TESTOVÁNÍ MEZÍ PROVOZUSCHOPNOSTI PROCESORŮ

MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY

TESTOVÁNÍ MEZÍ PROVOZUSCHOPNOSTI PROCESORŮ

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Tomáš Vlček

Brno, 2011

Prohlášení Prohlašuji, že tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj.

....................................

Tomáš Vlček

Vedoucí práce: prof. Ing. Václav Přenosil, CSc.

i

Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu práce prof. Ing. Václavu Přenosilovi, CSc. za odborné vedení, cenné podněty ke zlepšení a velmi vstřícný přístup během psaní této práce. Zároveň mé poděkování patří všem přátelům, kteří se na vzniku výsledné práce podíleli.

ii

Shrnutí Cílem práce je analýza problému přetaktování, navržení postupu, otestování a porovnání mezních hodnot provozuschopnosti procesorů. Po nastudování problematiky a dostupné literatury bylo otestováno celkem šest procesorů a veškeré výsledky jsou uvedeny dále v práci. Navyšování pracovní frekvence bylo dosaženo třemi rozdílnými cestami, jednak navyšováním frekvence sběrnice, změnou násobiče procesoru a také kombinací obou metod. V práci jsou dále obsaženy výsledky po testování se změnou frekvence sběrnice. K otestování stability byl použit program Prime95, k otestování výkonnosti byly použity dva nástroje - komerční PCMark a nástroj vyvinutý autorem. Teplota procesorů byla během testů sledována pomocí programu SpeedFan.

iii

Klíčová slova AMD, frekvence, napětí, násobič, Prime95, procesory, provozuschopnost, přetaktování

iv

Obsah 1

Úvod ..................................................................................................................................... 1

2

Teoretická analýza problematiky ......................................................................................... 2

3

4

5

2.1

Rozdílná architektura AMD/Intel.................................................................................. 2

2.2

Taktování procesorů AMD ............................................................................................ 3

2.2.1

Taktování AMD K7 ................................................................................................ 3

2.2.2

Taktování AMD K8 ................................................................................................ 5

2.3

Taktování procesorů Intel ............................................................................................. 6

2.4

Šetřící technologie ........................................................................................................ 6

2.5

Způsoby chlazení čipů................................................................................................... 7

2.5.1

Tepelná kapacita a tepelná vodivost .................................................................... 7

2.5.2

Chlazení vzduchem ............................................................................................... 8

2.5.3

Chlazení kapalinami .............................................................................................. 8

2.5.4

Další typy chlazení ................................................................................................ 8

2.5.5

Vliv teplovodivých past ......................................................................................... 9

Cíle taktování a popis testů ................................................................................................ 10 3.1

Co lze očekávat od nejnižšího a nejvyššího modelu třídy .......................................... 10

3.2

Je pro všechny procesory nějaký reálný strop? .......................................................... 11

3.3

Vliv napětí na stabilitu ................................................................................................ 11

3.4

Benchmarky a základ testovacích programů .............................................................. 13

3.5

Cíle práce - zisk maximální taktu ................................................................................ 14

Možnosti řešení .................................................................................................................. 15 4.1

Změna frekvence FSB ................................................................................................. 15

4.2

Změna násobiče procesoru ........................................................................................ 15

4.3

Kombinace předchozích metod .................................................................................. 17

Experiment na množině procesorů .................................................................................... 18 5.1

Testovací sestava ........................................................................................................ 18

v

5.2

6

7

Testované procesory a popis testování ...................................................................... 19

5.2.1

AMD Athlon XP 2500+, jádro Barton .................................................................. 20

5.2.2

AMD Duron 1,6 GHz, jádro Applebred ............................................................... 21

5.2.3

AMD Athlon XP 2400+, jádro Thoroughbred...................................................... 22

5.2.4

AMD Athlon XP 2200+ , jádro Thoroughbred ..................................................... 24

5.2.5

AMD Sempron 2400+ , jádro Thorougbred ........................................................ 25

5.2.6

AMD Duron 800 Mhz, jádro Spitfire ................................................................... 26

5.3

Porovnání rezerv v taktování ...................................................................................... 27

5.4

Výsledky benchmarků ................................................................................................ 29

5.5

Souhrnné výsledky ...................................................................................................... 33

Hodnocení dosažených výsledků ........................................................................................ 35 6.1

Vliv výrobní technologie na výsledky ......................................................................... 35

6.2

Dopad chlazení a napětí na konečné výsledky ........................................................... 35

6.3

Porovnání s jinými výsledky........................................................................................ 36

6.4

Možné rozšíření práce ................................................................................................ 37

Závěr ................................................................................................................................... 38

Literatura .................................................................................................................................... 39 Seznam zkratek........................................................................................................................... 42 Seznam obrázků, tabulek a grafů ............................................................................................... 43 Příloha A ..................................................................................................................................... 44 Příloha B ..................................................................................................................................... 45

vi

1 Úvod

1

Úvod

Procesor je dnes součástí téměř všeho, co je pro nás běžnou součástí každodenního života. Již od vzniku Von Neumannovy architektury, je procesor hlavním výpočetním centrem celého produktu. Tato práce je zaměřená směrem k běžným procesorům používaných v domácích počítačových sestavách a má za cíl popsat způsob taktování, navrhnout řešení a prezentovat výsledky testů zjišťujících meze provozuschopnosti vybraných procesorů. Tato bakalářská práce je rozdělena do sedmi hlavních kapitol, z nichž každá pojednává o specifické oblasti problematiky. Po úvodu následuje druhá kapitola této práce, která je věnována popisu problematiky taktování, rozdílným přístupům k taktování odlišných procesorů a technologiím řídícím běh procesorů. Dále kapitola seznámí čtenáře s rozdílnými způsoby chlazení elektronických čipů. Poslední partií této kapitoly je popis činnosti teplovodivých past a jejich vliv na taktování. V kapitole třetí se věnuji cílům práce, reálným omezením a vlivu napájecího napětí na úspěšnost testů. V podkapitolách jsou detailně popsány všechny programy a testy použité během testování. Lze zde také nalézt popis mnou vytvořeného testovacího programu, jehož zdrojový kód je uveden v příloze A. Kapitola číslo čtyři má za cíl seznámit čtenáře s odlišnými možnostmi řešení dané problematiky. Prezentuji zde tři možnosti dosažení meze provozuschopnosti procesoru. Bohužel pět ze šesti testovaných procesorů mělo uzamčené násobiče a tak dvě z těchto metod, které se zakládají právě na změně této hodnoty nebylo při mém testování možné použít. Pátá kapitola je věnována samotnému testování a prezentaci dosažených výsledků. Seznamuje čtenáře s testovací sestavou a následně popisem testování jednotlivých procesorů. V podkapitolách lze nalézt grafické výsledky testů a jejich porovnání. Předposlední kapitola se zaměřuje na problémy, které se během práce vyskytly, vliv použitého chlazení a výrobní technologie na konečné výsledky. Dále se zde zamýšlím nad možným pokračováním testování, například s jiným druhem chlazení, či jinou množinou testovaných procesorů. V závěrečné kapitole je popsán výsledek dosavadní práce a čtenář zde nalezne nástin možného budoucího pokračování.

1

2 Teoretická analýza problematiky

2

Teoretická analýza problematiky

Pojmem taktování se rozumí změna pracovní frekvence procesoru. Obecně jím označujeme navyšování pracovní frekvence procesoru a pojmem podtaktování snižování této frekvence. V průběhu devadesátých let se běžná počítačová sestava skládala z několika částí a prim zde hrála základní deska a procesor. Frekvence procesoru se musela nastavovat ručně při prvním použití a byla udávána výrobcem na obalu procesoru. Proto se často stávalo, že spousta počítačových nadšenců zkoušela svoje štěstí provozovat sestavu na vyšší než udávané frekvenci, a v některých případech se jim to podařilo. Se změnou technologie výroby se měnil i přístup k taktování. Výrobci začali vyrábět procesory, které byly od počátku nastaveny na požadovanou frekvenci a nebylo nutné nic nastavovat. Pokrok nešlo zastavit, a tak brzy nepostačovalo provozovat procesory na frekvenci sběrnice1, a bylo nutno přistoupit ke koncepci násobičů. Konečná pracovní frekvence vznikla takto:

pracovní frekvence CPU = frekvence FSB x násobič

Tento způsob využívají také dnešní moderní procesory AMD, jen s tou změnou, že procesor není závislý na frekvenci sběrnice, ale na taktu součásti, nazývané externí generátor taktu.

2.1

Rozdílná architektura AMD/Intel

Drtivou většinu trhu s procesory dnes obsazují dva přední výrobci - Intel2 a AMD3. Mezi procesory těchto výrobců existují od počátku vývoje rozdíly, ať již v podobě rozdílného množství pinů nebo rozdílné konstrukci celé výpočetní jednotky. Od roku 2003, kdy se poprvé na trhu objevily procesory AMD osmé generace, existuje mezi procesory obou výrobců další rozdíl. Firma AMD v tomto roce poprvé implementovala přímo do procesoru integrovaný paměťový řadič. Tato změna přinesla zvýšení propustnosti mezi 1

Dříve než výrobci přišly s koncepcí násobičů, procesory pracovaly na frekvenci FSB. Více o procesorech Intel: http://www.intel.com/en_UK/products/desktop/processors/index.htm 3 Podrobněji o procesorech AMD se můžete dozvědět na stránkách firmy: http://www.amd.com/uk/products/desktop/processors/Pages/desktop-processors.aspx 2

2


paměťmi a procesorem, což přineslo nárůst výkonu celé počítačové sestavy. Firma Intel na tuto novinku reagovala zavedením integrovaného paměťového řadiče až v generaci svých procesorů postavených na mikroarchitektuře Nehalem4.

2.2

Taktování procesorů AMD

Taktování procesorů AMD je vhodné kvůli přehlednosti rozdělit do dvou kategorií - procesory generace AMD K75 a nižší bez integrovaného paměťového řadiče do kategorie jedné a procesory AMD K86 s integrovaným paměťovým řadičem do kategorie druhé.

2.2.1

Taktování AMD K7

Pracovní frekvence procesorů AMD K7 je určená, prostým součinem frekvence FSB a násobiče. Na výkon celé sestavy mají nezanedbatelný vliv i paměti a v neposlední řadě výkon hodně závisí na čipsetu, respektive na tom, jak umí čipset s danými komponentami pracovat. Frekvence FSB je výchozí frekvencí celého systému. Základní desky umožňují zvyšovat tuto frekvenci po malých krocích (obvykle po 1 MHz). Z této frekvence se odvozují další nastavení systému - zejména frekvence pamětí RAM. Bohužel existuje limit, který už nezvládne žádný procesor - praxe ukázala, že většina systémů platformy Socket A nezvládá frekvenci FSB nad 240MHz[4]. Jelikož je přístup do RAM řízen skrze severní můstek (viz obr. 1), je od frekvence FSB odvozována též pracovní frekvence pamětí. Na základě frekvence FSB umožňují základní desky nastavit pracovní frekvenci pamětí takto: • • • •

pro FSB v rozsahu 100-119 MHz je frekvence pamětí vyšší o 33 MHz než frekvence FSB; pro FSB v rozsahu 120-149 MHz je frekvence pamětí stejná, vyšší o 33 MHz nebo vyšší o 66 MHz než frekvence FSB; pro FSB v rozsahu 150-119 MHz je frekvence pamětí menší o 33 MHz, stejná nebo vyšší o 33 MHz než frekvence FSB; pro FSB vyšší než 200 MHz je frekvence pamětí menší o 66 MHz, menší o 33 MHz nebo stejná jako je frekvence FSB.

4

Podrobněji o mikroarchitektuře Nehalem zde: http://www.intel.com/technology/architecture-silicon/next-gen/ 5 Podrobněji o AMD K7 zde: http://www.cpu-world.com/CPUs/K7/index.html 6 Podrobněji o AMD K8 zde: http://www.cpu-world.com/CPUs/K8/index.html

3


Paměťové moduly však dokáží během jednoho taktu přenášet dvě jednotky informace, proto je reálná frekvence pamětí DDR dvojnásobná.

Obr. 1 - ilustrace komunikace mezi procesorem a pamětí. vlevo - bez integrovaného paměťového řadiče, vpravo - s integrovaným paměťovým řadičem [7]

Frekvence paměťových modulů RAM není jedinou od frekvence FSB odvozenou hodnotou. Od frekvence sběrnice se odvozuje také frekvence sběrnice AGP,PCI a frekvence diskových řadičů. Provozování sestavy na vyšších frekvencích FSB by mělo za následek zvýšení frekvencí AGP a PCI, což by mohlo vést k neočekávaných chybám v podobě ztrát grafického či zvukového signálu. Řešením tohoto úskalí byla implementace sady děliček, které se při vyšších frekvencích FSB postupně aktivují. Výsledkem řešení je provozování zařízení ve sběrnicích AGP a PCI na přijatelných frekvencích. Například konkrétně čipová sada VIA KT6007 obsahuje čtyři děličky pro odvození frekvencí AGP a PCI. Děličky jsou následující (frekvence PCI / frekvence FSB): • • • •

1/3 - pro frekvence FSB 100-119 MHz 1/4 - pro frekvence FSB 120-149 MHz 1/5 - pro frekvence FSB 150-199 MHz 1/6 - pro frekvence FSB větší než 200 MHz

Frekvence pro sběrnici AGP je odvozena stejně jako pro PCI, ale pracuje na dvojnásobné rychlosti. Bohužel ani zvýšené množství děliček nebylo ideální řešením, protože při velmi vysokých frekvencích FSB (tj. větších než 233 MHz) se vyskytovaly chyby v přenosu[8]. Proto byla do 7

Více o čipsetu KT600 na stránkách výrobce zde: http://www.via.com.tw/en/products/chipsets/k7-series/kt600/

4


čipové sady VIA KT880 přidána funkcionalita AGP/PCI lock, která nastavuje děličku frekvencí AGP/PCI tak, aby výsledná frekvence sběrnic AGP a PCI byla vždy 66 MHz, resp. 33 MHz. Taktovat procesory AMD K7 lze také změnou hodnot násobiče. Jednak můžete narazit na procesor, který má násobič odemčený (umožňuje změnu této hodnoty pomocí BIOSU), nebo jej lze manuálně upravit přímo na obalu procesoru, a tak nastavit jinou, než výchozí hodnotu násobiče (podrobněji kapitola 4).

2.2.2

Taktování AMD K8

Nové Athlony K8 představují trochu jiný přístup k přetaktování procesorů než K7. Nové procesory nelze taktovat pomocí změn hodnot násobiče, neboť jádro procesoru je zapouzdřeno v celokovovém obalu. Ani taktování pomocí změny frekvence FSB není možné, jelikož u procesorů řady K8 je frekvence FSB závislá na externím generátoru taktu. Jedinou možností je tedy navyšování frekvence externího generátoru taktu. Základní frekvence externího generátoru taktu je 200 MHz. Z této hodnoty se odvozuje frekvence sběrnice (nazývaná HyperTransport; HT8) součinem s nastavenou konstantou. Konstantou je uživatelem nastavovaná hodnota v BIOSU počítače a nabývá hodnot v intervalu 1 až 5. Výsledná pracovní frekvence procesorů K8 je součinem frekvence generátoru a násobiče. Tyto hodnoty jsou konečné. Je vidět, že frekvence HT a pracovní frekvence procesoru jsou na sobě zcela nezávislé.

Obr. 2 - znázornění závislostí pracovních frekvencí na interním generátoru taktu procesorů AMD K8 [9]

8

Podrobněji o HT: http://www.hypertransport.org/default.cfm?page=Technology

5


Velkým rozdílem oproti řadě K7 je přímé propojení paměti s jádrem procesoru (řadič paměti je integrován v procesoru, viz obr.1, 2 ). Komunikace procesoru s paměťmi je nezávislá na severním můstku, a proto lze nezávisle nastavovat frekvenci pro tuto sběrnici pamětí. Výsledná frekvence je podílem pracovní frekvence procesoru a celočíselné děličky. U čipsetů pro procesory K8 lze frekvenci externího generátoru taktu libovolně měnit. Kromě skutečné meze provozuschopnosti samotného procesoru se zde nenachází jiná omezení, protože frekvence AGP/PCI jsou nezávislé a děličky ostatních komponent lze nastavit dostatečně nízko, a tak je možné procesoru nastavit libovolně vysokou frekvenci[4].

2.3

Taktování procesorů Intel

Taktování procesorů Intel je velice podobné taktování procesorů AMD K7. Rozhodující roli zde hraje frekvence FSB. Frekvence této sběrnice je tedy klíčová z pohledu taktování, protože až na výjimky nelze procesory Intel taktovat změnou násobiče. Firma Intel chrání své procesory stejně jako firma AMD u procesorů K8 - zapouzdřením do celokovového obalu, čímž prakticky znemožňuje jakoukoli manuální úpravu procesoru. Výjimku tvoří procesory Intel řady začínající označením X, u kterých Intel ponechává otevřený násobič. U procesorů Intel, podobně jako u AMD K7, se od frekvence FSB odvozuje i pracovní frekvence paměťových modulů RAM. Kvůli existenci mnoha druhů pamětí RAM, obsahuje čipset řadu násobičů (běžně hodnoty 2, 2.5, 3), kterými násobí frekvenci FSB a získává tak pracovní frekvenci pamětí. Při vysokých frekvencích FSB (větších než 400 MHz) a nastaveném minimálním násobiči musí být RAM schopny pracovat na frekvencích větších než 800 MHz. Proto je nutné při taktování procesorů Intel myslet také na kvalitní paměťové moduly.

2.4

Šetřící technologie

Během posledních let se vývoj procesorů začal zaměřovat na nové oblasti vývoje. Snahu o vyrobení velice výkonných procesorů vystřídala snaha o vytvoření ekologických a energeticky šetrných procesorů při zachování stávajícího výkonu. Reakcí na tuto změnu byl i vývoj nových technologií pro řízení procesorů. Moderní procesory tak obsahují spoustu technologií pro řízení spotřeby, a tedy i výkonnosti čipu. Tyto technologie se však liší v závislosti na tom, zda se jedná o procesory Intel nebo AMD.

6


Například osmá generace procesorů AMD přinesla mnoho odlišností od generace předchozí. U některých procesorů AMD K8 byla použita přepracovaná technologie PowerNow!9, která původně vznikla jako technologie pro mobilní zařízení. PowerNow! během nečinnosti snižovala frekvenci FSB a napětí procesorů na minimální možnou úroveň, čímž minimalizovala emitované teplo a snížila energetickou spotřebu čipu. Vylepšením této technologie je technologie Cool and Quiet10, poprvé použitá u novějších procesorů AMD K8, která snižuje pracovní frekvenci procesoru pomocí změny násobiče. Příkladem efektivnosti může být procesor AMD Athlon 64 3200+, který má při maximálním zatížení spotřebu až 90W a při použití technologie C&Q spotřeba v nečinnosti klesá na hodnotu 35W[5]. Bohužel jsou však úsporné prvky jedním z problémů taktování. Pokud dojde ke snížení napětí procesorů dříve než ke snížení frekvence, může dojít k náhodným chybám, které mohou vést k nestabilitě i případné havárii celého systému. Pravděpodobnost výskytu těchto chyb roste, čím blíže k hranici provozuschopnosti je procesor provozován. Veškeré úsporné prvky je tedy vhodné během taktování a provozování přetaktovaného procesoru vypnout.

2.5

Způsoby chlazení čipů

Každá elektronická součástka, ke které přivádíme napětí, má jako vedlejší efekt produkci tepla. Se zvyšujícím se výkonem těchto součástek roste i množství tepla, které čipy vytvářejí. Toto teplo je nežádoucí a je nutné ho od čipu odvést. Existuje mnoho cest, jak to udělat: od nejjednoduššího způsobu pomocí proudícího vzduchu, po extrémní, jakým je třeba použití kapalného dusíku.

2.5.1

Tepelná kapacita a tepelná vodivost

Dobrými ukazateli toho, jak je které médium při odvádění tepla účinné, jsou dvě fyzikální veličiny - měrná tepelná kapacita11 a tepelná vodivost12. První z nich vyjadřuje, jaké množství tepla musí pojmout jeden kilogram látky, aby se ohřál o jeden teplotní stupeň. Na příkladu vzduchu a vody v tabulce č. 1 je dobře vidět potenciální rozdíl. Suchý vzduch má měrnou tepelnou kapacitu 1005 J·Kg-1·K-1, zatím co voda 4183 J·Kg-1·K-1. To znamená, že pro ohřátí o jeden tepelný stupeň musí voda absorbovat více než čtyřikrát více tepla než vzduch. 9

Podrobnosti o této technologii zde: http://support.amd.com/us/Embedded_TechDocs/24404a.pdf Více o technologii C&Q lze nalézt zde: http://www.amd.com/us/products/technologies/cool-nquiet/Pages/cool-n-quiet.aspx 11 Tabulka měrné tepelné kapacity vybraných materiálů můžete nelézt zde: http://www2.ucdsb.on.ca/tiss/stretton/database/Specific_Heat_Capacity_Table.html 12 Tabulku tepelné vodivosti vybraných materiálů můžete nalézt zde: http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/thermal.html 10

7


Na druhou stranu tepelná vodivost udává výkon, který musí projít krychlí s hranou jeden metr, aby její opačné strany měly teplotní rozdíl jeden Kelvin. Voda má tepelnou vodivost 0,6062 W·m-1·K-1, zatímco vzduch pouze 0,0262 W·m-1·K-1. Voda tedy vede teplo téměř 24krát lépe než vzduch. Vzduch -1

-1

Měrná tepelná kapacita (J·Kg ·K ) -1

-1

Tepelná vodivost (W·m ·K )

Voda

Hliník

Měď

Diamant

Olej

Stříbro

1005

4183

896

0,0262

0,6062

237

Dusík

383

502

2000

235

1042

386

2300

0,13

429

0,026

Tab. 1 - Přehled měrné tepelné kapacity a tepelné vodivosti vybraných materiálů

2.5.2

Chlazení vzduchem

Chlazení vzduchem je nejpoužívanějším druhem chlazení čipů. Většinou se skládá z pasivní kovové části, jež je s čipem spojena teplovodivou pastou, a z aktivního ventilátoru, který žene vzduch skrz pasivní část, čímž ji ochlazuje. Chlazení vzduchem se používá jak pro domácí sestavy a přenosné notebooky, tak pro celé „serverovny“. Tato technologie je nenáročná na údržbu a vyniká svou jednoduchostí. Mezi další její nesporné výhody patří bezpečnost. V případě chlazení vzduchem totiž nehrozí nedostatek chladícího materiálu ani případné poškození sestavy únikem kapaliny. Nevýhodou tohoto řešení je však nižší efektivita oproti jiným typům chlazení.

2.5.3

Chlazení kapalinami

Technologie založená na výhodných tepelných vlastnostech kapalin nepatří mezi nejrozšířenější, ale svoje zastánce si najde. Mezi její výhody se řadí lepší tepelná vodivost i lepší měrná tepelná kapacita oproti jiným typům chlazení. Nevýhody lze najít v rozměrných součástkách celého systému, eventuálně i v možném úniku chladicí kapaliny do sestavy. Kapalinové řešení rozhodně vyžaduje větší bdělost uživatele než chlazení vzduchem. Nakonec musíme mít na mysli také fakt, že chladící kapalinu zchladíme maximálně na úroveň teploty okolí.

2.5.4

Další typy chlazení

Další typy chlazení nejsou již tak obvyklé. Řadíme sem například chlazení pomocí olejové lázně, Peltierova článku13 nebo kapalného dusíku. Chladit počítač olejem dovolují jeho vlastnosti, protože olej je elektrickým izolantem a zároveň dobrým tepelným vodičem. Stačí tedy udržet

13

Bližší podrobnosti naleznete zde: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=30765

8


teplotu lázně na požadované teplotě a o chlazení je postaráno. Výhodou Peltierova článku je možnost ochladit čip pod okolní teplotu, avšak za cenu obrovské energetické náročnosti. Chlazení pomocí kapalného dusíku je nejextrémnější způsob, jak odvést teplo vyprodukované čipem. Tento způsob je používán pouze pro výjimečné události, například extrémní taktování. Žádný z těchto typů chlazení se dnes běžně nepoužívá, a to především z ekonomických důvodů.

2.5.5

Vliv teplovodivých past

Ať použijeme jakýkoliv typ chlazení, je nutné zajistit co nejlepší odvod tepla přímo od čipu. O přenos tepla z čipu do pasivní části chladiče se stará teplovodivá pasta. Jejím hlavním účelem je zvýšení tepelné vodivost mezi čipem a pasivní částí chladiče. Dnes se můžeme setkat se čtyřmi druhy teplovodivých past: • • • •

silikonovými - nejlevnější a nejrozšířenější druh teplovodivých past; s příměsí kovu - silikonové pasty nejčastěji s příměsí stříbra nebo hliníku; s příměsí uhlíku - silikonové pasty s příměsí diamantového prachu nebo uhlíkových vláken; na bázi tekutého kovu - nejkvalitnější teplovodivé pasty založeny na bázi tekutého kovu (většinou galia), ale s nevýhodou elektrické vodivosti; používány převážně pro laboratorní testy.

9

3 Cíle taktování a popis testů

3

Cíle taktování a popis testů

3.1

Co lze očekávat od nejnižšího a nejvyššího modelu třídy

Výroba procesorů je složitý proces, během něhož vzniká z křemíkového monolitu výpočetní jednotka. Procesor je v podstatě polovodičová součástka tvořená především křemíkovou destičkou s několika příměsmi. Na začátku výroby se křemíkový monokrystal nařeže na pláty (tzv. wafery), na kterých jsou následně litografií vyrobeny miliony tranzistorů s měděnými spoji. Vše se usadí do pouzdra. Nakonec se procesory testují a podle dosažených výsledků se jim nastavují výchozí hodnoty frekvence FSB a násobiče[6]. Tímto způsobem vzniká celá třída procesorů od nejméně výkonných po nejvýkonnější kusy (od nejnižšího po nejvyšší model třídy). Dalo by se předpokládat, že nejvýraznějších výsledků v přetaktování budou dosahovat nejnižší modely dané třídy. Ne vždy je tomu ale tak. Díky odlišné poptávce po různých modelech jsou výrobci nuceni některé kusy záměrně podhodnotit, aby tuto poptávku uspokojili. V praxi to znamená, že pokud jste si například zakoupili procesor AMD Athlon 2500+ ve skutečnosti můžete mít procesor AMD Athlon 2800+. Tyto procesory pracují na shodné základní frekvenci FSB 166 MHz a liší se pouze nastavením násobiče, kdy Athlon 2500+ má nastaven násobič na hodnotu 11 a Athlon 2800+ na 12,5. Pro úplnost přikládám tabulku s přehledem vyráběných procesorů AMD Athlon XP s jádrem Palomino, jejichž výkon je odlišen pouze výrobním nastavením násobiče.

Model

Frekvence FSB(MHz)

násobič

1700+ 1800+ 1900+ 2000+ 2100+ 2200+

266 266 266 266 266 266

5,5 5,75 6 6,25 6,5 6,75

Pracovní L2 frekvence cache(kB) (MHz)

1467 1533 1600 1667 1733 1800

napětí(V)

256 256 256 256 256 256

Tab. 2 - Přehled jednotlivých verzí AMD Athlon XP s jádrem Palomino [2]

10

1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

Počet Technologie tranzistorů (nm) (mil.)

130 130 130 130 130 130

37,2 37,2 37,2 37,2 37,2 37,2


3.2

Je pro všechny procesory nějaký reálný strop?

Žádné křemíkové vlákno, které je součástí výpočetní síly procesoru, nemůže kmitat neomezeně vysokou frekvencí. Jsou zde nepřekročitelné fyzikální limity. Existuje však mnoho způsobů, jak se k těmto limitům přiblížit. Vliv mají faktory typu technologie výroby křemíkových vláken, kvalita zpracování a v neposlední řadě také účinnost chlazení samotného čipu. Jediným uživatelem ovlivnitelným faktorem je způsob chlazení (viz kapitola 2.5), a tak právě chlazení je rozhodujícím faktorem pro dosažení dobrých výsledků v přetaktování. Účinným chlazením lze téměř dosáhnou na absolutní reálný strop provozuschopnosti každého procesoru. Příkladem může být nejvyšší zaznamená frekvence u procesoru Duron 1,4 GHz, který pracoval stabilně na 3,03 GHz.14 Nicméně rekordu bylo dosaženo za použití kapalného dusíku, který je pro běžný provoz nepoužitelný. Podobně úspěšné výsledky, také s použitím kapalného dusíku, můžeme nalézt v podobných testech, kdy například vynikajících výsledků dosáhl Intel Pentium 4, kdy ze základních 3,8 GHz byl přetaktován na hodnotu 7,65 GHz. Teplota chladícího média byla při tom -192°C.15

3.3

Vliv napětí na stabilitu

Z výsledků uvedených dále v práci je patrné, že napětí procesoru má na stabilitu systému a dosažení lepších výsledků nezanedbatelný vliv. V průběhu testů však některé testované procesory prokázaly vyšší výkonnost na nižším napětí než na napětím vysokém. Důležitými komponentami, které se starají o napájení procesoru, jsou zdroj a základní deska. Dle kvality zpracování obou těchto komponent je dodávané napětí stabilní nebo naopak. Kvalita dodávaného napětí je též přímo závislá na výši napětí a na aktuálním zatížení procesoru. Čím vyšší hodnotu napětí pro procesor nastavíme, tím větší bude při maximálním zatížení odchylka od nastaveného stavu. Pro příklad přikládám obrázky 3 a 4, na kterých je vidět stabilita při maximálním zatížení procesoru výchozí a zvýšené hodnotě napětí.16 Můžete si všimnout značného rozdílu při hodnotách napětí 1,75V a 1,95V. S vyššími frekvencemi a vyšším napětím procesoru roste také pravděpodobnost výskytu chyby v průběhu zpracování. Pokud se taková chyba vyskytne, procesor již nepracuje stabilně a další zvyšování pracovní frekvence postrádá smysl. Proto je tak nutné při taktování pamatovat na kvalitní zdroj, jenž poskytuje stabilní napětí.

14

Podrobněji na: http://valid.canardpc.com/show_oc.php?id=40070 Více viz: http://www.xtremesystems.org/forums/showpost.php?p=1267944&postcount=161 16 Obrázky pořízeny pomocí programu OCCT [10]. 15

11


Obr. 3 - stabilita napájecího napětí při výchozím nastavení

Obr. 4 - stabilita napájecího napětí při zvýšeném nastavení

12


3.4

Benchmarky a základ testovacích programů

Pro testování stability procesorů byl během testování použit program Prime9517, který k otestování stability procesoru nabízí test Small FFTs. Test je založen na Fourierově transformaci.18 Aby nedocházelo k ovlivnění testu jinými komponentami, jsou všechna potřebná data uchovávána v L2 cache paměti procesoru. Během testu je procesor 100% vytížen, a proto je vhodné sledovat teplotu čipu, zda nedochází k jeho přehřívání, které je potenciálním zdrojem chyb.

Obr. 5 - prostředí testovací programu Prime95

Pro sledování teploty byl použit program SpeedFan19 verze 4.43. Program zobrazuje teploty ze všech teplotních čidel umístěných v počítači. U starších testovaných procesorů se teplota měří integrovaným teplotním čidlem na vrchní částí procesoru, u novějších teplotním čidlem umístěným přímo v jádře.

17

Volně šiřitelný program dostupný na http://www.mersenne.org Podrobně o Fourierově transformaci zde: http://matematika.cuni.cz/dl/analyza/37-fou/lekce37-fou-pmax.pdf 19 Program pro sledování teplot čipů a otáček ventilátorů: http://www.almico.com/speedfan.php 18

13


Pro testování výkonnosti byly použity dva programy: mnou vyvinutý program měřící čas potřebný k výpočtu faktoriálu padesáti tisíc a komerční program PCMark0420, u kterého byly pro změření výkonnosti procesoru provedeny následující testy: • • • • • •

File Compression; File Decompression; Grammar check; File Decryption; Audio Conversion; DivX Video Compression.

Všechny tyto testy jsou přímo konstruovány pro testování výkonnosti procesoru a ovlivnění testu jinými komponentami počítače je u nich minimální. Vlastní program vytvořený v programovacím jazyce JAVA, měl za cíl změření času potřebného pro výpočet faktoriálu padesáti tisíc. Nevýhodou tohoto programu je závislost nejen na výkonu procesoru, ale i na dalších komponentách počítačové sestavy, především na operační paměti. V rámci běhu programu dochází k ukládání mezivýsledků do paměti RAM a frekvence pamětí tak částečně ovlivňuje výsledek testu. Během testu proto byla frekvence operační paměti manuálně nastavena na její nejnižší hodnotu, aby se co nejvíce zabránilo zmíněnému nežádoucímu efektu. Kompletní zdrojový kód mého programu je k nalezení v příloze A.

3.5

Cíle práce - zisk maximální taktu

Jak může být patrné z dosavadního testu, cílem testování bylo dosažení maximálního taktu procesorů za daných podmínek, který nejlépe vyjadřuje, na jakých frekvencích je možné daný procesor stabilně provozovat. Rozdíl mezi nejvyšší naměřenou frekvencí a základní frekvencí vyjadřuje rezervu, s jakou byly dané procesory vyrobeny. Porovnáním těchto rezerv lze získat představu o tom, kde leží meze provozuschopnosti pro valnou část procesorů.

20

Program pro testování výkonnosti procesorů, podrobněji o testech zde: http://futuremark.com/pressroom/companypdfs/PCMark04_Whitepaper

14

4 Možnosti řešení

4

Možnosti řešení

Tato kapitola pojednává o možnostech zjištění meze provozuschopnosti procesorů. Nejlepším ukazatelem hodnoty této meze je maximální takt, při kterém je ještě daný procesor stabilní a vrací správné výsledky. Cílem mnou provedených testů bylo získaní takového taktu. Ke zjištění této hodnoty lze využít některou ze tří dostupných metod pro změnu pracovní frekvence procesoru. Žádná z nich není absolutně přesná a panují mezi nimi znatelné rozdíly v možnostech přiblížení se hranici provozuschopnosti.

4.1

Změna frekvence FSB

První z možností, jak se přiblížit k hranici provozuschopnosti procesoru, je změna frekvence FSB. Tato jednoduchá operace se provádí v BIOSU počítače a ihned po jeho restartu je znát, zda-li je nová konfigurace funkční či nikoliv. Výhodou, ale zároveň úskalím tohoto řešení, jsou relativně malé výkonnostní přírůstky, neboť změna frekvence FSB o 1 MHz zvýší pracovní frekvenci procesoru o velikost násobiče. Konečný výsledek tak bude relativně blízko skutečnému maximálnímu taktu daného procesoru. Nevýhodami jsou zdlouhavé navyšování frekvence FSB, nutnost neustálého testování stability pro každou kombinaci a ovlivnění frekvencí dalších sběrnic. Přestože se tato metoda zdá být nejméně vhodná, právě změna frekvence FSB byla použita ve většině testech této práce. Důvodem bylo, že tuto metodu lze použít jak na procesory s uzamčeným, tak i otevřeným násobičem.

4.2

Změna násobiče procesoru

Druhou možností zvyšování pracovní frekvence procesoru je změna násobiče. V případě procesoru s odemčeným násobičem je změna jednoduchá a provádí se v BIOSU počítače stejně jako změna frekvence FSB. Pokud je však násobič uzamčen, je nutné hodnotu násobiče pozměnit přímo na obalu procesoru spojením určitých pinů. Tato operace je náročnější, zdlouhavá a vyžaduje téměř „hodinářskou“ zručnost. Navíc je tato manuální změna mechanickým zásahem uživatele a tímto krokem uživatel přichází o jakoukoli záruku na daný procesor. Mezi výhody tohoto řešení patří velký nárůst pracovní frekvence malou úpravou hodnot násobiče, přesněji změnou násobiče o jednu jednotku se změní pracovní frekvence procesoru o velikost frekvence FSB.

15


Hodnotu násobiče u procesorů AMD K7 určuje kombinace spojených nebo rozpojených můstků soustavy označované jako L3. V tabulce č. 3 jsou uvedeny hodnoty násobiče a jemu odpovídající kombinace spojení můstků soustavy L3. Na obrázku č. 6 můžete vidět příklad - je zde znázorněna pětice vodičů soustavy L3, která podle tabulky určuje násobič na hodnotu 11.

Hodnota násobiče

5x 5,5x 6x 6,5x 7x 7,5x 8x 8,5x 9x 9,5x 10x 10,5x 11x 11,5x 12x 12,5x

0 S N S N S N S N S N S N S N S N

1 S S N N S S N N S S N N S S N N

Vodi č 2 N N N N S S S S N N N N S S S S

3 S S S S N N N N N N N N S S S S

Hodnota násobiče

4 S S S S S S S S S S S S S S S S

13x 13,5x 14x 15x 16x 16,5x 17x 18x 19x 20x 21x 22x 23x 24x nedef. nedef.

0 S N S S S N S N N N N N S N S S

1 S S N S N N S S S N N S N N S N

Vodi č 2 N N N S S S N N S S N S N N S S

3 S S S N N N N N S S S N N N S S

Tab. 3 - Hodnoty násobiče a jemu odpovídající kombinace můstků soustavy L3 (S - spojeno, N - nespojeno)

Obr. 6 - zobrazení pětice vodičů soustavy L3 ( aktuální zobrazení odpovídá násobiči s hodnotou 11 )

16

4 N N N N N N N N N N N N N N N N


4.3

Kombinace předchozích metod

Třetí možností, jak se maximálně přiblížit k mezi provozuschopnosti procesoru, je kombinace předchozích metod. Vhodným nastavováním frekvence FSB a násobiče lze zvyšovat pracovní frekvenci procesoru po minimálních možných krocích a dosáhnout tak co největšího přiblížení k reálné mezi provozuschopnosti. Nevýhodou tohoto řešení je vysoká časová náročnost na otestování stability pro každou kombinaci frekvence FSB a násobiče. V tabulce č. 4 je znázorněn nárůst pracovní frekvence s ohledem na použitou metodu.

FSB 225 226 227 228 229

násobič 8 8 8 8 8

CPU 1800 1808 1816 1824 1832

FSB 200 212 164 190 157

násobič 9 8,5 11 9,5 11,5

CPU 1800 1802 1804 1805 1805,5

FSB 225 225 225 225 225

násobič 8 8,5 9 9,5 10

CPU 1800 1912,5 2025 2137,5 2250

Tab. 4 - porovnání změn výsledné frekvence dle jednotlivých metod, vlevo - změna frekvence FSB, vpravo - změna násobiče, uprostřed - kombinace obou předchozích metod

17

5 Experiment na množině procesorů

5

Experiment na množině procesorů

V této kapitole je popsána testovací sestava, na které byly všechny procesory testovány. Dále následuje popis testů jednotlivých použitých procesorů. V každé podkapitole je připojen graf s výsledky, jakých jednotlivé procesory dosáhly.

5.1

Testovací sestava

Pro testování všech dostupných procesorů byla použita běžná domácí počítačová sestava s těmito parametry: • • • • • • •

základní deska Asus A7V600-X 400MHz FSB AGP8x SATA RAID 6xPCI; paměť RAM Corsair DIMM 512MB DDR 400MHz CL2.5; grafická karta Nvidia GeForce 6600GT 128MB DDR3 AGP; pevný disk Seagate 13GB 5400 RPM ATA 66 3.5 INCH; celoměděný chladič Thermaltake Combo Cool DIY TOWER112; teplovodivá pasta Arctic Cooling MX-2 Thermal Compound; napájecí zdroj Eurocase 350W.

Základní deska je postavena na čipsetu VIA KT600. Tato deska neobsahuje funkci AGP/PCI lock, a tudíž během testů docházelo při navyšování frekvence FSB i k nárůstů frekvence sběrnic AGP a PCI (podrobněji viz kapitola 2.2.1). Aby byly výsledky co nejméně ovlivněny dalšími komponentami, frekvenci operační paměti jsem manuálně nastavoval na nejnižší možnou úroveň. Během testů se tak frekvence operační paměti pohybovala v rozmezí 240 - 300 MHz v závislosti na frekvenci FSB. Ve slotu AGP byla zapojena výše zmíněná grafická karta a sloty PCI zůstaly prázdné. Tímto krokem jsem chtěl dosáhnout minimalizace možných chyb vznikajících na těchto slotech díky zvýšeným frekvencím. Na pevném disku byl nainstalován operační systém Windows XP Professional a sada testovacích nástrojů (viz kapitola 3.4). Počítačová sestava byla provozována mimo počítačovou skříň z důvodu lepších chladících podmínek.

18


O odvod tepla z procesoru se staral celoměděný chladič založený na technologii heatpipe.21 K němu byly připevněny dva ventilátory o průměru 8 cm. Jeden z nich vháněl mezi měděná žebra čerstvý chladný vzduch a úkolem druhý z tohoto prostoru teplý vzduch vysával.

5.2

Testované procesory a popis testování

Všechny testované procesory jsou sedmou generací procesorů AMD. Oproti předchozí generaci označované jako K6 přinesla generace K7 rozšíření instrukční sady, zdokonalení a zvětšení vyrovnávacích pamětí L1 a L2 (do té doby pracovaly paměti L2 na jiné frekvenci než byla pracovní frekvence procesoru) a podporu výkonnější sběrnice. Procesory této generace byly zpočátku vyráběny 180nm technologií a v průběhu vývoje byly novější jednotky vyráběny 130nm technologií. Pro desktopové sestavy byla generace procesorů K7 vyráběna s těmito označeními: • • •

Athlon XP - s jádry Palomino, Thoroughbred, Barton, Thorton; Sempron - s jádry Thoroughbred, Barton; Duron - s jádry Spitfire, Morgan, Applebred.

Tabulka č. 5 ukazuje vlastnosti všech testovaných procesorů. Jako jediný zástupce procesorů vyráběných 180 nm technologií byl v testech použit AMD Duron s jádrem Spitfire. Tento a druhý testovaný Duron byly jediné procesory se zmenšenou vyrovnávací pamětí L2, což se následně projevilo v testu PCMark Grammar Check menší výkonnostní změnou.

Procesor

Duron

Duron

Athlon XP Sempron Athlon XP Thoroughbred Thoroughbred Jádro Spitfire Applebred Barton B B FSB [MHz] 100 133 133/166 133/166 166/200 Patice Socket A Socket A Socket A Socket A Socket A Technologie [nm] 180 130 130 130 130 Tepelná ochrana ne ano ano ano ano L1 data [KB] 64 64 64 64 64 L1 instrukce [KB] 64 64 64 64 64 L2 cache [KB] 64 64 256 256 512 MMX,SSE, MMX,SSE, MMX,SSE, MMX,SSE, MMX, SSE, Enhan. Enhan. Enhan. Enhan. Instrukce 3DNow!, 3DNow!, 3DNow!, 3DNow!, 3DNow!, 3DNow!+ 3DNow+ 3DNow+ 3DNow+ 3DNow+ prof. prof. prof. prof. Tab. 5 - Porovnání vlastností testovaných procesorů [1] 21

Více o této technologii zde: http://www.cheresources.com/htpipes.shtml

19


Kromě jednoho testovaného procesoru (AMD Athlon 2400+) měly všechny testované procesory uzamčený násobič. V rámci této práce jsem se několika způsoby pokoušel uzamčený násobič obejít a manuálně nastavit jiný, než ten z výroby nastavený. Prvním pokusem byla změna napětí na pinech procesoru, které přenáší informaci ze soustavy L3 (viz kapitola 4.2) k základní desce.22 Bohužel ani přes přesný postup podle návodu nebylo dosaženo požadovaného cíle. Druhou možností změny násobiče byl způsob úpravy soustavy L5 přímo na procesoru, čímž by se z desktopového Athlonu měl stát Athlon mobilní, který podporuje dynamickou změnu násobiče i za běhu operačního systému.23 Nicméně ani tato snaha se nesetkala s úspěchem, a proto jediným procesorem, který mohl být testován změnou násobiče, případně kombinací obou metod (viz kapitola 4.3) byl Athlon 2400+ s odemčeným násobičem. U zbylých procesorů bylo jediným možným řešením taktování změna frekvence FSB. Důležitým krokem před samotnou změnou frekvence FSB bylo manuální nastavení pracovní frekvence operační paměti na nejnižší možnou úroveň z důvodu minimalizace závislostí na této komponentě.

5.2.1

AMD Athlon XP 2500+, jádro Barton

Tento procesor je nejnižším modelem třídy Athlon XP s jádrem Barton. Oproti svým předchůdcům (procesory Athlon XP s jádry Thoroughbred) se procesory s jádrem Barton vyznačují rozšířenou vyrovnávací paměti L2 (viz tab. 5) a podporou rychlejší sběrnice FSB. Testovaný procesor byl vyráběn pro základní desky se socketem A, pracoval se sběrnicí FSB taktovanou na 166 MHz a hodnotu násobiče měl z výroby nastavenou na hodnotu 11. Základní frekvence procesoru byla tedy 1833 MHz. Tento procesor během testování dokázal s mírně zvýšeným napětím stabilně pracovat i na frekvenci 2200 MHz, což je základní pracovní frekvence nejvyššího modelu stejné třídy Athlonu 3200+. Skutečná meze provozuschopnosti ale byla pro tento procesor ještě o kus výše, a nakonec tento procesor stabilně pracoval i na frekvenci 2266 MHz. Na této frekvenci vyžadoval procesor zvýšené napětí o 0,15V oproti základnímu napětí. Teplota v zátěži vzrostla oproti 47°C v základním stavu na hodnotu 63°C. Zajímavostí tohoto procesoru je, že nedokázal pracovat s nejvyšším možným napětím, jaké základní deska poskytuje (2-2,05V), a generoval chyby již při spouštění operačního systému, což vedlo k jeho pádu.

22

Postupováno podle návodu zde: http://pctuning.tyden.cz/navody/upravy-pretaktovani/3705athlon_xp-kompletni_navod_na_zmenu_nasobicu 23 Postupováno podle návodu zde: http://www.svethardware.cz/art_doc7CB40E562CA9F966C1256DFD004F1A67.html

20


Z grafu č.1 je patrné, že percentuální nárůst pracovní frekvence se téměř odráží i na výkonnostních testech. Jedinou výjimkou je test DivX Compression, kde ve značné míře závisí výsledek na výkonu grafické karty a vliv mají také kodeky. Nejvyšší nárůst výkonu v testu PCMark Grammar check připisuji rozšířené velikosti vyrovnávací paměti L2, která je u tohoto procesoru více než dvojnásobná oproti ostatním testovaným procesorům.

30,00%

25,00% Nárůst pracovní frekvence 20,00%

Factorial test PCMark File Compression

15,00%

PCMark File Decompression PCMark Grammar check PCMark File Decryption

10,00%

PCMark Audio Conversion PCMark DivX Compression

5,00%

0,00% AMD Athlon 2500+

Graf 1 - grafické výsledky procesoru AMD Athlon 2500+ s jádrem Barton

5.2.2

AMD Duron 1,6 GHz, jádro Applebred

Zástupce méně výkonné třídy procesorů AMD Duron, taktovaný na základní pracovní frekvenci 1600 MHz využíval 133 MHz sběrnici FSB a měl z výroby nastavený násobič na hodnotu 12. Procesor se osazoval jako ostatní testované procesory do socketu A. Jeho slabinou byla menší velikost vyrovnávací paměti L2 (viz tab. 5). Duron 1,6 GHz prokázal největší výkonnostní rezervu v porovnání všech testovaných procesorů. Se základním napětím pracoval stabilně i na frekvenci FSB 166 MHz (v té chvíli byla pracovní frekvence procesoru 2 GHz), která je primárně určena pro modely vyšší třídy. Zvýšení napětí dokázalo výkon Duronu stabilizovat na konečné pracovní frekvenci 2184 MHz.

21


Pozoruhodné u tohoto procesoru bylo, že jakýkoliv náznak nestability byl odhalen při spouštění operačního systému, kdy systém buď vůbec nenaběhl, nebo havaroval již po pár okamžicích od zavedení operačního systému do paměti. Z grafu č.2 je na první pohled vidět značně nevyrovnaný výkon v uskutečněných testech. Minimální nárůst výkonu v testech PCMark Grammar Check a PCMark File Compression dávám za vinu snížené velikosti vyrovnávací paměti L2. Menší nárůst výkonu v testu PCMark DivX Compression připisuji stejně jako v ostatních případech závislosti na dalším hardwaru a softwaru sestavy.

40,00% 35,00% 30,00%

Nárůst pracovní frekvence Factorial test

25,00%

PCMark File Compression 20,00%

PCMark File Decompression PCMark Grammar Check

15,00%

PCMark File Decryption 10,00%


5,00% 0,00% AMD Duron 1,6 GHz

Graf 2 - grafické výsledky procesoru AMD Duron 1,6 GHz s jádrem Applebred

5.2.3

AMD Athlon XP 2400+, jádro Thoroughbred

Jedná se o nejvýkonnější testovaný procesor a zástupce nejvyššího modelu procesorů s jádrem Thoroughbred. Základní pracovní frekvence tohoto procesoru byla 2 GHz při frekvenci FSB 133 MHz a nastaveném násobiči 15. Jako všechny procesory stejné třídy má tento procesor integrováno 256 kB vyrovnávací paměti L2 a je vyráběn jako ostatní procesory Athlon XP 130 nm technologií. Odlišností od ostatních modelů je, že tento procesor má odemčený násobič, a tudíž jej bylo možné taktovat jak změnou frekvence FSB tak změnou násobiče ale i kombinací těchto metod (podrobněji kapitola 4).

22


Nejvyšší model třídy, vysoký násobič a vysoká základní frekvence tohoto procesoru mi dovolili předpokládat i menší výkonnostní rezervu. Tento předpoklad byl správný. Již relativně malé zvýšení frekvence znamenalo pád operačního systému. Zvýšení napájecího napětí dokázalo procesor sice stabilizovat, avšak pracovní frekvence 2400 MHz se ukázala jako maximálně možná při zvyšování frekvence FSB. Při této frekvenci a zvýšeném napájecím napětí na maximální možnou mez (tj. 2,05V) byla naměřena provozní teplota při zátěži 66°C, tedy o 20°C více než ve výchozím stavu. Odlišných výsledků jsem dosáhl při použití metody se změnou hodnoty násobiče. Vše se odvíjelo od základní hodnoty násobiče 15. Tuto hodnotu jsem postupně zvyšoval a maximální hodnota násobiče, se kterou tento procesor spolupracoval byla hodnota 17 (frekvence FSB zůstávala stále stejná - 133 MHz). Právě neměnná frekvence FSB při rostoucím výkonu procesoru byla úzkým výkonovým místem, a tudíž výsledky výkonových testů byly horší než v případě změny frekvence FSB. To je důvod, proč tyto výsledky neuvádím zde. Můžete je ale nalézt v příloze B. Během testů se změnou frekvence FSB i násobiče bohužel vypověděl službu napájecí zdroj, a tudíž nebylo možné test dokončit. Překvapením tohoto testovaného kusu byla skutečnost, že nejvyšších frekvencí dosáhl s maximálním možným napětím. Stejně jako testovaný Duron 1,6 GHz (viz kapitola 5.2.2) byly všechny chyby odhaleny již při spouštění operačního systému. 25,00%

20,00% Nárůst pracovní frekvence Factorial test 15,00%

PCMark File Compression PCMark File Decompression PCMark Grammar Check

10,00%

PCMark File Decryption PCMark Audio Conversion 5,00%

PCMark DivX Compression


Graf 3 - grafické výsledky procesoru AMD Athlon 2400+ s jádrem Throroughbred

23


Na grafu č.3 jsou vidět patrné rozdíly v některých testech. Horší výkon v testu PCMark Grammar Check je dle mého názoru způsoben - jako v případě předchozího Duronu - sníženým množstvím vyrovnávacích pamětí oproti Bartonu. Za povšimnutí stojí zaprvé malý nárůst ve Factorial testu. Domnívám se, že tento výsledek je způsoben dvěma důvody. Zaprvé procesor na své maximální frekvenci využíval sběrnici FSB o frekvenci „pouze“ 160 MHz, což mohlo být vzhledem k charakteru testu úzké hrdlo celého systému. Zadruhé na své maximální frekvenci byl takt pamětí snížen oproti výchozímu stavu o 10 MHz, což jistě také hrálo svoji roli v horším výsledku.

5.2.4

AMD Athlon XP 2200+ , jádro Thoroughbred

Dalším zástupcem třídy Athlon byl testovaný procesor Athlon 2200+. Jeho základní frekvence byla 1800 MHz se základním napětím 1,7V. Stejně jako Athlon 2400+ pracoval i tento kus se základní frekvencí FSB 133 MHz, ale od Athlonu 2400+ se lišil hodnotou násobiče (hodnota 13,5 oproti hodnotě 15) a o 0,05V sníženou hodnotou výchozího napětí. Testy ukázaly spojitost mezi oběma procesory Athlon s jádrem Thoroughbred. Podobné byly jak výkonnostní rezervy, tak nárůst výkonu v testech a podobné chování při nestabilitě. Oproti výchozímu stavu se mi podařilo Athlon 2200+ přetaktovat na hodnotu 2200 MHz při zvýšeném napětí o 0,3V. Až na výjimky se všechny chyby procesoru projevovaly pádem operačního systému. Teplota se během testování ustálila na 52°C, což je nárůst o 15°C oproti výchozímu stavu. 25,00%

20,00% Nárůst pracovní frekvence Factorial test 15,00%

PCMark File Compression PCMark File Decompression PCMark Grammar Chcesk

10,00%

PCMark File Decryption PCMark Audio Conversion 5,00%

PCMark DivX Compression


Graf 4 - grafické výsledky procesoru AMD Athlon 2200+ s jádrem Thoroughbred

24


Z grafu č. 4 je možno vyčíst nevyrovnané výsledky výkonnostních testů. Domnívám se, že snížený výsledek Factorial a PCMark Grammar Check testů je způsoben stejnými příčinami jako u Athlonu 2400+. Zhoršený výsledek testu PCMark DivX Compression je dle mého názoru ovlivněn dalšími komponentami, podobně jako v případě prvního testovaného procesoru Athlon 2500+.

5.2.5

AMD Sempron 2400+ , jádro Thorougbred

Tento procesor, zástupce levnější třídy Sempron, dosáhl během testů vynikajících výsledků. Výhodou procesoru je nízko nastavený výchozí násobič (nastaven na hodnotu 10) a relativně vysoká výchozí frekvence FSB 166 MHz. Výsledkem je tedy výchozí pracovní frekvence o hodnotě 1666 MHz se základním napětím 1,7V. Zde je velice vhodné upozornit na jistou podobnost mezi těmito procesory a procesory řady Athlon XP. Obě třídy procesorů používají shodné jádro. Například jediný rozdíl mezi tímto kusem a procesorem Athlon 2600+ je rozdílná hodnota násobiče: Sempron pracuje s hodnotou násobiče 10, kdežto Athlon 2600+ má nastavenou hodnotu násobiče na 12,5. Z původních 1666 MHz se mi podařilo procesor přetaktovat až na hodnotu 2210 MHz, což znamená nárůst o 544 MHz. Hodnotu napětí bylo nutné zvýšit z původních 1,7V na konečných 1,9V. Teplota procesoru zůstala po přetaktování relativně nízká, konkrétně jádro procesoru dosahovalo teploty 50°C oproti 40°C ve výchozím stavu. Zajímavým faktem je změna frekvence FSB, z původních 166 MHz na konečnou 221 MHz. Celkový nárůst frekvence FSB o 55 MHz byl nejlepším výsledkem ze všech testovaných procesorů. Na grafu č.5 je vidět relativně podobný nárůst výkonu ve všech výkonnostních testech. Tento fakt přisuzuji skutečnosti, že na maximální pracovní frekvenci procesor spolupracoval se sběrnicí FSB na taktu 221 MHz, čímž byl eliminován možný problém slabého místa v podobě pomalé sběrnice FSB. Snížený výkon ve srovnání s jinými testy vykázal test PCMark DivX Compression, což opět přikládám vlivu dalších komponent na tento test. Ačkoliv byla pracovní frekvence pamětí při maximálním taktu 292 MHz, myslím, že právě paměť byla úzkým místem při Factorial testu, a proto výsledek tohoto testu nekoresponduje s hodnotami v ostatních testech.

25


40,00% 35,00% 30,00%

Nárůst pracovní frekvence Factorial test

25,00%

PCMark File Compression 20,00%

PCMark File Decompression PCMark Grammar Check

15,00%

PCMark File Decryption PCMark Audio Conversion

10,00%

PCMark DivX Compression 5,00% 0,00% AMD Sempron 2400+

Graf 5 - grafické výsledky procesoru AMD Sempron 2400+ s jádrem Thoroughbred

5.2.6

AMD Duron 800 Mhz, jádro Spitfire

Jde o nejslabší testovaný procesor, který ale prokázal výborné výsledky. Od ostatních testovaných kusů se liší téměř ve všem. Především byl vyráběn 180 nm technologií. Též jako jediný používá jádro Spitfire, které ve výchozím nastavení komunikuje s dalšími komponentami skrze sběrnici FSB, taktovanou na hodnotu 100 MHz. (všechny procesory této třídy využívaly ke komunikaci stejně taktovanou sběrnici FSB a jediným rozdílem byla výchozí hodnota násobiče). Výchozí hodnota napětí tohoto procesoru byla 1,7V a v průběhu testů dovolovala základní deska toto napětí zvýšit až na hodnotu 2V. Oproti většině svých konkurentů disponuje tento procesor pouze 64 kB vyrovnávací pamětí L2 a jako jediný nemá teplotní čidlo umístěno přímo v jádře procesoru, ale pod keramickým krytem procesoru. Konečné výsledky byly pro mě překvapující. Procesor se mi podařilo přetaktovat z výchozích 800 MHz na hodnotu 1056 MHz s napětím zvýšeným o 0,1V. Zvláštností tohoto procesoru byl fakt, že absolutně nespolupracoval s napětím vyšším než 1,8V a veškeré snahy o spuštění operačního systému s takto zvýšeným napětím skončili neúspěchem. Teplota procesoru se během testů zvedla pouze mírně, díky mírně zvýšenému napětí a umístění tepelného čidla mimo jádro procesoru.

26


35,00%

30,00% Nárůst pracovní frekvence

25,00%

Factorial test 20,00%

PCMark File Compression PCMark File Decompression

15,00%

PCMark Grammar Check PCMark File Decryption

10,00%


5,00%

0,00% AMD Duron 800 MHz

Graf 6 - grafické výsledky procesoru AMD Duron 800 MHz s jádrem Spitfire

Na výsledcích v grafu č.6 lze pozorovat podobný nárůst výkonu ve všech testech. Jedinou výjimku tvoří test PCMark File Compression, což lze, stejně jako v případě Duronu 1,6 GHz, přisuzovat omezené kapacitě vyrovnávací paměti L2. Narozdíl od ostatních procesorů dosáhl Duron 800 MHz výborného výsledku i v testu PCMark DivX Compression, což pravděpodobně proto, že tento procesor byl opravdu nejslabším článkem celé sestavy a nárůst výkonu této součástky se pozitivně odrazil na výkonu celé sestavy, potažmo výsledcích tohoto testu.

5.3

Porovnání rezerv v taktování

Jak již bylo zmíněno výše, nejlepších výsledků v testování provozuschopnosti dosáhl procesor AMD Duron 1,6 GHz, který měl svoji mez provozuschopnosti o 36,5% výše než byla jeho základní frekvence. Dalšího výborného výkonu dosáhl procesor AMD Sempron 2400+, jehož mez provozuschopnosti ležela o 32,65% výše než jeho základní frekvence. Překvapením bylo navýšení pracovní frekvence procesoru o 32% u procesoru AMD Duron 800 MHz. Slabšího výkonu dosáhly procesory AMD Athlon, kdy typ 2400+ měl mez provozuschopnosti o 20% výše a typ 2200+ o 22,2% výše. Pouze s průměrným výkonem skončil procesor AMD Athlon 2500+ s výkonnostní rezervou 23,62%.

27


Nárůst pracovní frekvence 40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% Athlon 2500+ Duron 1,6 GHz Athlon 2400+ Athlon 2200+

Sempron 2400+

Duron 800 MHz

Graf 7 - grafické výsledky percentuálního nárůstu maximální pracovní frekvence vůči frekvenci základní

Změna pracovní frekvence [MHz] 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Athlon 2500+ Duron 1,6 GHz Athlon 2400+ Athlon 2200+

Výchozí pracovní frekvence

Sempron 2400+

Duron 800 MHz

Maximální pracovní frekvence

Graf 8 - grafické znázornění výchozí pracovní frekvence vůči frekvenci maximální

28


5.4

Výsledky benchmarků

Procesory byly pro zjištění jejich výkonnosti podrobeny následujícím testům: • • • • • • •

Factorial test File Compression File Decompression Grammar check File Decryption Audio Conversion DivX Video Compression

V následujících sedmi grafech naleznete souhrnné výsledky jakých dosáhly procesory v jednotlivých testech na základní a maximální frekvenci. Červené sloupce znázorňují výsledky testů na výchozích frekvencích, modré sloupce znázorňují výsledky testů na maximální pracovní frekvenci.

Čas potřebný pro výpočet 50000! [s] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Athlon 2500+

Duron 1,6 GHz

Athlon 2400+

Athlon 2200+

Sempron 2400+

Duron 800 MHz

Čas potřebný k výpočtu factorialu 50000 na základní frekvenci Čas potřebný k výpočtu factorialu 50000 na maximální frekvenci Graf 9 - grafické výsledky Factorial testu

29


PCMark File Compression test [MB/s] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Athlon 2500+

Duron 1,6 GHz

Athlon 2400+ Athlon 2200+

Sempron 2400+

Duron 800 MHz

PCMark File Compression základní frekvence PCMark File Compression maximání frekvence Graf 10 - grafické výsledky PCMark File Compression testu

PCMark File Decompression [MB/s] 30 25 20 15 10 5 0 Athlon 2500+ Duron 1,6 Athlon 2400+ Athlon 2200+ GHz

Sempron 2400+

PCMark File Decompression základní frekvence PCMark File Decompression maximální frekvence Graf 11 - grafické výsledky PCMark File Decompression testu

30

Duron 800 MHz


PCMark Grammar Check test [kB/s] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Athlon 2500+ Duron 1,6 Athlon 2400+ Athlon 2200+ GHz

Sempron 2400+

Duron 800 MHz

PCMark Grammar Check základní frekvence PCMark Grammar Check maximální frekvence Graf 12 - grafické výsledky PCMark Grammar Check testu

PCMark File Decryption test [MB/s] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Athlon 2500+ Duron 1,6 GHz


Sempron 2400+

PCMark File Decryption základní frekvence PCMark File Decryption maximální frekvence Graf 13 - grafické výsledky PCMark File Decryption testu

31

Duron 800 MHz


PCMark Audio Conversion test [kB/s] 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Athlon 2500+

Duron 1,6 GHz


Sempron 2400+

Duron 800 MHz

PCMark Audio Conversion základní frekvence PCMark Audio Conversion maximální frekvence Graf 14 - grafické výsledky PCMark Audio Conversion testu

PCMark DivX Compression [fps] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Athlon 2500+

Duron 1,6 Athlon 2400+ Athlon 2200+ Sempron GHz 2400+ PCMark DivX Compression základní frekvence PCMark DivX Compression maximální frekvence

Graf 15 - grafické výsledky PCMark DivX Compression testu

32

Duron 800 MHz


5.5

Souhrnné výsledky

Následující grafy znázorňují percentuální změnu výkonu v jednotlivých testech. V grafech je zaneseno všech šest testovaných procesorů při nastavené maximální frekvenci.

35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%

40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%

Graf 16 - Nárůst pracovní frekvence

Graf 17 - Nárůst výkonu v testu PCMark File Compression

35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%

40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%

Graf 18 - Nárůst výkonu testu PCMark File Decompression Graf 19 - Nárůst výkonu v testu PCMark Grammar Check

33


40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%

Graf 20 - Nárůst výkonu v testu PCMark File Decrypting

35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%

Graf 21 - Nárůst výkonu testu PCMark Audio Conversion

30,00%

25,00%

25,00%

20,00%

20,00%

15,00%

15,00% 10,00%

10,00% 5,00%

5,00%

0,00%

0,00%

Graf 22 - Nárůst výkonu v testu PCMark DivX Compression Graf 23 - Nárůst výkonu ve Factorial testu

34

6 Hodnocení dosažených výsledků

6

Hodnocení dosažených výsledků

Výsledky prezentované v páté kapitole jasně ukazují, že každý procesor má jinou mez provozuschopnosti. Tato vlastnost je jednak dána odlišnou základní frekvencí, jednak originálností každého vyrobeného kusu.

6.1

Vliv výrobní technologie na výsledky

Mým původním očekáváním bylo, že nejvyšší nárůst výkonu k dosažení meze provozuschopnosti bude u nejstaršího procesoru Duron 800 MHz. Vysvětlením by byla použitá starší technologie výroby, která by teoreticky umožňovala dosažení lepších výsledků. Konečné výsledky však mluví jasně, a tento předpoklad vyvrací, jelikož nejlepších výkonů dosáhl procesor AMD Duron 1,6 GHz, který byl vyroben 130 nm technologií. Fakt, že starší výrobní technologie nemá pozitivní vliv na konečné výsledky, je podepřen i tím, že druhého nejlepšího výsledku dosáhl procesor AMD Sempron 2400+ také se 130 nm technologií výroby.

6.2

Dopad chlazení a napětí na konečné výsledky

Výsledky testů jsou silně ovlivněny použitým typem chlazení a velikostí napájecího napětí, jak již bylo zmíněno v kapitolách 2.5 a 3.2. Domnívám se, že s jiným typem chlazení (ať již účinnějším, či nikoliv), případně použitím jiné teplovodivé pasty, by byly výsledky odlišné. Důkazem tohoto tvrzení může být fakt, že nepoužití teplovodivé pasty vede k téměř okamžitému přehřátí procesoru, případně pokud procesor obsahuje tepelnou ochranu, dochází k vypnutí celé sestavy, pokud tuto ochranu neobsahuje, skončí to zničením procesoru. To samé lze říci o velikosti napájecího napětí. Během testů jsem pracoval i s nestandardními hodnotami napětí (napětí nad 1,85V), což v některých případech vedlo k vylepšení dosažených výsledků, ale v některých případech k nestabilitě procesoru a pádu operačního sytému. Graf č. 24 znázorňuje, jakých nárůstů frekvence dosáhly procesory bez nutnosti úpravy hodnot napájecího napětí. Výchozí hodnota napětí nebyla u všech testovaných procesorů stejná. Jak lze vyčíst z poznámek v příloze B, základní napětí procesorů bylo 1,7V, výkonnější procesory Athlon 2400+ a Athlon 2500+ pracovaly se zvýšeným základním napětím 1,75V a procesor Duron 1,6 GHz měl výchozí napětí 1,6V.

35


Procentuální nárůst pracovní frekvence při výchozím napětí 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% Athlon 2500+ Duron 1,6 GHz Athlon 2400+ Athlon 2200+

Sempron 2400+

Duron 800 MHz

Graf 24 - porovnání procentuálního nárůstu pracovní frekvence při základním napětí

6.3

Porovnání s jinými výsledky

Porovnání mých výsledků s jinými výsledky je obtížné. Většina ostatních výsledků podává podrobné informace o procesoru, napájecím napětí i frekvenci FSB, ovšem ne o použitém chlazení a teplovodivé pastě. Tento fakt shledávám velice důležitým při dosažení maximálního taktu. Při použití extrémního chlazení, v podobě tekutého dusíku, lze dosáhnout velmi vysokých mezích provozuschopnosti.24 Ale jak již bylo řečeno v kapitole 2.5.4, tento způsob chlazení je značně neekonomický a nelze jej použít pro dlouhodobé chlazení. Vliv chlazení není jediný fakt ovlivňující mez provozuschopnosti (viz kapitola 3.2). Významnou roli zde hraje výrobní technologie, přesněji série, ve kterých jsou procesory vyráběny.25 Například AMD Athlon 2500+ s jádrem Barton byl na počátku vývoje výráběn s odemčeným násobičem, což znatelně zvyšovalo možnosti taktování. Pokud byl navíc procesor vyroben v některé těchto sérií - AQZEA, AQZFA a AQUCA, zaručovala tato kombinace vlastností velice slušný potenciál k přetaktování. 24

Více o mezích provozuschopnosti při použití tekutého dusíku: http://www.xtremesystems.org/forums/showthread.php?t=59753 25 Podrobněji o vynikajících sériích: http://pctuning.tyden.cz/navody/upravy-%09pretaktovani/4028jak_na_to-pruvodce_pretaktovanim-procesory_amd

36


6.4

Možné rozšíření práce

Celá tato práce je věnována hledání mezí provozuschopnosti procesorů pracujících se socketem A. Základní desky s tímto socketem jsou v dnešní době technologicky překonány a již se nevyrábí. Rozšířením této práce by mohlo spočívat v použití modernější základní desky s jiným socketem, čili testování zcela odlišné množiny procesorů. Nicméně výměna základní desky s sebou přináší také nutnost výměny paměťových modulů a grafické karty, a to dělá tuto změnu finančně dosti nákladnou. Při zachování stávajících komponent by bylo možné práci rozšířit o výsledky s odlišnou teplovodivou pastou. Domnívám se, že použití kvalitnější teplovodivé pasty (například na bázi tekutého kovu - viz podkapitola 2.5.4) by vedlo k navýšení maximálního taktu a přiblížení se k reálné mezi provozuschopnosti, stejně jako v případě použití chlazení na bázi kapalného dusíku. Další zajímavé výsledky by určitě přineslo testování procesorů vyrobených v rámci jedné série. Předpoklad, že procesory ze stejné série mají velice podobnou mez provozuschopnosti, by byl takovýmto testem potvrzen, či vyvrácen. Pokud by byly testovány procesory stejné série, interesantní výsledky bychom získali mimo jiné použitím rozdílných metod v navyšování pracovní frekvence (podrobněji kap. 4). Pro ucelenější obraz o mezi provozuschopnosti by mohla být rozšířena skupina testovaných procesorů. Aby byly výsledky takového testu porovnatelné, musejí být zachovány všechny ostatní použité komponenty. Poté by testování potvrdilo nebo vyvrátilo vynikající výsledky dosažené procesy AMD Duron v této práci. Jak již bylo zmíněno v kapitolách 2.5 a 3.2, na výsledky má nezanedbatelný vliv použité chlazení. Změnou způsobu chlazení, ať již použitím chlazení na bázi kapalin nebo použitím nějakého extrémního způsobu chlazení, by vznikl nový prostor pro srovnání s mnou naměřenými výsledky. Případné použití účinnějšího typu chlazení by vedlo k většímu přiblížení se reálné mezi provozuschopnosti. Všechny výše uvedené návrhy na rozšíření práce se přímo týkají testovaných součástí, případně prvků s nimi souvisejících. Poslední mnou navrhovanou změnou je částečná změna okolí. Pokud by se podařilo provozovat celou sestavu v chladícím zařízení, pak se domnívám, že by to vedlo k navýšení maximální stabilní frekvence u všech procesorů, čímž by se tato frekvence zase přiblížila k reálné mezi provozuschopnosti.

37

7 Závěr

7

Závěr

Cílem práce bylo analyzovat problém taktování, porovnat dostupné metody a především provést test na množině procesorů za účelem nalezení jejich meze provozuschopnosti v daných podmínkách. Procesory byly během testování podrobeny řadě testů k ověření jejich stability a výkonu. Byla sledována jejich teplota a hodnota napájecího napětí bez a při zatížení. Nástrojem měřícím výkon procesoru byl program PCMark a můj vlastní testovací nástroj, měřící čas potřebný k výpočtu faktoriálu padesáti tisíc. Na základě znalostí problematiky a parametrů testovaných procesorů, bylo možno předpokládat vyšší percentuální nárůst výkonu u nižších typů procesorů dané série. Tento předpoklad byl testy vyvrácen, jelikož nejnižší model série Athlon 2500+ nevykázal nejlepší výsledky. Výsledky také ukázaly, že lze procesory stabilně provozovat na vyšších než udávaných frekvencích, čemuž pomáhají zvýšené hodnoty napájecího napětí. Během testů byly procesory podrobeny taktování i se zvýšeným napájecím napětím. Maximální napětí tak nebylo pouze 1,85V, ale až 2,05V. S touto hodnotou napětí dokázaly některé testované procesory ještě zvýšit svoji maximální stabilní pracovní frekvenci, ale jiné nebyly vůbec schopny s tímto napětím spolupracovat. Během posledního testu se změnou frekvence FSB i hodnot násobiče u procesoru AMD Athlon 2400+ vypověděl službu napájecí zdroj a test tedy nemohl být dokončen. Chlazení procesorů obstarával celoměděný chladič s dvojicí ventilátorů s průměrem 8 cm. Ve spolupráci s použitou teplovodivou pastou odváděly vyprodukované teplo pryč od čipu. S tímto způsobem chlazení nepřekročila provozní teplota procesorů při plném vytížení hodnotu 66°C. Díky tomuto nedošlo během žádného testu k přehřívání procesorů a procesory tak vydržely bez úhony i nejvyšší možné frekvence a hodnoty napájecího napětí. Nejlepších výsledků dosáhl procesor AMD Duron 1,6 GHz, jehož maximální stabilní pracovní frekvence byla o 36,5% výše než frekvence výchozí. Naopak nejnižších hodnot dosáhl procesor AMD Athlon 2400+, který se mi podařilo přetaktovat jen o 20%. Tato práce prohloubila mé znalosti nejen v oblasti taktování, ale i ve způsobu komunikace počítačových součástí a chlazení procesorů. Do budoucna se chci této problematice nadále věnovat a doufám, že se mi naskytne příležitost otestovat modernější procesory a porovnat jejich hodnoty s hodnotami naměřenými v rámci této práce.

38

Literatura

Literatura [1]

HORÁK, Jaroslav. Hardware : učebnice pro pokročilé. 3. aktualizované vyd. Brno : Computer Press, 2005. 344 s. ISBN 8025106470.

[2]

MUELLER, Scott. Osobní počítač : hardware, upgrade, opravy. Vyd. 1. Brno : Computer Press, 2003. 862 s. ISBN 8072267965.

[3]

BROŽA, Petr. Přetaktování : Jak zvýšit výkon počítače. Vyd. 2. Brno : Computer Press, 2003. 198 s. ISBN 8025100685.

[4]

PCTuning: Jak na to: průvodce přetaktováním - procesory AMD [online]. c2004 [citováno 13. 04. 2011]. < http://pctuning.tyden.cz/navody/upravy- pretaktovani/4028jak_na_to-pruvodce_pretaktovanim-procesory_amd >.

[5]

Svět Hardware: Cool'n'Quiet - mějte tiché PC [online]. c2003 [citováno 26. 04. 2011]. .

[6]

Výroba procesorů [online]. c2002 [citováno 4.5.2011]. .

[7]

FUTCHER, David. Layout of the North/Southbridge in a Computer [online]. c2008 [citováno 6.5.2011]..

[8]

PCTuning: A7V600: VIA KT600 na způsob ASUS [online]. c2003 [citováno 6. 5. 2011]. < http://pctuning.tyden.cz/hardware/zakladni-desky/3790-a7v600via_kt600_na_zpusob_asus>.

[9]

PCTuning: Jak na to: rychlokurz přetaktování procesorů AMD [online]. c2006 [citováno 8. 5. 2011]. < http://pctuning.tyden.cz/navody/upravy- pretaktovani/8012-jak- na-torychlokurz-pretaktovani-procesoru-amd?start=2>.

[10]

OCCT Website [online]. [citováno 10.5.2011]. .

[11]

Desktop processors from Intel [online]. [citováno 9.5.2011]. .

[12]

AMD Procesors for Desktop PCs [online]. [citováno 9.5.2011].< http://www.amd.com/ uk/products/desktop/processors/Pages/desktop-processors.aspx>.

39

Literatura

[13]

Intel Microarchitecture Codename Nehalem [online]. [citováno 7.3.2011]. < http://www.intel.com/technology/architecture-silicon/next-gen/>.

[14]

AMD K7 microprocessor family [online]. [citováno 7.3.2011]. .

[15]

AMD K8 [online].[cit. 7.3.2011]. < http://www.cpu-world.com/CPUs/K8/index.html>.

[16]

VIA Technologies, Inc. - VIA KT600 [online]. [citováno 9.3.2011]. < http://www.via.com.tw/en/products/chipsets/k7-series/kt600/>.

[17]

HyperTransport.org [online].[citováno 9.3.2011]. .

[18]

AMD PowerNow! Technology : Informational White Paper. [online]. c2000, [cit. 11.5.2011]. .

[19]

AMD Cool´n´Quiet Technology [online]. [citováno 9.3.2011]. .

[20]

Specific Heat Capacity Table [online]. [citováno dne 27.2.2011] .

[21]

Periodic Table of Elements: Sorted by Thermal Conductivity [online]. [citováno 27.2.2011] .

[22]

Automa: Regulace teploty pomocí Peltierových termoelektrických modulů [online]. [citováno 2.3.2011]. .

[23]

Screen z CPU-Z [online]. [citováno 2.5.2011]. .

[24]

XtremeSystems Forum - New WR P4-670 @ 7.533G [online]. [citováno 2.5.2011].

[25]

GIMPS Home [online]. [citováno 11.5.2011]. .

[26]

Fourierova transformace [online]. [citováno 11.5.2011]. < http://matematika.cuni.cz/dl/analyza/37-fou/lekce37-fou-pmax.pdf >.

[27]

SpeedFan - Access tepmperature sensor in your computer [online]. [citováno 22.4.2011]. .

[28]

PCMark 04 PC Performance Analysis: White Paper [online]. [citováno 12.4.2011]. < http://futuremark.com/pressroom/companypdfs/PCMark04_Whitepaper>.

40

Literatura

[29]

What is a Heat Pipe? [online]. [citováno 11.4.2011]. .

[30]

PCTuning: Athlon XP - kompletní návod na změnu násobičů [online].c2003 [citováno 21.4.2011]. .

[31]

Svět Hardware: Změna násobiče na desktopovém Athlonu XP za chodu! [online]. c2003 [citováno 28.3.2011]. .

[32]

XtremeSystems Forums - The World Record Database [online]. [citováno 2.5.2011]. .

[33]

PCTuning: Jak na to: průvodce přetaktováním - procesory AMD [online]. c2004 [cito váno 25.4.2011]. .

41

Seznam zkratek

Seznam zkratek

AGP

Accelerated Graphics Port

AMD

Advanced Micro Devices

BIOS

Basic input output system

C&Q

Cool'n'Quiet technology

CPU

Central processing unit

DDR

Double data rate

DIMM

Dual in-line memory module

FSB

Front-side bus

GPU

Graphic processing unit

HT

Hypertransport

IMU

Integrated memory unit

Intel

Intel Corporation (Integrated Electronics Corporation)

PCI

Peripheral Component Interconnect

RAM

Random-access memory

SDRAM

Synchronous dynamic random access memory

VIA

VIA Technologies

WMV

Windows media video

42

Seznam obrázků a tabulek

Seznam obrázků, tabulek a grafů Obr. 1 - ilustrace komunikace mezi procesorem a pamětí .......................................................... 4 Obr. 2 - znázornění závislostí pracovních frekvencí na interním generátoru taktu ..................... 5 Obr. 3 - stabilita napájecího napětí při výchozím nastavení ...................................................... 12 Obr. 4 - stabilita napájecího napětí při zvýšeném nastavení ..................................................... 12 Obr. 5 - prostředí testovací programu Prime95 ......................................................................... 13 Obr. 6 - zobrazení pětice vodičů soustavy L3 ............................................................................. 16 Tab. 1 - Přehled měrné tepelné kapacity a tepelné vodivosti vybraných materiálů .................... 8 Tab. 2 - Přehled jednotlivých verzí AMD Athlon XP s jádrem Palomino .................................... 10 Tab. 3 - Hodnoty násobiče a jemu odpovídající kombinace můstků soustavy L3 ..................... 16 Tab. 4 - porovnání změn výsledné frekvence dle jednotlivých metod ....................................... 17 Tab. 5 - Porovnání vlastností testovaných procesorů ................................................................ 19 Graf 1 - grafické výsledky procesoru AMD Athlon 2500+ s jádrem Barton................................21 Graf 2 - grafické výsledky procesoru AMD Duron 1,6 GHz s jádrem Applebred ........................ 22 Graf 3 - grafické výsledky procesoru AMD Athlon 2400+ s jádrem Throroughbred .................. 23 Graf 4 - grafické výsledky procesoru AMD Athlon 2200+ s jádrem Thoroughbred ................... 24 Graf 5 - grafické výsledky procesoru AMD Sempron 2400+ s jádrem Thoroughbred................ 26 Graf 6 - grafické výsledky procesoru AMD Duron 800 MHz s jádrem Spitfire ........................... 27 Graf 7 - grafické výsledky percentuálního nárůstu maximální pracovní frekvence ................... 28 Graf 8 - grafické znázornění výchozí pracovní frekvence vůči frekvenci maximální .................. 28 Graf 9 - grafické výsledky Factorial testu ................................................................................... 29 Graf 10 - grafické výsledky PCMark File Compression testu ...................................................... 30 Graf 11 - grafické výsledky PCMark File Decompression testu .................................................. 30 Graf 12 - grafické výsledky PCMark Grammar Check testu ........................................................ 31 Graf 13 - grafické výsledky PCMark File Decryption testu ......................................................... 31 Graf 14 - grafické výsledky PCMark Audio Conversion testu ..................................................... 32 Graf 15 - grafické výsledky PCMark DivX Compression testu..................................................... 32 Graf 16 - Nárůst pracovní frekvence .......................................................................................... 33 Graf 17 - Nárůst výkonu v testu PCMark File Compression ....................................................... 33 Graf 18 - Nárůst výkonu testu PCMark File Decompression ...................................................... 33 Graf 19 - Nárůst výkonu v testu PCMark Grammar Check ......................................................... 33 Graf 20 - Nárůst výkonu v testu PCMark File Decrypting ........................................................... 34 Graf 21 - Nárůst výkonu testu PCMark Audio Conversion ......................................................... 34 Graf 22 - Nárůst výkonu v testu PCMark DivX Compression ...................................................... 34 Graf 23 - Nárůst výkonu ve Factorial testu ................................................................................. 34 Graf 24 - porovnání procentuálního nárůstu pracovní frekvence při základním napětí ............ 36

43

Příloha A

Příloha A Zdrojový kód testovacího souboru

1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13)

import java.util.*; import java.math.BigInteger; public class Factorial { public static void main(String[] args) { long startTime = System.currentTimeMillis(); BigInteger fact = BigInteger.ONE; for (int i=1; i<=50000; i++) { fact = fact.multiply(BigInteger.valueOf(i)); } long endTime = System.currentTimeMillis(); System.out.println("Elapsed time " + (endTime-startTime) + " ms."); } }

44

Příloha B

Příloha B Poznámkový aparát k testování AMD Athlon 2500+

AMD Athlon 2500+ Barton ; L1 data: 64 kB ; L1 instrukce: 64 kB ; L2: 512 kB ; 130 nm ; Lo, Lo, Lo, Lo, Lo pracovní frekvence násobič frekvence FSB 166 11 1833 185 11 2035 190 11 2090 200 11 2200 200 11 2200 210 11 2310 206 11 2266 206 11 2266 210 11 2310 210 11 2310 208 11 2288 208 11 2288 208 11 2288 207 11 2277 206 11 2266 40

0

433 23,62%

1,75 1,75 1,75 1,75 1,8 1,85 1,85 1,9 1,9 1,95 1,95 2 1,9 1,9 1,9

takt pamětí 266 296 306 266 266 280 274 274 280 280 276 276 276 276 276

0,15

10

napětí

teplota

Prime95

47 49 49 52 53

3 testy, 17 min 3 testy, 15 min 3 testy, 15 min FAIL 7 testů, 31 min FAIL FAIL 3 testy, 15 min FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL FAIL BOOT FAIL 16 testů, 72 min

62

63 16

Factorial test 39,4 35,95 35,1 34,3 34,2

PCM PCM File PCM File PCM File PCM Audio Grammar Compression Decompression Decryption Conversion Check 2,519 18,771 3,449 55,501 2129

PCM DivX Compression 34,9

2,694

21,072

3,895

62,496

2389

37,6

3,088

22,063

4,185

66,174

2555

37,96

33,3

3,111

23,208

4,406

68,525

2626

38,05

33,1

3,115

23,555

4,411

68,499

2625

38

-6,3 15,99%

0,596 23,66%

4,784 25,49%

0,962 27,89%

12,998 23,42%

496 23,30%

3,1 8,88%

45

Příloha B

Poznámkový aparát k testování AMD Duron 1,6 GHz

AMD Duron 1,6 GHz Applebred ; L1 data: 64 kB ; L1 instrukce: 64 kB ; L2: 64 kB ; 130 nm ; Lo, Hi, Lo, Lo, Lo frekvence pracovní násobič FSB frekvence 133 12 1600 145 12 1740 160 12 1920 170 12 2040 180 12 2160 176 12 2112 174 12 2088 174 12 2088 178 12 2136 178 12 2136 180 12 2160 180 12 2160 182 12 2184 183 12 2196 182 12 2184 182 12 2184 49

0

584 36,50%

1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,65 1,65 1,7 1,7 1,75 1,75 1,8 1,8 1,8

takt pamětí 266 290 256 272 286 282 278 278 284 284 286 286 290 292 290 290

0,2

24

napětí

teplota

Prime95

37 37 38 40

5 testů, 30 min 3 testy, 18 min 3 testy, 16 min 3 testy, 16 min BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL 5 testů, 21 min CRASH OS 4 testy, 16 min CRASH OS 6 testů, 27 min CRASH OS CRASH OS

40

Factorial test 49,75 46,65 46,2 43,4

PCM File PCM File PCM PCM File PCM Audio Compression Decompression Grammar Decryption Conversion 1,679 16,362 3,154 48,436 1677 1,733 17,834 3,174 51,875 1793 1,779 19,221 3,334 57,059 1931 1,823 20,421 3,366 60,839 2056

PCM DivX Compression 31,7 33,5 34,3 35,2

42,45

1,865

20,628

3,338

62,261

2100

36,17

41,5

1,892

21,511

3,325

64,457

2165

36,75

40,9 41

1,89

21,68

3,374

65,174

2191

35,3

44 44

40,2 40,2

1913 1,913

22092 22,092

3391 3,391

66106 66,106

2234 2234

36,8 36,8

7

-9,55 19,20%

0,234 13,94%

5,73 35,02%

0,237 7,51%

17,67 36,48%

557 33,21%

5,1 16,09%

44 44 44

46

Příloha B

Poznámkový aparát k testování AMD Athlon 2400+

AMD Athlon 2400+ Thoroughbred ; L1 data: 64 kB ; L1 instrukce: 64 kB ; L2: 256 kB ; 130 nm ; Lo, Lo, Lo, Hi, Hi pracovní frekvence násobič FSB frekvence

napětí

takt pamětí

teplota

Prime95

3 testy, 11 min 3 testy, 14 min CRASH OS 5 testů, 22 min CRASH OS CRASH OS 11 testů, 46 min 5 testů, 22 min CRASH OS 4 testy, 15 min CRASH OS 11 testů, 42 min

133 146 155 155 158 158 157 158 160 160 161 160

15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

2000 2190 2325 2325 2370 2370 2355 2370 2400 2400 2415 2400

1,75 1,75 1,75 1,8 1,8 1,85 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,05

266 292 248 248 252 252 250 252 256 256 256 256

46 49

27

0

400 20,00%

0,3

-10

20

52

57 58 64 66

Factorial test

PCM File PCM File PCM PCM File PCM Audio Compression Decompression Grammar Decryption Conversion

PCM DivX Compression

39,3 35,7

2,614 2,744

19,71 22,182

3,377 3,739

59,309 66,156

2258 2508

35,43 38,96

36,8

3,153

22,912

3,651

69,104

2646

36,61

36,35 36,5

3,165 3,19

23,312 23,3

3,674 3,67

70,902 70,888

2686 2680

37,5 37,7

36,1

3,199

23,853

3,777

72,209

2736

37,7

36,1

3,199

23,852

3,777

72,209

2736

37,7

-3,2 8,14%

0,585 22,38%

4,142 21,01%

0,4 11,84%

12,9 21,75%

478 21,17%

2,27 6,41%

47

Příloha B

Poznámkový aparát k testování AMD Athlon 2400+ pomocí změn hodnot násobiče

AMD Athlon 2400+ Thoroughbred ; L1 data: 64 kB ; L1 instrukce: 64 kB ; L2: 256 kB ; 130 nm ; Lo, Lo, Lo, Hi, Hi pracovní frekvence násobič FSB frekvence

napětí

takt pamětí

teplota

Prime95

3 testy, 11 min 3 testy, 11 min 3 testy, 11 min BOOT FAIL BOOT FAIL CRASH OS CRASH OS CRASH OS CRASH OS FAIL 7 testů, 31 min

133 133 133 133 133 133 133 133 133 133 133

15 16 17 18 18 18 18 18 18 18 17

2000 2134 2267 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400 2267

1,75 1,75 1,75 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,05

266 266 266 266 266 266 266 266 266 266 266

46

0

2

267 13,35%

0,3

0

18

64

Factorial test



39,3 37,75 36,1

2,614 2,712 3,101

19,71 21,49 22,72

3,377 3,504 3,734

59,309 63,772 66,801

2258 2439 2598

35,43 37,01 37,59

36,1

3,101

22,72

3,734

66,801

2598

37,59

-3,2 8,14%

0,487 18,63%

3,01 15,27%

0,357 10,57%

7,492 12,63%

340 15,06%

2,16 6,10%

48

Příloha B

Poznámkový aparát k testování AMD Athlon 2200+

AMD Athlon 2200+ Thoroughbred ; L1 data: 64 kB ; L1 instrukce: 64 kB ; L2: 256 kB ; 130 nm ; Hi, Lo, Hi, Lo, Hi pracovní frekvence násobič FSB frekvence

napětí

takt pamětí

teplota

Prime95

37 40

3 testy, 18 min 3 testy, 15 min CRASH OS CRASH OS 4 testy, 19 min FAIL FAIL 9 testů. 47 min CRASH OS CRASH OS 3 testy, 15 min 4 testy, 20 min CRASH OS 6 testů, 26 min

133 150 160 160 160 162 161 160 162 162 162 163 164 163

13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5

1800 2025 2160 2160 2160 2187 2173 2160 2187 2187 2187 2200 2214 2200

1,7 1,7 1,7 1,75 1,8 1,8 1,8 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2 2

266 267 256 256 256 256 256 256 258 258 258 260 262 260

52

30

0

400 22,22%

0,3

-6

15

44

44

47

Factorial test



41,05 40,4

2,497 2,631

18,499 20,202

3,284 3,272

54,568 61,092

2072 2311

34,6 34,85

37,8

2,717

21,63

3,559

65,13

2467

36,01

37,8

2,722

21,644

3,566

65,2

2468

36,1

37,4

2,738

21,826

3,586

65,967

2492

36,1

-3,65 8,89%

0,241 9,65%

3,327 17,98%

0,302 9,20%

11,399 20,89%

420 20,27%

1,5 4,34%

49

Příloha B

Poznámkový aparát k testování AMD Sempron 2400+

AMD Sempron 2400+ Thoroughbred ; L1 data: 64 kB ; L1 instrukce: 64 kB ; L2: 256 kB ; 130 nm ; Lo, Hi, Hi, Hi, Lo pracovní frekvence násobič FSB frekvence

napětí

takt pamětí

teplota

Prime95

3 testy, 15 min 4 testy, 21 min 3 testy, 15 min 3 testy, 15 min 3 testy, 14 min FAIL BOOT FAIL FAIL 9 testů, 39 min BOOT FAIL BOOT FAIL CRASH OS 9 testů, 38 min

166 200 210 215 220 225 225 225 220 223 222 221 221

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

1666 2000 2100 2150 2200 2250 2250 2250 2200 2230 2220 2210 2210

1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7 1,75 1,8 1,8 1,85 1,85 1,85 1,9

266 266 280 288 292 300 300 300 292 296 294 292 292

40 43 44 44 45

55

0

544 32,65%

0,2

26

10

49

50

Factorial test



42,9 37,3 35,65 35,2 34,4

2,379 2,627 2,696 2,712 2,762

17,343 20,468 21,453 22,036 22,528

3,246 3,501 3,591 3,746 3,838

49,193 59,135 62,983 65,171 66,4

1921 2303 2404 2469 2526

33,32 36,64 38,96 39,8 38,11

34,4

2,766

22,611

3,855

66,415

2520

38,05

34,2

3,081

22,884

4,052

65,627

2546

38,42

-8,7 20,28%

0,702 29,51%

5,541 31,95%

0,806 24,83%

16,434 33,41%

625 32,54%

5,1 15,31%

50

Příloha B

Poznámkový aparát k testování AMD Duron 800 MHz

AMD Duron 800 MHz Spitfire ; L1 data: 64 kB ; L1 instrukce: 64 kB ; L2: 64 kB ; 180 nm ; Lo, Hi, Lo, Hi, Lo pracovní frekvence násobič FSB frekvence

napětí

takt pamětí

teplota

Prime95

3 testy, 15 min 3 testy, 15 min BOOT FAIL 3 testy, 20 min BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL BOOT FAIL 3 testy, 17 min

100 120 130 130 135 133 133 133 133 133 133 132 132

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

800 960 1040 1040 1080 1064 1064 1064 1064 1064 1064 1056 1056

1,7 1,7 1,7 1,75 1,75 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2 1,8

266 240 260 260 270 266 266 266 266 266 266 264 264

36 37

32

0

256 32,00%

0,1

-2

7

41

43

Factorial test



84,95 74,9

1,017 1,105

8,079 9,307

1,613 1,805

21,511 24,893

854 994

18,9 21,62

67,8

1,166

10,29

2,112

27,536

1094

23,64

66,85

1,167

10,472

2,104

27,853

1113

23,48

-18,1 21,31%

0,15 14,75%

2,393 29,62%

0,491 30,44%

6,342 29,48%

259 30,33%

4,58 24,23%

51

TESTOVÁNÍ MEZÍ PROVOZUSCHOPNOSTI PROCESORŮ

Recommend Documents