Ревю: Автоматичният овърклок при съвременните процесори или как ни мамят Intel и AMD

Навярно за технологията Intel Turbo Boost са чували мнозина, но за AMD PBO – едва ли, но ние ще я разясним. Технологията за автоматичен овърклок на процесорите се представя от производителите почти като някаква вълшебна функция, която дава възможност на процесорите автоматично да повишават своята тактова честота и да работят по-бързо. Отчасти това си е истина, само че „вълшебството“ работи в полза на компаниите производители на процесори, отколкото за потребителите. И като се има предвид, че информацията за автоматичния клок е крайно оскъдна, особено в официалните уеб сайтове (по очевидни причини, както ще стане ясно по-късно), налага се тя да бъде събирана троха по троха и внимателно да се наблюдава работата на съвременните процесори.

Чакайте, този овърклок не е истински!

Съвременните процесори на Intel (за AMD ще стане дума по-долу, но там нещата са още по-объркани) имат редица ограничения, които – изненада, могат да не се спазват, ако производителят на съответната дънна платка ги е изключил в BIOS-а. Първото и най-важно ограничение е достигането на максимална температура от около 100-105 градуса по Целзий при различните десктоп процесори. При доближаване до тази температура процесорът започва процес на тротлинг – казано по друг начин, да понижава работната си честота, за да задържи температурата в допустимите рамки. Ако дори и при 800 MHz процесорът не успее да се справи с прегряването, той или аварийно се изключва (в тази момент изображението на екрана замръзва) или дънната платка рестартира компютърната система.

На пръв поглед, това е едно отлично решение, което работи идеално и не дава възможност на процесора твърде рано да попадне в силициевата Валхала. На практика всичко е много по-сложно. Първо, сензорите за температура не покриват целия силициев кристал и ако те показват максимална температура 80 градуса, то напълно е възможно да има област на кристала, която се нагрява до 85. Второ, самият кристал не загрява равномерно – естествено, най-горещите места са ядрата. А например, интегрираната графика, различните контролери и кеш паметта се нагряват по-малко. Разликата достига десетина, а понякога и двадесет градуса, особено ако ядрата са се нагрели до около сто градуса по Целзий. Разбира се, за силициевия кристал тези разлики в температурата са твърде вредни.

Така че съвсем не е за учудване, че Intel реши да въведе нови лимити. Най-известният от тях е температурният коефициент – TDP или Thermal Design Power. Това е едно много хитро число, което уж показва колко топлина трябва да разсее от процесора неговата охладителна система. На практика всичко е много по-интересно: именно към това число се стреми топлоотделянето на процесора при дълготрайно натоварване. И тук имаме първото „Опа“: нека за пример да вземем популярния мобилен Core i5-8250U. Той има номинална тактова честота едва 1,6 GHz, но Turbo Boost му дава възможност да я повишава до 3,4 GHz. Неговият TDP е 15 W, което позволява чипът да бъде поставян в ултрабуците. Но нека да стартираме стрес тестовете и да видим какво се случва при дълготрайно стрес натоварване:

Чипът достига до 2,4 GHz. Формално, това си е добре – честотата се е повишила един и половина пъти над номиналната. От друга страна, това не са 3,4 GHz – губят се цели 20-25% от честотата, което е твърде значително. Както и да е, да стартираме една игра – тя по-малко натоварва процесора, той се вписва в тези 15 W и достига максималната си честота от 3,4 GHz.

И така стигаме до първото хитруване, скрито зад фразата „до 3,4 GHz“. И наистина – 2,5 GHz са си „до“ и лъжа няма. Но това е само началото – повечето производители на дънни платки за десктоп компютри се правят, че не знаят за TDP и съвсем банално изключват този лимит!

До какво води това? До това, че 6-ядреният Core i5-8400T, който формално по спецификации разсейва 35 W топлина, при някои алгоритми и редица задачи започва да консумира 60 и дори 70 W, без да сваля честотата си. На пръв поглед това си е цяло щастие, нали производителността не пада? Вярно е, но не съвсем – докато 35 W топлина лесно се разсейват от стандартния алуминиев охладител на процесора, то той няма как да се справи с двойно повечето 70 W. Разбира се, процесорът едва ли ще изгори от това, но ще има непрекъснати лагове в работата на компютърната система. Решенията тук са две – или да се включи ограничението по TDP в BIOS-а или да се постави по-добро и мощно охлаждане.

Може да се каже, че това е донякъде измислен и теоретичен проблем. Истината е по-зле: в повечето случаи производителите на различни компютърни устройства изключват в BIOS-а всичките най-различни лимити и функции за икономия на енергия, само и само процесорът да работи при максимално възможната честота. Забелязва се тенденцията производителите особено на по-евтини компютърни устройства изобщо да не обръщат внимание на спецификациите на Intel, а вече и на AMD.

Втората хитрина е още по-интересна, но е по-известна: в повечето процесори на Intel указаната Turbo Boost честота се постига само… при работата на едно ядро. Така например, същият този i7-8550U при натоварване само на едното ядро може да работи при тактова честота 4,0 GHz, но когато работят две ядра, тази честота е само 3,8 GHz, а когато се използват и четирите процесорни ядра, чипът не може да я покачи над 3,7 GHz. Така че дори и да бъдат създадени идеалните условия за работа на този процесор, няма как да бъдат достигнати въпросните 4,0 GHz.

Строго казано, тези 4,0 GHz никога няма да бъдат видени, понеже в днешния свят трябва твърде дълго да бъде търсено приложение, което натоварва само едното ядро. В реалността, съвременните алгоритми натоварват повече ядра и дори и да са изключени в BIOS-a всички сдържащи фактори, честотата на чипа няма как да превиши 3,7, максимум 3,8 GHz. А това, че не можете да направите едноядрено натоварване си е ваш проблем.

Но да се върнем към лаптопите и ултрабуците. Intel много добре разбира, че по-голямата част от сериозните натоварвания са краткотрайни. Колко време например отнема стартирането на една програма? Да кажем, 5-10 секунди, не повече. Зареждането на една уеб страница в браузъра става за по-малко време. Да си припомним, че охладителните системи са много инертни от топлинна гледна точка. За да загрее едно охлаждане до стотина градуса по Целзий, необходими са няколко десетки секунди, а понякога и минути. Изводът е ясен: за известно време можем „да забравим“ за ограничението по TDP и да позволим на процесора да работи при максимална честота. Очевидно е, че това сериозно ще повиши отзивчивостта на системата в реалните приложения и алгоритми.

Всичко това не винаги го има в спецификациите. Така нареченият Turbo Time Limit обикновено е с продължителност 28 секунди, като през това време работи Short TDP, който може да достига 30-50 W – този параметър гарантирано позволява на процесора да използва максимално възможната честота дори и при сериозно натоварване с използването на векторни инструкции. След тези 28 секунди в сила влиза Long TDP – именно тези добре познати 15 W, като тук вече честотата сериозно се ограничава. Но ако охлаждащата система се справя, то този хипотетичен лаптоп може вечно да работи в този режим.

Като че ли всичко е наред: Long TDP си работи, процесорът не прегрява – идилия! Уви, не. Повечето лаптопи имат обща охладителна система за процесора и видеокартата. Съвсем очевидно е, че има програми (например игрите), които сериозно натоварват и двата компонента на компютърната система. При това обикновено максималната температура на сработване при GPU е по-ниска от тази на CPU – тоест, видеокартата ще влезе в тротлинг по-рано, а това оказва негативно влияние на FPS при игрите. Изходът? Щом като имаме лаптоп с общо охлаждане за процесора и графичната карта, защо да не забавим процесора? В игрите той въобще не се натоварва до 100% и на теория понижаването на неговата честота дори ще намали отделяната топлина, а видеокартата няма да влиза в тротлинг.

Тази интересна функция носи името BD Prochot и за съжаление, това наистина е недоглеждане. Проблемът е в това, че ако BD Prochot е активирана, то процесорът реагира на прегряването на видеокартата по същия начин, все едно, че това е негово прегряване и сваля честотата си чак до 800 MHz. Очевидно е, че това води до рязко понижаване на отделяната топлина не само на процесора, но и на графичната карта. След спада на температурата честотата на процесора автоматично се вдига до предишното ниво от няколко GHz и този процес се зацикля.

Цялото това чудо се повтаря на всеки няколко секунди, а понижаването честотата на процесора се усеща като класически лаг. Тоест, игрите започват да забавят и прекъсват работата си на всеки няколко секунди, а това никак не способства за един приятен и удобен геймплей. За щастие, тази функция лесно може да бъде изключена с помощта на безплатната помощна програма ThrottleStop. Разбира се, в този случай ще започне да прегрява и да влиза в тротлинг видеокартата, но при графичните карти това става плавно, като честотата намалява в малки граници. Да, това ще доведе до загубата на няколко кадъра в секунда, но това е къде по-търпимо от непрекъснатите лагове.

Но по нататък става едновременно още по забавно и по-страшно. Разбира се, процесорите от много години могат да работят в огромен диапазон от честоти, като понякога смъкват работната си честота под зададената оптимална стойност за максимална икономия на енергия. Очевидно е, че колкото е по-ниска работната честота, толкова по-ниско напрежение трябва да бъде подадено на CPU и работата на чипа ще си остане стабилна. В BIOS се намира така наречената таблица на съответствията на честотите и съответните им напрежения за всеки съвместим с дадена дънна платка процесор. За щастие, производителите твърдо се придържат към тази таблица.

Тоест, напреженията, мощностите и съответните честоти са зададени твърдо. Но какво в този случай се променя? Правилно, това е токът – така или иначе, мощността е токът, умножен на напрежението. Разбира се, Intel задава лимит и за тока. В случая с i5-8250U това са 64 А (параметърът Icc Max). Като се има предвид, че напрежението при работа с честота 3,4 GHz е около 1 V, то получаваме, че максималната консумирана мощност, а оттук и максималната отделяна топлина е около 64 W.

Явно процесорът няма как да достигне това значение (Short TDP обикновено е под 50 W). Веднага възниква съвсем логичният въпрос: защо тогава е трябвало да бъде въведен параметърът Icc Max, ако той никога няма да ограничи процесора? И още, в десктоп дъната този параметър е поставен дори чак на 255 А, а при напрежение 1,2-1,3 V се получват фантастичните 330 W и явно това е твърде далече от реалната консумация на десктоп процесорите.

По-нататък е още по-интересно. А какви всъщност MOSFET се използват в захранването на този i5-8250U. Оказа се, че това са транзисторите Sic634 с максимален ток 50 А и пиков ток – 55 А. Сякаш е по-ниско от спецификациите на Intel. Може би тук компанията Xiaomi е решила да направи икономии, но ако погледнем скъпите Dell XPS 13 със същия процесор, виждаме съвсем същите MOSFET. Разбира се, 50 А при напрежение 50 V са си цели 50 W мощност – това е малко повече от Short TDP, което в този случай е 44 W и е многократно повече от Long TDP с 15 W. Но това, че производителите на дънни платки твърде често „забравят“ спецификациите на Intel при планирането на силовата част на дъната, меко казано, плаши.

Следва „Черешката на тортата“ и разбира се, това е Intel Turbo Boost 3.0. Топ решенията за LGA2066 сокет могат да имат цели 18 ядра, при това на един и същ кристал. Шансът всичките ядра да се клокват еднакво е твърде малък – винаги ще има 1-2 по-удачни процесорни ядра, които могат да достигнат по-високи честоти. Ясно е, че Turbo Boost 2.0 клоква всички ядра до възможните указани честоти, но при поставянето на мощен HEDT на дънна платка с поддръжка на технологията Turbo Boost 3.0, най-напред автоматично се определят най-добрите ядра в него и само на тях се позволява максималния клок. Разликата не е чак толкова голяма – около 200 MHz, но ние все още виждаме как Intel представя на пазара „полубракувани“ кристали, в които различните ядра се клокват по различен начин.

Как всъщност работи автоматичния овърклок на процесорите на Intel? Става ясно, че както реши съответният производител на дънна платка. В крайна сметка в мобилния сегмент вместо максималните Turbo Boost от 3,5-4,0 GHz в реалността виждаме само 2,0-2,5 GHz. Разбира се, това е повече от минималните честоти, които при Intel са твърде ниски, но и съвсем не са нивото, което очакват повечето потребители.

AMD

Компанията AMD отлично разбира две основни неща. Първо, тя изобщо не е в позиция да предлага „полубрак“, подобно на Intel, така че по-евтините Ryzen без символа „Х“ в името си работят със 150-200 MHz по-ниски честоти от чиповете с този символ, дори и при овърклок. Второ, едноядрената производителност на Zen и Zen+ не бе много на ниво и AMD трябваше да направи нещо по въпроса. Така се роди технологията PBO, която доста прилича на Turbo Boost, но от друга страна – кардинално се различава от нея.

При десктоп процесорите на Intel може да се каже, че е важен само един лимит – този на температурата, а всички останали или не се достигат или са изключени в BIOS-а, а процесорът работи при максималната честота за всичките ядра, като я покачва дотолкова, колкото може.

При AMD технологията за автоматичния овърклок има четири активно работещи параметъра:

• PPT Limit (Package Power Tracking) – ограничаване на консумираната от процесора енергия във ватове
• TDC Limit (Thermal Design Current) – ограничени на максималния ток, подаван на процесора. Определя се от ефективността на охлаждането на VRM на дънната платка
• EDC Limit (Electrical Design Current) – ограничение на максималния ток, подаван на процесора. Определя се от електрическата схема на VRM на дънната платка.
• Precision Boost Overide Scalar – коефициент на зависимостта на подаваното на процесора напрежение в зависимост от неговата честота

Първият параметър е ясен – това е същото ограничение по TDP и тук всичко е логично. Вторият и третият параметър са по-интересни: докато при Intel имаме обикновено ограничение на тока, то тук се отчитат още и ефективността на компонентите на захранването на дънната платка. Четвъртият параметър е още по-весел: това е вътрешен за компанията параметър, принципът на образуването на който AMD не разкрива.

Получава се малко неочаквана ситуация: Ryzen 7 3800X с максимална по спецификации честота 4,5 GHz, може да работи както с по-висока (4,55 GHz), така и с по-ниска (4,37 GHz). Странното тук е, че няма никаква зависимост от VRM на дънната платка – евтиното решение на ASRock например, съвсем не е в края на списъка:

Засега тази специфична информация за AMD е все още твърде малко. Вижда се само, че фирмената помощна програма Ryzen Master не разпознава най-добрите ядра на процесорите на AMD и поставя звездички на други, а не на най-добрите процесорни ядра.

Изводи

Към днешен ден ситуацията на процесорния пазар е много странна. Фалшиви честоти, неработещи лимити, спецификации, които не съответстват на истината. Създава се впечатление, че индийците пишат сорс кодовете, а китайците запояват. Ето защо, при закупуването на нов лаптоп или дънна платка с поставен процесор, добре е внимателно да бъдат изучени именно реалната производителност и честотите, понеже дори и в десктоп сегмента може да има много големи разлики в производителността, при това в режима по подразбиране, избран от производителя.