Что ограничивает разгон процессоров?

Это должен знать каждый оверклокер

Здесь приведены некоторые зависимости ограничивающие разгон процессора, но только процессора. При рассмотрении разгона процессора мы имеем в виду, что системные платы и источники питания обеспечивают работу процессора при разгоне с большим запасом. Не пугайтесь формул, они только помогают понять физику процесса. Но прочитав, вы поймете суть ограничений для оверклокинга процессоров. Более подробно механизм генерации помех рассмотрен в статье «Механизм генерации помех в БИС процессоров» по адресу P_Meh.htm

Здесь будет рассказано о двух явлениях ограничивающих разгон процессоров. Это тепловыделение и устойчивость работы процессора (помехоустойчивость) процессоров.

Если начать с основ электротехники, то мы помним, в цепях постоянного тока мощность, выделяемая на резисторе, зависит от напряжения следующим образом:

 

P = E²/R Вт.

 

При постоянном сопротивлении нагрузки она пропорционально квадрату напряжения.

При переключении КМОП ключей, потребляемая мощность, большая часть которой определяет тепловыделение процессора, определяется по формуле:

 

P_f=f_пC_нЕ² Вт.

 

Где:        f_{п –} частота переключения; C_{н –} емкость нагрузки инвертора;  Е – напряжение питания инвертора.

 

При наличии утечек и сквозных токов к приведенной выше составляющей добавляется постоянный компонент, и потребляемая мощность описывается формулой:

 

P = P_f + P_пост,

 

В этом случае, P_пост, слабо зависит от температуры и увеличивается при увеличении напряжения питания.

А вот составляющая P_f зависит от частоты переключения и напряжения питания.

Обратите внимание!

С ростом частоты мощность растет пропорционально приросту частоты. Это значит, с приростом частоты при разгоне на 10% на эти же 10% вырастет составляющая мощности, определяемая приростом f_п (частоты переключения). Причем прирост P_f для процессора, при увеличении FSB будет много меньшим чем аналогичный прирост при разгоне ядра процессора.

 

При разгоне, для обеспечения устойчивой работы процессора, приходится увеличивать и напряжение питания процессора.

Прирост P_f при увеличении напряжения питания прямо пропорционален квадрату напряжения питания. Это значит, при повышении напряжения питания на 22,5% прирост P_f составит 50%.

 

Результирующая мощность при разгоне будет определяться:

P_разг = P_Δf + P_ΔE + P_постΔE

где: P_Δf - мощность после повышения тактовой частоты, P_ΔE - мощность после повышения напряжения питания, P_постΔE - постоянная составляющая мощности после повышения напряжения питания.

 

При одновременном изменении f_п на 27% и E на 22,5% общий прирост тепловыделения составит 90%. [прирост (1,225)² х 1,27 = 1,9]  Поэтому необходимо при разгоне применять кулеры и системы вентиляции корпуса обеспечивающие отвод большей мощности (более чем в 1,9 раза), чем при работе процессора в обычном режиме.

И даже несколько большей! Не забывайте что с ростом напряжения увеличивается и составляющая P_пост.

Такие кулеры имеют тепловое сопротивление менее 0,11 °К/Вт.

 

Так же прирост тепловыделения дает и следующий рассматриваемый фактор.

Микро импульсы тока заряжающего паразитные емкости КМОП ключа образуют даже на малой индуктивности линий распределения питания в процессоре ЭДС самоиндукции. Величина этого напряжения прямо пропорциональна индуктивности линии распределения питания и скорости нарастания тока. Это известная из общей физики формула:

 

U₀ = L di/dt В ,

 

Можно сказать это ерунда, микротоки, микроиндуктивности и в результате ничего не значащие напряжения. Но напряжения совсем не микро, а от долей до милливольт с одного КМОП ключа. (подставьте ориентировочные значения L >2 10^-11H, Δi >10^-4А, Δt <10^-10сек и получим 0,02 мВ). Они суммируются на линиях распределения питания по закону суммирования мощностей:

 

P_сум = P₁ + P₂ + … +P_n,

 

При этом суммарное напряжение стремятся к:

 

U_общ => n U0

 

для n синхронных источников.

Учитывая, что транзисторов в процессоре 200 миллионов, а отдельном узле миллионы КМОП ключей – n получаем напряжения, приближающиеся к порогу помехоустойчивости КМОП ключа. Которое имеет величину около 0,5E_пит, при помехах превышающих этот уровень, говорить о работе процессора просто нельзя. При разгоне процессора, чтобы обеспечить устойчивую работу приходится повышать напряжение питания процессора, что повышает его помехоустойчивость, но вдогонку ему поднимается и Δi и в какой-то момент снова переводит процессор в неустойчивый режим.

Это что касается помехоустойчивости, которая тоже ограничивает разгон.

 

Еще один параметр, влияющий как на работу процессора, так на его разгон. Это мощность генерируемых процессором помех, она определяется по формуле:

 

P_пом = f_гр · L · I²_общ Вт.

 

Верхняя граница спектра генерируемых процессором помех определяется длительностью фронта импульса тока:

 

f _гр = 1/ t_фр, Гц.

 

Для одиночных (с большим периодом повторения) импульсов спектр непрерывный и содержит все частоты от f_гр до 0, а спектр повторяющихся импульсов содержит множество частот от частоты повторения до f_гр с частотным интервалом равным частоте повторения. В современных процессорах с переходом на более тонкие техпроцессы f_гр имеет тенденцию к росту.

L - это суммарная индуктивность линий распределения питания на кристалле. Эта индуктивность для процессора Xeon рана 13 pH (по данным Intel).

 

I_общ => n I₀

 

для n источников с высокой синхронностью.

Практически P_пом генерируемая на внутренней индуктивности процессора и внешних цепей может достигать 10 – 25% мощности потребляемой процессором и она растет пропорционально квадрату тока помех I_общ. Этот ток несколько больше разности пикового тока потребления процессора и его тока покоя.

Часть мощности помехи (до нескольких десятков ватт при разгоне)  с частотой выше тактовой частоты ядра процессора воздействует на внутреннюю структуру процессора и нагревает ее за счет потерь в диэлектрике и проводниках. (Ее влияние на помехоустойчивость рассматривалось выше.). Эту мощность тоже надо отводить от процессора.

И даже если она составляет 5-10 Вт на нее стоит обратить внимание, поскольку при разгоне с экстремальными теплоотводами (жидкий азот, фреон, вода с большим расходом) эта мощность ограничена только помехоустойчивостью процессора и может стать соизмеримой с обычным тепловыделением процессора.  Другая ее часть выходит за пределы кристалла процессора по линиям распределения питания.

 

И несколько слов о чипах применяемых в процессорах.

В современном производстве чипов процессоров используются пластины диаметром 300 мм. В процессе производства, в силу большой площади пластины, невозможно обеспечить равные для каждой точки поверхности пластины условия из-за влияния внешних факторов и нестабильности технологических процессов, характеристики чипов по поверхности пластины отличаются достаточно сильно.

На рисунке 1 красной пунктирной линией показано примерное распределение кристаллов процессоров на пластине по их предельной частоты. Они описываются нормальным распределением Гаусса, но могут меняться от левой до правой кривой (в зависимости от технологического процесса).

 

Рисунок 1.

 

Известно, что при выпуске Pentium 4 разброс был настолько велик, что с одной пластины получали чипы с Pentium 4 широкого диапазона тактовых частот (на рисунке 1 это зеленые кривые с рабочими частотами F1 - F9) и чипы Celeron. Для последних, просто отключали избыточные узлы. Поэтому вероятность того, что купленный вами процессор имеет запас для разгона невысока (менее 30% см. рис.1 например кривую распределения для частоты F3). Мой опыт показывает, что вы можете заняться разгоном, только если у Вас есть возможность отобрать в партии именно процессоры, имеющие запас.

 

Из сказанного могу сделать следующие вывода:

1. - современные процессоры работают на частотах установленных производителем на грани устойчивости, особенно это касается наиболее высокочастотных в линейке. Производитель просто отбирает чипы (с одной пластины), удовлетворяющие условию: устойчивая работа на заданной частоте и соответствующим образом маркирует их. При этом некоторые из них попадают в число чипов немного превышающих характеристики предыдущей группы.  Ищите для разгона процессоры с этими чипами, они наиболее устойчивые (те которые имеют запас по тактовой частоте и помехоустойчивости или другими словами - разгонный потенциал),
2. - мощность тепловыделения с ростом тактовой частоты и напряжения питания растет нелинейно, суммируя все влияющие факторы можно сказать - быстрее чем по квадратичному закону.
3. - кулер должен иметь примерно двукратный запас по отводимой мощности в номинальном режиме. Это исключит влияние тепловыделения на устойчивость работы процессора при эксперименте.
4. - тепловое сопротивление кулера должно быть менее 0,12 - 0,2 град/Вт.

Я не хочу Вас запугать, чтобы Вы не занимались разгоном процессоров.

Я просто хочу показать, что разгон это достаточно сложный процесс, требующий определенных ресурсов.

Прежде всего это возможность выбора процессора имеющего потенциал разгона, потом необходимость иметь кулер способный обеспечить эффективный отвод увеличивающейся мощности, и наконец система вентиляции корпуса способная вывести за его пределы увеличившуюся мощность.

Могу только добавить, если Вы не хотите получить проблемы с Вашим компьютером после разгона, температура чипа процессора не должна превышать определенные производителем величины в любом самом тяжелом для него режиме работы.

ВПЕРЕД ОВЕРКЛОКЕРЫ!

А.Сорокин.

P.S.

Спасибо Павлу Шелгунову за внимательное прочтение статьи.