованием воздушного (реже водяного) охлаждения. Именно о таком типе разгона и пойдет речь.

Теория разгона

Традиционно под разгоном процессора понимают увеличение его тактовой частоты выше номинальной. Собственно, отсюда и термин Overclock, который дословно означает «превышение тактовой частоты».

Если, к примеру, вы приобрели компьютер с процессором Intel Core i5-2500K, имеющим номинальную тактовую частоту 3,3 ГГц, то путем несложных манипуляций его можно заставить стабильно работать на частоте 5 ГГц, а если повезет, то и на более высокой.

О том, как это сделать, и пойдет речь в данной статье, однако прежде чем приступить к практике разгона, давайте рассмотрим в общих чертах теорию.

Современный процессор имеет множество различных характеристик, которые в совокупности определяют его производительность. Это и архитектура, и количество ядер, и тактовая частота, и размер кэшей, а также поддержка технологии Hyper-Threading, технологии динамического разгона, технологий энергосбережения и пр. Но из всех перечисленных характеристик, влияющих на производительность процессора, пользователь может изменить только одну — тактовую частоту процессора. Конечно, можно заблокировать некоторые функции либо использование всех ядер процессора, однако это приведет не к росту, а, наоборот, к падению производительности. То есть для повышения производительности процессора у пользователя есть только одна возможность — увеличить его тактовую частоту.

Зависимость производительности процессора от тактовой частоты

Прежде всего необходимо разобраться, почему и как производительность процессора зависит от его тактовой частоты.

Понятно, что под производительностью процессора принято понимать скорость выполнения им программ. Чем быстрее процессор выполняет программу, тем он производительнее. В качестве примера можно рассмотреть процесс конвертирования аудиофайла в формат MP3. Из двух процессоров более производительным мы считаем тот, который быстрее выполняет конвертирование. Другой пример — финальный рендеринг сцены, созданной в какой­либо программе по трехмерному моделированию. Чем быстрее процессор справится с задачей рендеринга, тем выше его производительность. То есть производительность процессора напрямую связана со скоростью выполнения им программного кода. Собственно, именно таким образом и трактуется производительность процессора (Performance), под которой понимают скорость выполнения им инструкций программного кода (Instruction Per Second, IPS) или количество инструкций, выполняемых в единицу времени (за одну секунду). Если попытаться записать данное определение в виде математической формулы, то получится следующее:

За каждый такт, то есть промежуток времени, обратный тактовой частоте, процессор выполняет определенное количество инструкций. Поэтому вместо количества инструкций программного кода, выполняемых за единицу времени, удобнее рассматривать количество инструкций программного кода, выполняемых за один такт процессора (Instruction Per Clock, IPC).

Переписав выражение для производительности процессора в виде произведения количества инструкций, выполняемых за один такт процессора, на количество тактов процессора за единицу времени (тактовая частота процессора, F), получим:

Как видите, производительность процессора прямо пропорциональна как тактовой частоте, так и количеству инструкций, выполняемых за один такт. Из этой формулы также следует, что существует два принципиально разных подхода к увеличению производительности процессора. Первый из них заключается в увеличении тактовой частоты, а второй — в увеличении IPC. Однако, как мы уже отмечали, пользователю доступен лишь первый подход, то есть увеличение тактовой частоты, поскольку IPC определяется микроархитектурой процессора, количеством ядер, размером кэшей и другими, не поддающимися изменению со стороны пользователя характеристиками процессора. Кстати, немного отклоняясь от главной темы нашей статьи, отметим (уж коль скоро об этом зашла речь), что IPC и тактовая частота друг с другом связаны.

Действительно, все современные процессоры работают по принципу конвейера. Понятно, что чем длиннее конвейер процессора (чем больше ступеней он насчитывает), тем меньший объем работы выполняется на каждой ступени, а следовательно, тем меньше времени требуется для прохождения командой данной ступени. А поскольку каждая ступень выполняется за один такт, длинные конвейеры позволяют повышать тактовую частоту процессора, что невозможно в случае коротких конвейеров. Из этого следует, что длина конвейера тесно связана с максимальной тактовой частотой, на которой может работать процессор. В то же время длина конвейера является одним из параметров, определяющих IPC, — чем больше ступеней в конвейере (при прочих равных условиях), тем меньше инструкций выполняется процессором на каждом такте. Таким образом, мы приходим к еще одному важному выводу: длина конвейера связана и с тактовой частотой процессора, и с IPC, следовательно, максимальная тактовая частота связана с IPC, причем чем выше IPC, тем ниже максимально возможная тактовая частота и наоборот.

Впрочем, мы немного отклонились от главной темы нашей статьи. Итак, как мы уже отмечали, единственно возможный способ для пользователя увеличить производительность процессора заключается в увеличении его тактовой частоты. Казалось бы, если всё так просто, то что мешает просто взять и повысить тактовую частоту?

Но в том­то и дело, что всё далеко не просто. Вот простой пример для размышления. В семействах процессоров Intel Core i3, i5 и i7 существуют модели, которые отличаются друг от друга только номинальной тактовой частотой (смысл термина «номинальная» мы поясним позже). Эти процессоры производятся на одном и том же заводе и на одной и той же линии, причем совершенно одинаково. То есть на стадии производства никто не делит процессоры на модели — изначально все они одинаковые. Деление по частотам происходит уже на этапе тестирования. Как правило, процессоры, которые нарезают с центра пластины (процессоры производят на 300-мм пластинах, и на каждой такой пластине находится несколько десятков процессоров), способны работать на более высоких тактовых частотах. Здесь минимальный процент брака, и именно эти процессоры формируют топовое семейство Core-i7. А вот кристаллы, которые нарезают с краев пластины, уже формируют семейства Core-i5/i3 — эти процессоры, как правило, работают на более низких тактовых частотах, что связано с особенностями производства. То есть кристаллы в центре пластины близки к идеалу, а вот крайние кристаллы могут иметь технологические отклонения и скорость переключения транзисторов в них может быть ниже.

Таким образом, каждый процессор имеет некоторую предельную тактовую частоту, при которой он может работать, а превышение этой частоты сделает процессор неработоспособным.

Естественно, тестирование кристаллов будущих процессоров на фабрике и сортировка их по частотам имеет некоторый технологический разброс и у каждого процессора есть частотный запас. Дело в том, что все процессоры рассчитываются на определенное энергопотребление, максимальный ток и температуру, которые определяют максимально допустимую тактовую частоту процессора.

Зависимость энергопотребления процессора от тактовой частоты и напряжения питания

Предполагается, что при максимальной нагрузке на процессор предельное энергопотребление, ток и температура не будут превышены, при том что в нем еще заложен некий «запас прочности». Однако ничто не мешает пользователю воспользоваться этим самым запасом прочности (у каждой конкретной модели процессора этот запас индивидуален, и тут уж как повезет). Кроме того, при определенных условиях (при соответствующей системе охлаждения) вполне можно выйти за рамки рекомендуемого энергопотребления и увеличить тактовую частоту процессора.

Дело в том, что увеличение тактовой частоты процессора приводит к росту его энергопотребления и, как следствие, к повышению тепловыделения. Зависимость потребляемой процессором мощности от его тактовой частоты можно представить следующей формулой:

Power = CU²F.

То есть мощность, потребляемая процессором, прямо пропорциональна тактовой частоте (F), квадрату напряжения питания процессора (U) и его так называемой динамической емкости (C).

Проблема осложняется тем, что увеличение тактовой частоты процессора выше некоторого значения и требует увеличения напряжения питания. В результате получается, что после некого значения частоты потребляемая процессором мощность приобретает нелинейную зависимость от частоты процессора (практически пропорционально третьей степени частоты). Естественно, что потребляемая процессором мощность выделяется в виде тепла, которое нужно отводить от процессора, дабы он не перегрелся, а следовательно, разгон процессора требует эффективной системы охлаждения.

Какой процессор лучше разгонять

Впрочем, не всё так печально, как может показаться. Дело в том, что процессоры одной серии могут иметь разные номинальные частоты, но при этом у них всегда один и тот же TDP. Собственно, TDP — это не максимальное энергопотребление процессора (часто термином TDP обозначают максимальное энергопотребление процессора, что не совсем корректно), а требования к системе охлаждения процессора. То есть TDP процессора определяет ту тепловую мощность, которую процессорный кулер должен рассеивать для обеспечения стабильной работы процессора с гарантией, что он не перегреется даже при максимальной нагрузке.

Понятно, что при одном и том же значении TDP энергопотребление больше у того процессора, у которого выше номинальная тактовая частота. И получается, что процессоры с меньшей тактовой частотой имеют больший запас по энергопотреблению, а следовательно, как правило, лучше разгоняются. А вот топовые процессоры в этом плане более ущербны, поскольку их энергопотребление близко к максимально возможному.

Кроме того, следует понимать, что при сегодняшней технологии производства процессоров диапазон технологического разброса по их характеристикам минимален и, как правило, частота процессора искусственно занижается. То есть из кристаллов, которые могли бы работать на более высоких тактовых частотах, штампуют процессоры с меньшей тактовой частотой, руководствуясь исключительно тем, что чем больше модельный ряд процессоров, тем выше объем продаж, а следовательно, и прибыль.

В частности, по нашему опыту, лучший в плане разгона процессор сегодня — это Intel Core i5-2500K, который отнюдь не является топовым.

Нужно четко понимать, что разгон процессора с не очень высокой номинальной тактовой частотой позволит лишь приблизить его к топовой версии с высокой тактовой частотой, однако если разгонять процессоры с низкой и высокой номинальными тактовыми частотами, то в большинстве случаев процессор с высокой номинальной тактовой частотой удастся разогнать до более высокой частоты (хотя из этого правила бывают и исключения). Возвращаясь к уже упомянутому процессору Intel Core i5-2500K, отметим, что нам удалось разогнать его до частоты 5,2 ГГц с воздушным охлаждением — ни один другой топовый процессор до такой частоты не разгонялся.

Есть и еще одна причина, по которой процессоры среднего уровня разгоняются лучше топовых моделей. Дело в том, что топовые модели имеют больший размер кэша и даже могут отличаться количеством ядер. Но чем больше размер кэша процессора и чем больше у него ядер, тем он хуже разгоняется. Однако в этом случае даже незначительный разгон топового процессора даст вам большую производительность, нежели разгон процессора с меньшим количеством ядер и меньшим размером кэша.

Теперь рассмотрим основные способы разгона процессоров. В дальнейшем мы будем ориентироваться на разгон 32-нм процессоров Intel Core второго поколения, известных также под кодовым наименованием Sandy Bridge, и новых 22-нм процессоров Intel Core третьего поколения, известных как Ivy Bridge.

Особенности разгона процессоров семейств Ivy Bridge и Sandy Bridge

Процессоры этих семейств (за исключением младших моделей) поддерживают замечательную технологию динамического разгона Intel Turbo Boost, а кроме того, и в семействе процессоров Sandy Bridge, и в семействе процессоров Ivy Bridge имеется «элитная» K-серия полностью разблокированных процессоров, специально ориентированная на разгон.

Чтобы понять, что такое полностью разблокированный процессор, поясним, что разгон любого процессора по тактовой частоте возможен двумя способами: за счет изменения либо опорной частоты тактового генератора (BCLK), либо так называемого коэффициента умножения.

В процессорах Sandy Bridge и Ivy Bridge опорная частота тактового генератора по умолчанию составляет 100 МГц.

Собственно, это базовая частота, от которой всё и «пляшет». Частота работы различных модулей процессора (интегрированного графического ядра, контроллера памяти, контроллера шины PCI Express и др.) тактируется этой базовой частотой, однако с помощью множителей, позволяющих изменить эту частоту. К примеру, для вычислительных ядер процессора может использоваться множитель (коэффициент умножения) 35, в результате чего тактовая частота ядер процессора составит 3,5 ГГц.

Для процессоров Sandy Bridge и Ivy Bridge минимальное значение коэффициента умножения составляет 16, а следовательно, минимальное значение тактовой частоты равно 1,6 ГГц.

Понятно, что при увеличении опорной частоты возрастает и тактовая частота процессора. К примеру, при коэффициенте умножения 35 увеличение опорной частоты на 10 МГц приведет к повышению тактовой частоты ядер процессора на 350 МГц. Тем не менее нужно понимать, что увеличение опорной частоты вызывает увеличение тактовых частот всех модулей процессора, а не только его ядер, но не все модули процессора способны работать на повышенных частотах. Поэтому разгон процессоров Sandy Bridge и Ivy Bridge путем увеличения опорной частоты тактового генератора возможен в очень ограниченных пределах (как правило, удается повысить опорную частоту не более чем на 10 МГц), а значит, основной способ разгона этих процессоров заключается в изменении коэффициента умножения.

Процессоры K-серии имеют полностью разблокированный коэффициент умножения. Это, правда, не означает, что коэффициент умножения можно выбрать любой. Максимальное значение коэффициента умножения для процессоров Sandy Bridge составляет 57, то есть максимальная тактовая частота этих процессоров может достигать 5,7 ГГц (при неизменной опорной частоте). В процессорах Ivy Bridge максимальный коэффициент умножения повышен до значения 63, то есть путем изменения коэффициента умножения процессор теоретически можно разогнать до частоты 6,3 ГГц.

Попутно отметим, что в процессорах семейства Ivy Bridge можно изменять коэффициент умножения без необходимости перезагрузки системы, что реализуется в различных фирменных утилитах разгона, которые поставляются в комплекте с материнскими платами.

Процессоры, которые не относятся к К-серии полностью разблокированных процессоров (Fully Unlocked), имеют так называемый частично разблокированный коэффициент умножения (Limited Unlocked). То есть все процессоры Sandy Bridge и Ivy Bridge в той или иной степени являются разблокированными. Но прежде чем рассказать, в каких пределах можно менять коэффициент умножения для частично разблокированных процессоров, нам придется пояснить, что такое режим Turbo Boost и как он реализуется.

Напомним, что смысл технологии Turbo Boost заключается в динамическом разгоне при определенных условиях тактовых частот ядер процессора.

Для реализации технологии Turbo Boost в процессоре предусмотрен специальный функциональный блок PCU (Power Control Unit), который отслеживает уровень загрузки ядер процессора, температуру процессора, а также отвечает за энергопитание каждого ядра и регулирование его тактовой частоты.

В том случае, если какие­то ядра процессора оказываются незагруженными, они попросту отключаются от линии питания (их энергопотребление в таком случае равно нулю). При этом тактовую частоту и напряжение питания оставшихся загруженных ядер можно динамически увеличить на несколько ступеней, но так, чтобы энергопотребление процессора не превысило его TDP, максимальный ток не превысил установленного для него значения и температура ядра процессора не достигла бы критического значения. То есть фактически сэкономленное за счет отключения нескольких ядер энергопотребление используется для разгона оставшихся ядер, но так, чтобы увеличение энергопотребления в результате разгона не превышало сэкономленного энергопотребления. Более того, режим Turbo Boost реализуется и в том случае, когда изначально загружаются все ядра процессора, но при этом выполняются условия по TDP, току и температуре.

Кроме того, предусмотрена возможность превышения TDP процессора при разгоне ядер на короткое время. Дело в том, что при превышении TDP процессор перегревается не сразу, а по истечении определенного промежутка времени. Ну а учитывая, что во многих приложениях загрузка процессора происходит на 100% скачкообразно и лишь в течение очень малых периодов, в эти промежутки времени вполне можно разгонять тактовую частоту процессора так, чтобы был превышен предел по TDP.

В режиме Turbo Boost предусмотрена возможность превышения TDP на период вплоть до 25 секунд.

При разгоне процессора режим Turbo Boost очень важен, поскольку разгон путем изменения коэффициента умножения фактически подразумевает перенастройку режима Turbo Boost. Рассмотрим конкретный пример. Номинальная (без режима Turbo Boost) тактовая частота четырех ядер процессора Intel Core i7-3770K составляет 3,5 ГГц (коэффициент умножения равен 35), а в режиме Turbo Boost она повышается до значения 3,9 ГГц. Режим Turbo Boost в этом процессоре реализован следующим образом. Если загружены все четыре ядра процессора, то коэффициент умножения может быть увеличен до 36 (максимальная частота процессора может повышаться до 3,6 ГГц). При загрузке только трех ядер коэффициент умножения может быть увеличен до 37, а при загрузке двух ядер — до 38. Если же загружено всего одно ядро, то коэффициент умножения может быть увеличен до 39 (тактовая частота 3,9 ГГц). Естественно, что во всех указанных случаях увеличение коэффициента умножения возможно, если не превышено максимальное значение TDP и тока, либо превышение является кратковременным и критическая температура не достигнута.

Способы разгона процессора K-серии путем изменения коэффициента умножения

Разгон рассмотренного процессора путем изменения коэффициента умножения возможен двумя способами. Во­первых, можно отменить возможность использования режима Turbo Boost и менять коэффициент умножения для режима Non Turbo Boost. В этом случае максимальный коэффициент умножения будет одинаков для всех ядер процессора. Правда, такой способ разгона проходит далеко не всегда, поскольку не все системные платы в настройках UEFI BIOS позволяют отключать режим Turbo Boost. Попутно отметим, что разгон процессора следует производить исключительно через настройки UEFI BIOS, а не с помощью фирменных утилит разгона из операционной системы. Ни один уважающий себя оверклокер не станет пользоваться этими утилитами, даже просто отдавая дань традициям. То есть если не хотите потерять уважение своих друзей, разгоняйте процессор только через настройки UEFI BIOS.

Второй способ является более универсальным и заключается в следующем. В настройках UEFI BIOS режим Turbo Boost не отключается, а перенастраивается. К примеру, для случая, когда загружены все четыре ядра процессора (впрочем, как и для всех остальных случаев: загрузка только трех ядер, только двух ядер и только одного ядра), устанавливается коэффициент умножения, равный 48. В этом случае при загрузке процессора он будет работать на частоте 4,8 ГГц, но только если не достигнута критическая температура, не превышено значение максимального энергопотребления и тока или их превышение кратковременно.

Естественно, что кроме выставления коэффициента умножения для случаев одного, двух, трех и четырех активных ядер, при разгоне целесообразно также выставить в настройках UEFI BIOS предельное значение энергопотребления, предельное значение тока и время, в течение которого допускается превышение установленных пределов.

Разгон частично разблокированных процессоров

Теперь вернемся к частично разблокированным процессорам. Как мы уже отмечали, в этих процессорах также можно менять коэффициент умножения, однако в меньшем диапазоне. Правило здесь работает такое: максимальный коэффициент умножения для частично разблокированных процессоров может быть на четыре единицы выше, чем коэффициент умножения для максимальной частоты процессора в режиме Turbo Boost в штатном режиме.

Рассмотрим, к примеру, частично разблокированный процессор Core i5-2400. Его штатная тактовая частота составляет 3,1 ГГц, а в режиме Turbo Boost максимальная тактовая частота может быть равна 3,4 ГГц (при одном активном ядре). Соответственно для этого процессора коэффициент умножения для максимальной частоты в режиме Turbo Boost составляет 34. Значит, максимальный коэффициент умножения, который можно задать, равен 38.

Типы напряжений питания процессора

Итак, мы рассказали о двух способах разгона процессора: путем изменения опорной частоты тактового генератора и путем изменения коэффициента умножения. Часто оба эти способа используются одновременно, то есть сначала подбирается максимальный коэффициент умножения, а затем на несколько мегагерц увеличивается опорная частота.

Процедура самого разгона довольно проста. Нужно постепенно увеличивать коэффициент умножения до тех пор, пока система грузится и стабильно работает при загрузке процессора. После того как определен предельный коэффициент умножения, при котором система стабильна, наступает следующий, более сложный этап разгона, заключающийся в дальнейшем увеличении коэффициента умножения при одновременном увеличении напряжения питания. Задача осложняется тем, что в настройках UEFI BIOS обычно предусмотрена возможность задавать различные типы напряжения процессора (V_core, V_offset, V_droop, VTT, Processor I/O, PLL, LLC), что в совокупности с напряжением других компонентов (памяти, чипсета) нередко приводит пользователя в замешательство. Кроме того, в UEFI BIOS различных материнских плат одно и то же напряжение может обозначаться по-разному.

Начнем с напряжения, которое, скорее всего, вам никогда не придется изменять при увеличении коэффициента умножения или опорной частоты. Это VTT (встречаются также следующие обозначения: IMC, System Agent Voltage и др.), то есть напряжение питания контроллера памяти (не путать с напряжением самих модулей памяти!), интегрированного в процессор (Integrated Memory Controller, IMC). Данное напряжение имеет смысл повышать только при разгоне памяти. Кроме того, следует иметь в виду, что при увеличении опорной частоты BCLK возрастает и частота работы IMС, что может потребовать небольшого увеличения VTT. Но, как правило, это напряжение не меняется.

Попутно отметим, что напряжение питания модулей DRAM памяти не должно превышать напряжение VTT более чем на 0,5 В.

Пожалуй, самое важное напряжение при разгоне процессора — это напряжение V_core (встречаются также обозначения CPU Voltage, Core Voltage, Processor Voltage Override и др.), то есть напряжение ядер процессора. При увеличении тактовой частоты процессора приходится манипулировать именно этим значением напряжения.

Как правило, UEFI BIOS позволяет менять значение V_core вручную с шагом 0,005 В в диапазоне от 1 до 2 В.

Кроме фиксированного значения V_core можно выбрать значение Dynamic (Automatic или Default), то есть режимы по умолчанию. В этом случае напряжение на процессоре будет соответствовать номинальному для данной модели. Однако напряжение питания ядер процессора не является статической характеристикой — оно динамически изменяется в зависимости от загрузки процессора и от состояния энергопотребления процессора. В этом плане номинальное значение напряжения — это максимальное значение, которое никогда не будет превышено. А вот при задании напряжения вручную оно будет статичным независимо от загрузки процессора (если не принимать в расчет падение напряжения V_droop, о котором мы расскажем далее).

Следующее значение напряжение, которое можно менять в UEFI BIOS большинства материнских плат, — это напряжение PLL (Phase Locked Loop). PLL — это модуль фазовой автоподстройки опорной частоты. Менять напряжение PLL имеет смысл только при значительном увеличении опорной частоты BLCK, и, как правило, при разгоне процессора его не изменяют. По умолчанию значение напряжения PLL составляет 1,8 В, а его максимальное значение равно 1,98. Тем не менее поднимать это напряжение выше 1,9 В не рекомендуется.

Наряду со столь важным для разгона процессора напряжением, как V_core, часто приходится манипулировать таким параметром, как Load Line Calibration (LLC). Однако прежде чем разобраться, что такое LLC, а также как и зачем настраивать этот параметр, нам нужно рассмотреть напряжения V_droop и V_offset.

Тот факт, что вы выбрали конкретное значение напряжения V_core в настройкаx UEFI BIOS, вовсе не означает, что на процессорные ядра будет подано именно это напряжение. Это лишь выходное напряжение, формируемое регулятором напряжения питания процессора. Дело в том, что часть напряжения падает (проседает) на самих проводниках, которые соединяют регулятор напряжения питания процессора с самим процессором. Если нагрузка процессора невелика (то есть он простаивает или его загрузка не очень высокая), то и потребляемый им ток небольшой. В этом случае падение напряжения на проводниках ничтожно мало и его можно не учитывать. Однако при увеличении загрузки процессора потребляемый им ток может составлять более 100 А и, несмотря на тот факт, что сопротивление проводников мало, часть напряжения падает на них, поэтому процессору «достается» меньше, чем положено. Одним словом, закон Ома никто не отменял, и при больших загрузках процессора происходит явление «проседания» напряжения. Величина этого проседания называется V_droop, причем

V_droop = V_Idle – V_Load.

То есть V_droop определяется как разница между напряжением процессора без нагрузки (VIdle) и напряжением процессора под нагрузкой (V_core).

Более того, напряжение процессора без нагрузки V_core это еще не напряжение ядра VIdle. Точнее, напряжение процессора без нагрузки может быть меньше VLoad, а может быть и равно напряжению ядра. Причем разница между значением V_core и VIdle (если она имеется) называется V_offset (напряжение сдвига), которое может задаваться в настройках UEFI BIOS, то есть:

V_offset = V_core – V_Idle.

Казалось бы, зачем нужно напряжение сдвига? Дело в том, что при резком переходе процессора из состояния простоя (Idle) или слабой загрузки в состояние высокой загрузки (High Load) либо при обратном переходе напряжение процессора меняется не мгновенно, а в течение некоторого времени (время стабилизации напряжения). Процесс изменения напряжения сопровождается затухающими колебаниями, и всплески напряжения могут достигать существенных значений, опасных для процессора, то есть значений, при которых процессор может выйти из строя. Напряжение сдвига V_offset используется для того, чтобы нивелировать всплески напряжений и тем самым обеспечить условия, при которых текущее значение ядра процессора V_core не будет превосходить установленное в UEFI BIOS значение. Смысл напряжений V_offset и V_droop поясняется на рис. 1.

Рис. 1. Напряжения V_droop и V_offset

Понятно, что падение напряжения V_droop при разгоне процессора может повлиять на стабильность его работы при высокой нагрузке, и в этом плане V_droop — не очень хорошо. Казалось бы, можно просто повысить значение V_core, однако это приведет к излишнему энергопотреблению в состоянии, когда процессор не загружен, а кроме того, повысит всплески напряжения, что не очень хорошо. Именно поэтому на большинстве материнских плат предусмотрена возможность компенсации падения напряжения при загрузке процессора. Данная технология называется Load Line Compensation (LLC), то есть компенсация нагрузочной кривой. Иногда встречаются и другие названия, например на плате Intel DZ77GA-70K эта функция называется Processor VR Droop Control. На разных платах предусмотрены различные опции для функции LLC. Это могут быть уровни компенсации (к примеру, бывает пять уровней), LLC может выражаться в процентах, а могут быть и такие малопонятные значения, как High V-droop (Power Saving), Mid V-droop и Low V-droop (Performance). К примеру, в нашем случае на плате Intel DZ77GA-70K предусмотрен именно последний вариант. Как несложно догадаться, опция High V-droop (Power Saving) означает слабую компенсацию падения напряжения, что приводит к экономии его энергопотребления, но ограничивает разгонные возможности. Опция Low V-droop (Performance) означает высокий (возможно 100%) уровень компенсации падения напряжения, что позволяет разгонять процессор и стабилизировать его работу при высоких нагрузках в разогнанном состоянии.

Казалось бы, зачем нужны всякие уровни компенсации падения напряжения? Не лучше ли всегда компенсировать его полностью?

Однако всё не так просто. Дело в том, что технология компенсации падения напряжения — это дополнительная нагрузка на регулятор напряжения питания процессора. При использовании технологии LLC, во-первых, увеличивается время стабилизации напряжения питания процессора при переходах между состояниями низкой и высокой загрузки, а во-вторых, увеличивается амплитуда всплесков напряжений, что может быть небезопасно. Одним словом, LCC — это не всегда хорошо и ежели можно обойтись без данной технологии (то есть если всё гонится и стабильно работает), то лучше не использовать компенсацию напряжения питания процессора.

От теории к практике

Итак, вооружившись увесистым багажом знаний по теории разгона, приступим к практическим занятиям, которые мы будем проводить на стенде следующей конфигурации:

• процессор — Intel Сore i7-3770K (Ivy Bridge);
• кулер — Cooler Master V6 GT (с двумя 120-мм вентиляторами);
• материнская плата — Intel Extreme Board DZ77GA-70K;
• чипсет материнской платы — Intel Z77 Express;
• память — DDR3-1333 4 Гбайт (два DIMM-модуля Kingston);
• накопитель с операционной системой — Intel SSD 520 (240 Гбайт).

Отметим, что процессорный кулер Cooler Master V6 GT, используемый нами на стенде, является одним из самых мощных сегодня воздушных кулеров, особенно с учетом того, что мы оснастили его дополнительным 120-мм вентилятором (в базовой комплектации кулер оснащен только одним 120-мм вентилятором).

На стенде устанавливалась операционная система Windows 7 Ultimate (64-bit). В качестве видеокарты использовалось интегрированное в процессор графическое ядро.

Для наших практических занятий мы применяли всего одну утилиту — AIDA64 Extreme Edition (версия 2.30). Ее особенность заключается в том, что она позволяет строить графики загрузки ядер процессора, температуры ядер процессора, напряжения питания процессора и потребляемой им мощности (для некоторых версий процессоров можно построить также график силы тока). Кроме того, утилита AIDA64 Extreme Edition может загружать процессор на 100% в стрессовом режиме. Одним словом, эта утилита умеет всё, что нам требуется для того, чтобы отследить, как изменения настроек в UEFI BIOS влияют на работу процессора.

Конечно, это программное средство анализа имеет определенные ограничения. В частности, показания снимаются с минимальным интервалом в секунду, а потому невозможно зафиксировать процесс стабилизации напряжения, который длится гораздо меньше. В идеале для фиксации процесса стабилизации нужны осциллограф и возможность подключиться к контрольной точке на плате для считывания V_core. Такие платы с колодкой контрольных точек, позволяющие считывать напряжение V_core и другие, существуют, но, во-первых, провести подобные измерения в домашних условиях довольно сложно, а во-вторых, не на любой плате возможно. Именно поэтому, дабы у читателей была возможность повторить наши эксперименты самостоятельно, мы решили остановиться на программном средстве анализа с помощью утилиты AIDA64 Extreme Edition.

Тем не менее нам не очень понятно, с каких именно датчиков данная утилита считывает значения напряжения, мощности и силы тока. Кроме того, у нас нет уверенности, что энергопотребление процессора Ivy Bridge эта утилита определяет правильно. Дело в том, что, по нашим сведениям, процессор Ivy Bridge определяет свое текущее энергопотребление несколько по иному алгоритму, нежели процессор Sandy Bridge. Если в процессоре Sandy Bridge для этого применялся датчик силы тока, то в процессоре Ivy Bridge алгоритм расчета сводится к следующему: процессор знает энергопотребление каждого своего активного узла и просто суммирует их энергопотребление. Поэтому мы решили дополнительно измерять энергопотребление с использованием аппаратного ваттметра по методу «от розетки». То есть мы определяли энергопотребление не отдельно процессора, а всей системы (всего стенда) и фиксировали его в режиме простоя (Idle) и в режиме загрузки процессора. Понятно, что разница этих значений определяется именно загрузкой процессора.

Итак, мы будем исследовать работу процессора Intel Core i7-3770K. Прежде всего напомним его краткие характеристики. Он относится к семейству с кодовым наименованием Ivy Bridge и изготавливается по 22-нм техпроцессу. Данный процессор является четырехъядерным и поддерживает технологию Hyper-Threading. Размер его кэша L3 составляет 8 Мбайт; он имеет интегрированное графическое ядро HD 4000 с базовой тактовой частотой 650 МГц и частотой 1150 МГц в режиме Turbo Boost.

У процессора Intel Core i7-3770K разблокированный коэффициент умножения (как и у всех процессоров K-серии). При этом его TDP составляет 77 Вт. Базовая тактовая частота ядер процессора Intel Core i7-3770K равна 3,5 ГГц (коэффициент умножения — 35), а в режиме Turbo Boost она повышается до значения 3,9 ГГц. По умолчанию режим Turbo Boost реализован следующим образом. Если загружены все четыре ядра процессора, то коэффициент умножения может быть увеличен до 37 (частота процессора — 3,7 ГГц). При загрузке только трех ядер коэффициент умножения может быть увеличен до 38, а при загрузке двух или только одного ядра — до 39 (тактовая частота 3,9 ГГц). Естественно, что во всех указанных случаях увеличение коэффициента умножения возможно, если не превышено максимальное значение TDP и максимальный ток, либо превышение максимального значения TDP и тока является кратковременным.

Настройки UEFI BIOS

Прежде всего рассмотрим настройки UEFI BIOS по умолчанию, касающиеся разгона процессора. К ним относятся:

• Processor Voltage Override (V) — Default;
• CPU Voltage Offset (mV) — 0;
• 1-Core Ratio Limit — 39;
• 2-Core Ratio Limit — 39;
• 3-Core Ratio Limit — 38;
• 4-Core Ratio Limit — 37;
• Host Clock Frequency (MHz) — 100;
• Enhanced Intel Speed Step Tech — Enable;
• Processor C States — Enable;
• Intel Turbo Boost Technology — Enable;
• Burst Mode Power Limit (Watts) — 120;
• Sustained Mode Power Limit (Watts) — 95;
• Sustained Mode Time (Seconds) — 1;
• Processor TDC Current Limit Override (Amps) — 112;
• Active Processor Cores — All;
• Intel Hyper Threading Technology — Enable;
• Processor PLL (V) — 1,8500;
• Internal PLL Voltage Override — Disable;
• Processor VR Droop Control — High V-droop (Power Saving);
• Processor I/O (V) — 1,0500.

Поясним некоторые из приведенных настроек.

Processor Voltage Override задает напряжение питания процессора (V_core). CPU Voltage Offset — это напряжение смещения в вольтах, которое мы обозначали как V_offset.

Параметры x-Core Ratio Limit задают предельное значение коэффициента умножения для случаев одного, двух, трех и четырех активных ядер.

Host Clock Frequency (MHz) — это значение опорной частоты BLCK в мегагерцах.

Значения таких параметров, как Enhanced Intel Speed Step Tech и Processor C States, запрещают или разрешают применение состояний энергосбережения процессора.

Параметр Intel Turbo Boost Technology запрещает или разрешает использование технологии Intel Turbo Boost.

Параметр Burst Mode Power Limit (Watts) задает предельно допустимое пиковое значение энергопотребления процессора в ваттах. Заметим, что это кратковременное энергопотребление, то есть его допустимый всплеск.

Параметр Sustained Mode Power Limit (Watts) определяет допустимое энергопотребление процессора в ваттах на протяжении интервала времени, задаваемого параметром Sustained Mode Time (Seconds).

Параметр Processor TDC Current Limit Override (Amps) определяет предельно допустимую силу тока в амперах.

Параметр Active Processor Cores задает количество ядер, применяемых процессором, а параметр Intel Hyper Threading Technology определяет возможность использования технологии Hyper-Threading.

Далее, параметр Processor PLL (V) задает напряжение питания модуля фазовой автоподстройки опорной частоты, а вот параметр Internal PLL Voltage Override, по всей видимости, определяет возможность автоматического изменения напряжения PLL.

Параметр Processor VR Droop Control, как мы уже отмечали, задает уровень компенсации падения напряжения питания процессора, а параметр Processor I/O (V) определяет напряжение питания блока ввода­вывода.

Зависимость энергопотребления процессора от тактовой частоты при неизменном напряжении

Итак, на первом этапе мы исследуем зависимость энергопотребления процессора от тактовой частоты при неизменном напряжении. Для этого мы зафиксируем напряжение на процессоре 1,2 В (в противном случае напряжение будет меняться) и выставим значение CPU Voltage Offset (mV) равным нулю. Далее будем менять тактовую частоту процессора с шагом в 100 МГц в диапазоне от 3,7 ГГц до максимального значения, при котором система еще загружается. Естественно, что значение энергопотребления процессора необходимо снимать только при его 100-процентной загрузке (в противном случае частота не будет равна выставленной из-за особенности работы технологии Intel SpeedStep). Показания снимаются с помощью как аппаратного ваттметра (энергопотребление всей системы), так и утилиты AIDA64 Extreme Ed.

Прежде всего отметим, что максимальная тактовая частота составила 4,5 ГГц. Естественно, возникает вопрос, почему мы применяли минимальное значение тактовой частоты 3,7 ГГц, а не меньше? Собственно, можно выставить и значение 3,5 ГГц (меньше данная плата выставить не позволяет), однако реально при загрузке процессор всё равно будет работать на минимальной частоте 3,7 ГГц.

Как показывают результаты тестирования (рис. 2), энергопотребление процессора прямо пропорционально его тактовой частоте, что согласуется с теорией. Максимальная частота в данном случае ограничивается недостаточным напряжением питания процессора. Что же касается энергопотребления и температуры при частоте 4,5 ГГц, то они далеки от предельных значений.

Рис. 2. Зависимость энергопотребления от тактовой частоты процессора
при неизменном напряжении V_core, равном 1,2 В

Зависимость энергопотребления процессора от напряжения V_core при неизменной тактовой частоте

На следующем этапе мы зафиксируем значение тактовой частоты процессора на отметке 3,9 ГГц и будем исследовать зависимость энергопотребления от напряжения питания. Напряжение питания V_core будем менять от минимального значения 1,000 В с шагом 0,5 В до предельного значения, при котором возможна работа процессора. Результаты измерения представлены на рис. 3. Как видно по результатам тестирования, предельное значение напряжения составляет 1,5 В. При дальнейшем повышении напряжения температура процессора достигает критической отметки и срабатывает тепловая защита, приводящая к снижению тактовой частоты. Отметим, что само энергопотребление процессора при этом составляет всего 63 Вт, то есть далеко от критического значения. Однако в показаниях утилиты AIDA64 Extreme Edition можно усомниться. Действительно, довольно странно, что при повышении напряжения V_coreс 1,00 до 1,55 В напряжение процессора возрастает всего на 8,58 Вт, а энергопотребление всей системы — на 80 Вт. Ведь при увеличении V_core должно возрастать лишь энергопотребление процессора, а энергопотребление всех остальных компонентов системы меняться не должно. То есть увеличение энергопотребления системы на 80 Вт должно совпадать с ростом энергопотребления процессора. А поскольку это не так, то, вероятно, утилита AIDA64 Extreme Edition неверно рассчитывает энергопотребление процессора. Кроме того, если бы энергопотребление процессора реально возрастало всего на 8,58 В, то процессор явно не достиг бы критической температуры.

Рис. 3. Зависимость энергопотребления от напряжения V_core
при неизменной тактовой частоте 3,9 Гц

Впрочем, в данном случае не слишком важно, что утилита AIDA64 Extreme Edition неверно рассчитывает энергопотребление процессора Intel Core i7-3770K. Важно, что в реальной ситуации при использовании воздушного охлаждения нет смысла повышать напряжение питания более 1,5 В. Дальнейшее увеличение напряжения требует использования уже экстремального охлаждения процессора с применением жидкого азота.

Зависимость напряжения питания V_core от настроек LLC

Следующим пунктом нашего исследования станет технология Load Line Compensation (LLC). Напомним, что на плате Intel DZ77GA-70K для функции LLС имеется возможность установить следующие значения: High V-droop (Power Saving), Mid V-droop и Low V-droop (Performance).

Для данного теста мы зафиксировали напряжение V_core равным 1,2 В, а тактовую частоту — 4,0 ГГц. Напряжение V_core фиксировалось по данным утилиты AIDA64 Extreme Edition в режиме простоя процессора (Idle) и в режиме его 100-процентной загрузки (рис. 4).

Рис. 4. Влияние режима LLC на напряжение V_core при частоте 4,0 ГГц

Прежде всего, во всех трех режимах LLC (High V-droop, Mid V-droop и Low V-droop) в режиме простоя процессора напряжение V_core даже немного превышает установленное значение и составляет 1,208 В. При загрузке процессора в режиме High V-droop наблюдается просадка напряжения на 0,056 В, в режиме Mid V-droop — на 0,034 В, а в режиме Low V-droop, наоборот, при нагрузке процессора напряжение V_coreувеличивается на 0,008 В.

Аналогичным образом мы планировали исследовать влияние такого параметра, как V_offset, на значение V_core, однако на плате Intel DZ77GA-70K это оказалось невозможным с помощью утилиты AIDA64 Extreme Edition. То есть какое бы значение V_offset мы ни устанавливали, на значении V_core оно никак не отражалось. То ли возможность установки V_offset не работает на плате Intel DZ77GA-70K, то ли утилита AIDA64 Extreme Edit не учитывает V_offset.

Разгон процессора Intel Core i7-3770K

Вооружившись необходимыми знаниями, можно перейти к разгону процессора Intel Core i7-3770K.

Напомним, что нет смысла устанавливать напряжение более 1,5 В, поскольку в этом случае процессор будет перегреваться. Причем это справедливо для неизменной тактовой частоты 3,9 Гц, а при более высоких частотах, дабы не допустить перегрева процессора, нужно еще больше понизить напряжение питания.

Мы начали наш разгон с установки напряжения питания 1,4 В, установки LLC-режима Mid V-droop и тактовой частоты 4,7 ГГц. Компьютер при этом нормально грузится и работает без сбоев при загрузке процессора утилитой AIDA64 Extreme Edition. При этом в режиме загрузки процессора напряжение V_core составляло 1,359 В, а температура процессора достигала 98 °С, то есть практически критического значения. Понятно, что дальнейшее повышение тактовой частоты может привести к перегреву процессора (если система вообще загрузится). Поэтому на следующем шаге мы понизили напряжение V_core до 1,35 В и одновременно повысили тактовую частоту до 4,8 ГГц. При указанных параметрах система загружалась, однако при стрессовой загрузке процессора работала нестабильно. Поскольку проблема нестабильной работы заключалась в недостаточном напряжении V_core, мы сначала установили значение LLC-режима в Low V-droop, чтобы повысить напряжение V_core в режиме загрузки процессора. В этих условиях напряжение V_core в режиме загрузки процессора составляло 1,368 В, а процессор стабильно работал на частоте 4,8 ГГц. Далее мы попытались поднять тактовую частоту до 4,9 ГГц. При этом компьютер загружался, однако при стрессовой загрузке процессора его работа была нестабильной (тест заканчивался «голубой смертью»). Поэтому мы решили увеличить значение V_core. Стабильности работы нам удалось добиться при установке напряжения питания равным 1,4 В. Правда, в этих условиях процессор не мог работать в экстремальном режиме длительное время, поскольку перегревался и начинал снижать тактовую частоту (СPU Throttling). Так что максимальное значение тактовой частоты, до которой нам удалось разогнать процессор Intel Core i7-3770К на плате Intel DZ77GA-70K, составляет 4,9 ГГц. Но еще раз подчеркнем, что на такой частоте и при напряжении питания 1,4 В в режиме полной загрузки процессор может работать лишь кратковременно. В противном случае он включает функцию тепловой защиты и понижает свою частоту. Попутно отметим, что в данных условиях работы энергопотребление процессора составляет 88 Вт (по данным утилиты AIDA64 Extreme Edition), а энергопотребление всей системы — 200 Вт (по показаниям ваттметра).

Заключение

Итак, мы рассмотрели способы разгона процессоров семейств Sandy Bridge и Ivy Bridge. На конкретном примере мы показали, как разогнать процессор Intel Core i7-3770K, и выяснили, что основная проблема при разгоне этого процессора заключается в недостаточном охлаждении. Кроме того, мы показали, как можно эффективно использовать диагностическую утилиту AIDA64 Extreme Edition при разгоне процессора, которая позволяет, во-первых, контролировать производимые изменения в настройках UEFI BIOS, а во-вторых, понять, чем ограничивается разгон.

КомпьютерПресс 06'2012