Разгон Intel Core i7-980X: шесть ядер и 5 ГГц – THG.RU

Введение

Мы уже довольно давно проводим тесты систем охлаждения с фазовым переходом, впервые мы опубликовали статью о системе Kryotech в 1997 году, а в 1999 году провели тесты улучшенной версии. Наш 618-МГц Celeron быстро уступил место 800- и 900-МГц Athlon, да и примерно через месяц мы взяли планку в 1 ГГц.

Затем подтянулись и конкуренты. До того, как Asetek стала поставщиком недорогих систем водяного охлаждения, её система VapoChill с фазовым переходом упростила сложный набор комплектующих внутри корпуса до одной внешней коробки, которая поддерживала процессоры от AMD и Intel. К тому времени, когда на рынок вышла Prometeia, Kryotech уже исчезла, а мы превзошли уровень 3 ГГц. Ещё несколько улучшений позволили нам достичь уровня 4,1 ГГц, но следующий шаг потребовал бы существенного улучшения либо технологий CPU, либо технологий охлаждения.

Охлаждение CPU с помощью жидкого азота, а чипсета – с помощью системы изменения фазового состояния позволили нам превзойти уровень 5 ГГц шесть лет назад. Конечно, это было совсем непрактично, поскольку в то время не было решений, которые обеспечили бы долговременную работу на частоте 5 ГГц. И только после того, как Intel представила процессоры, произведённые по 32-нм технологии, можно попытаться найти практичную систему, которая даст продолжительную работу. Фактически, мы уже смогли загрузиться на частоте 4,93 ГГц, используя процессор Core i5-655K с воздушным охлаждением.

Нажмите на картинку для увеличения.

Технология CPU улучшилась в достаточной степени, чтобы можно было отказаться от охлаждения с помощью жидкого азота для достижения 5 ГГц. Да и получение такой частоты на дешёвом CPU, который уже стабильно работает на 4,6 ГГц с воздушным охлаждением, показалось нам слишком простым. Производительность 5-ГГц двуядерного процессора в мире четырёхъядерных CPU оказалась бы просто смешной. Наша статья должна быть актуальной, поэтому нам потребовался high-end процессор, использующий все новейшие достижения.

Когда в марте 2010 года Intel представила свой шестиядерный процессор, в наших руках появилась прекрасная основа для нашего проекта. Напомним, что Core i7-980X Extreme имеет шесть ядер, но при этом способен выполнять 12 потоков одновременно. Нам потребовалась система охлаждения с достаточной мощностью, с чем помогла FrozenCPU.com.

Компрессорные системы охлаждения возвращаются

Многие наши читатели знакомы с принципом работы компрессорных систем охлаждения с фазовым переходом. Газы забирают тепло во время расширения, охлаждая окружающие области. Газ, который был сжат до состояния жидкости, забирает ещё больше тепла при испарении (изменение состояния обратно в газообразное) – как и вода забирает большое количество энергии во время кипения. Газы отдают тепло во время сжатия (компрессии), именно поэтому обычные холодильники и кондиционеры используют отдельный теплообменник, который отводит тепло от газа при сжатии. Охлаждение сжатого газа позволяет ему перейти в состояние жидкости (эффект конденсации), поэтому “горячий” теплообменник ещё называют конденсором.

Кулер с фазовым переходом для CPU отличается от традиционного холодильника или кондиционера наличием испарителя. Теплообменники газ-газ бытовых устройств напоминают второй радиатор, но охладитель CPU использует намного меньший по размеру блок с испарителем, который забирает тепло от процессора.

Медный наконечник на конце трубки на самом деле представляет собой полую испарительную камеру, подключённую к двум линиям – одна линия с высоким давлением поставляет в камеру жидкость, а линия с низким давлением забирает назад испарившийся газ. Производитель данного устройства Cooler Express является тайваньской компанией, которая выпускает разнообразные кулеры для лабораторных исследований, промышленности и т.д.

Нажмите на картинку для увеличения.

Список комплектующих в комплекте поставки определяется продавцом. Поскольку оригинальный набор креплений не поддерживал последние процессоры Intel, FrozenCPU.com пришлось изготовить новый крепёжный блок, позволяющий установить систему охлаждения на сокеты LGA 1156 и LGA 1366. Алюминиевый крепёжный блок имеет чёрную раскраску, чтобы лучше соответствовать оригинальному пластиковому комплектующему, а в комплект поставки входит новая пластинка крепления для сокета с соответствующими отверстиями. FrozenCPU.com добавила все необходимые детали, чтобы дополнить второй монтажный комплект, хотя при необходимости можно взять детали и из оригинального комплекта монтажа. FrozenCPU.com продаёт полный набор с двумя комплектами установки в виде Cooler Express 2010 Super Single Evaporator CPU Cooling Unit.

Тестовая платформа

Шестиядерный процессор Intel Core i7-980X требует наличия материнской платы LGA 1366 с последней версией BIOS, и мы как раз тестировали несколько таких моделей в мае. Из протестированных моделей Gigabyte X58A-UD7 обеспечила наилучшую стабильность.

Нажмите на картинку для увеличения.

Тестирование разницы в производительности одного процессора с разблокированным множителем при различных частотах не потребует скоростной памяти, но мы всё равно использовали память для оверклокеров.

Нажмите на картинку для увеличения.

High-end видеокарта тоже не очень нужна, но мы не хотели, чтобы наша система оказалась медленной в игровых тестах. Видеокарты Sapphire Radeon HD 5850 более чем достаточно для обеспечения приемлемой частоты кадров в большинстве игр на высоких настройках.

В руководстве Cooler Express рекомендуется почти такая же высота установки материнской платы, что и в нашем корпусе Danger Den Torture Rack 2. Совпадение неожиданное, но очень приятное, поскольку мы давно используем этот корпус для тестов материнских плат.

Блок питания Corsair CMPSU-850HX был уже установлен в корпусе Torture Rack 2, поскольку мы тоже используем его для тестов материнских плат, при этом блок питания обеспечивает намного большую мощность, чем требуется одному CPU и видеокарте.

Установка Cooler Express

Система охлаждения Cooler Express поставляется с инструкцией, которая предназначается для сокетов без задней пластины поддержки или, в случае AMD, с удалённой заводской пластиной поддержки. Как мы уже упоминали, FrozenCPU.com вложила в комплект поставки дополнительные детали для установки на платформы LGA 1366.

Четыре крепёжных винта вкручиваются в заднюю пластину поддержки, при этом пластиковые втулки предотвращают раздавливание изоляционных слоёв в комплекте поставки. Возможно, эти втулки недостаточно длинные, чтобы соответствовать своей цели при установке задней пластины на сокеты LGA 1156 и LGA 1366, но мы ничего не меняли.

Затем на заднюю пластину поддержки устанавливается толстый слой изоляции из пеноматериала, на который крепится нагревательный элемент. Последний предотвращает конденсацию влаги на обратной стороне материнской платы, когда кулер CPU будет охлаждать сокет.

В инструкции ничего не говорится о добавлении ещё одного слоя изоляции, но установка предусматривается на плоскую поверхность. Мы вырезали дополнительный тонкий слой из пеноматериала, чтобы он окантовывал оригинальную пластину поддержки сокета, закрывая зазор между материнской платой и оригинальным изоляционным слоем.

Затем винты пластины поддержки продеваются через отверстия монтажа кулера CPU. На них накручиваются четыре гайки, при этом пластиковые шайбы предотвращают появление царапин на материнской плате и связанных с ними повреждений.

Установка изоляции

Продолжая следовать инструкции, мы добавили два слоя изоляции вокруг сокета CPU, которые пришлось обрезать, чтобы они не мешали компонентам материнской платы. Обратите внимание, что между сокетом CPU и одной стороной стабилизаторов напряжения CPU места для изоляции не осталось вообще.

Поскольку мы не оставили слой изоляции с одной стороны, то можно было смело ожидать проблем из-за накопления конденсата, но мы решили следовать руководству пользователя, нанеся слой чёрной плёнки поверх воздушных “карманов” вокруг сокета CPU.

Последний слой должен изолировать верхнюю часть сокета CPU от нижней части блока с испарителем, однако он показался нам тонким.

Проблема заключалась в том, что слой из пеноматериала (выше) оказался тоньше, чем часть испарителя, выставлявшаяся из блока монтажа (ниже).

Просто добавь… воды?

Затем мы нанесли слой термопасты Zalman ZM-STG1 на верхнюю плоскость нашего CPU.

На винты надеваются четыре пружины, которые сдвигаются к блоку монтажа. Сверху на них накладываются пластиковые шайбы.

Четыре гайки сжимают пружины монтажа, в результате чего центр блока монтажа с испарителем начинает давить на CPU.

В инструкции Cooler Express указано, что важно просушивать материнскую плату в конце каждого дня. Мы надеялись, что дневное тестирование закончится раньше, чем накопится достаточное количество воды для замыкания контактов CPU или дорожек материнской платы, поэтому мы включили систему и приступили к тестированию. Прошло около четырёх часов, прежде чем система стала сбоить.

Несколько контактов у процессора потемнели, но система по-прежнему работала. Вероятно, нам нужно было принять дополнительные меры предосторожности помимо тех, что рекомендуются в руководстве пользователя.

Переделываем установку

В прошлом мы уже не раз показывали, что не боимся рисковать для выполнения поставленных задач, и мы хорошо знакомы с методами, которые предотвращают накопление конденсата в чувствительных к нему областях. Эти методы включают покраску всей материнской платы специальным непроводящим герметиком, заполнение всей области вокруг CPU непроводящей замазкой (“жидкий ластик”/kneaded eraser), а также заполнение сокета LGA диэлектрической смазкой. Но, к сожалению, потом полностью очистить материнскую плату не получится. Нам рабочая система требовалась на 12 часов для выполнения тестов, но если вы планируете продолжительное её использование, то мы рекомендуем принять большую часть мер предосторожности, упомянутых выше.

Единственная капля воды, остановившая систему, оставила подтёк, который начинался на испарителе, проходил через круглое отверстие в изолирующем слое из пеноматериала, просочился на боковую часть сокета CPU и, в итоге, попал на контакты Land Grid Array (LGA). Чтобы закрыть зазоры между распределителем тепла CPU и пластиной давления сокета, мы использовали непроводящую мастику.

Новый слой плёнки стал изолировать область CPU вместе со слоями из пеноматериала. Сверху мы установили тонкий слой из пеноматериала с круглым отверстием, который использовали и раньше.

“Ожерелье” из мастики заполняет пространство между блоком испарителя и верхним слоем из пеноматериала. Эти небольшие изменения позволили нашей системе работать на протяжении восьми часов, но не обещанные двенадцать часов до просушки.

Когда мы сняли CPU после восьмичасового тестирования, то обнаружили капли конденсата на всех контактных пластинах сокета 1366. Проблемы вызвал воздух, циркулирующий под CPU, и эту проблему можно было решить, залив сокет LGA диэлектрической смазкой. В принципе, хорошей заменой диэлектрической смазке будет обычный вазелин, если он используется при средних-низких температурах, которые как раз и характерны для систем охлаждения CPU ниже комнатной температуры.

Как мы неоднократно отмечали раньше, использование замазки вокруг сокета CPU является ещё одним способом предотвращения доступа воздуха внутрь. К сожалению, подобную работу в данном случае не выполнить из-за деталей стабилизатора напряжения, расположенных вплотную к сокету материнской платы.

Базовый разгон

Core i7-980X можно было промаркировать как модель 3,33 ГГц, но технология Intel Turbo Boost автоматически увеличивает тактовую частоту до уровня 3,60 ГГц или 3,47 ГГц, в зависимости от количества нагруженных ядер. На скриншоте ниже не показана точная тактовая частота 3466 МГц, поскольку Gigabyte не выставила базовую частоту до подходящего значения 133,33 МГц. По умолчанию базовая частота составляет около 135 МГц, а выбор ручных настроек для выставления штатной частоты Intel 133,333 МГц приводит к тому, что реальная частота составляет 133,0 МГц.

Обратите внимание, что самая высокая температура нашего CPU на штатных настройках была измеряемой, при этом она оказалась выше минимального порога цифрового теплового датчика -12° Цельсия. Мы не смогли отслеживать температуры ниже этого уровня в реальном времени, но тот факт, что температурный порог несколько раз был пройден, говорит о том, что температура ядра CPU намного выше, чем температура испарителя -50°, которую нам сообщает монитор состояния Cooler Express.

Нажмите на картинку для увеличения.

Мы решили перейти на порог напряжения 1,35 В для 32-нм процессоров Intel после нескольких сгоревших процессоров при напряжении всего 1,375 В. Но во всех этих случаях использовалось воздушное охлаждение, а процессоры увеличивают допустимый диапазон напряжений при снижении температуры. Мы будем использовать порог 1,35 В для воздушного охлаждения в качестве начальной точки наших экспериментов по разгону.

Нажмите на картинку для увеличения.

Скромное напряжение 1,35 В уже переводит температуры CPU на значения выше нуля под полной нагрузкой, и мы начали сомневаться в том, достаточно ли гладкое основание у блока с испарителем, чтобы сохранять температуры на приемлемом уровне при дальнейшем разгоне. Процессор показал себя замечательно, достигнув частоты 4,46 ГГц при сохранении 100% стабильности.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нашей следующей целью стало напряжение 1,45 В, которое дало стабильную работу на частоте 4,69 ГГц при полной нагрузке с активной технологией Intel Hyper-Threading, превращающей наши шесть физических ядер в двенадцать логических. Температуры были по-прежнему приемлемыми, поднявшись на несколько градусов по сравнению с уровнями при напряжении 1,35 В. В обычной ситуации мы бы остановились на этом уровне напряжения, но мы хотели найти пределы возможностей процессора или достичь 5 ГГц – в зависимости от того, что получится раньше.

Достижение цели

Дополнительное тестирование дало нам частоту 4,9 ГГц при напряжении 1,60 В, что можно считать порогом стабильности. Даже небольшой прирост напряжения приводил к сбросу нашего CPU при температуре 39° Цельсия, а малейшее увеличение тактовой частоты снижало уровень температуры, при котором сбрасывался процессор. Нам нужно было сохранять температуры меньше данного уровня.

Информация с нескольких сайтов, посвящённых системам охлаждения, говорит о том, что самые эффективные термопасты могут снизить температуру на дельту вплоть до 4° по сравнению с Zalman ZM-STG1, однако наше тестирование показало, что для стабильной работы CPU на 5 ГГц температуру необходимо снизить, как минимум, на 10°. Следующим логичным шагом будет шлифовка и полировка матовой поверхности испарителя, но мы не были уверены, что слой металла будет достаточно толстым, поэтому не пошли на такой шаг из-за риска необратимо повредить испаритель.

Мы всё же смогли достичь поставленной цели 5 ГГц, но не путём увеличения скорости передачи тепла, а путём снижения тепловыделения CPU. Отключение технологии Intel Hyper-Threading привело к тому, что мы получили шесть физических ядер вместо двенадцати логических, и вместе с тем температуры CPU уменьшились почти на 20°.

Нажмите на картинку для увеличения.

Процессор Core-i7 980X имеет полностью разблокированные множители, однако не существует множителя для получения тактовой частоты 5 ГГц при базовой частоте 133 МГц. Мы хотели сохранить постоянную скорость работы памяти, чтобы максимально точно оценивать производительность CPU. Увеличение базовой частоты со 133,333 до 166,66 МГц показалось нам идеальным решением, при котором мы могли использовать множитель CPU 30 и множитель DRAM 4 для получения 5,00 ГГц и DDR3-1333, соответственно. Материнская плата Gigabyte не позволяет указать базовую частоту через множитель, поэтому мы выставили значение 166,0 МГц вместо 133,0 ГГц.

Тестовая конфигурация

Тесты и настройки

Результаты тестов

3D-игры

Мы потратили несколько часов на тесты игр, но тщетно. Наши текущие игровые тесты настолько сильно зависят от GPU, что большинство различий просто не имеет смысла показывать, не то что обсуждать. Предыдущие тесты видеокарт показали, что high-end конфигурации на нескольких GPU являются единственным способом нарушить этот барьер при высоких настройках качества в играх, но на момент тестов в нашей лаборатории не было подобной конфигурации.

На седьмой диаграмме выше показана наибольшая разница в игровой производительности – менее 4% при наших минимальных тестовых настройках в S.T.A.L.K.E.R.: Call of Pripyat. В остальных случаях CPU просто уже слишком мощный на штатных настройках, чтобы показать заметную разницу в производительности.

Кодирование аудио и видео

Игровые тесты не дали ощутимой разницы, но давайте перейдём к приложениям, в которых Core i7 показывает себя с лучшей стороны. Apple iTunes – пример не самый лучший, поскольку данный тест не может использовать все ядра CPU, но, по крайней мере, он положительно реагирует на наши усилия разгона.

HandBrake и TMPGEnc не показывают какой-либо потери производительности от отключения технологии Intel Hyper-Threading (HT) на частоте 5 ГГц – вместо этого данная конфигурация получила солидный 50% прирост производительности по сравнению со штатными частотами.

В MainConcept на первое место вышла система с активной технологией HT и самыми высокими тактовыми частотами – с отрывом на 31%, а разгон до 5 ГГц дал снижение производительности из-за потери виртуальных ядер.

Приложения продуктивности

Даже версия CS4 теста Photoshop ограничена шестью или меньшим количеством потоков, поскольку отключение HT не даёт ощутимого эффекта на конфигурации 5 ГГц – она продолжает лидировать по производительности.

3ds Max является одной из первых программ, которые стали выигрывать от наличия четырёх ядер CPU, но даже она, похоже, не использует более шести ядер. Наша конфигурация 5 ГГц даёт 47% отрыв по сравнению с системой на штатных тактовых частотах.

Тест AVG не работает должным образом под Windows 7, и мы пока так и не обнаружили, почему. Но, по крайней мере, мы обнаружили разницу в 1%.

По сжатию файлов прирост 5-ГГц системы снижается до “всего” 32%.

Синтетические тесты

Весьма странно видеть минимальную разницу в производительности в 3DMark, поскольку данный пакет включает и тест CPU. Но разница на следующей диаграмме почти такая же мизерная, что и в реальных играх!

PCMark, похоже, предпочитает технологию Intel Hyper-Threading (HT), в результате чего наша 5-ГГц система уступает первое место.

С отключённой технологией HT 5-ГГц разогнанный процессор в Sandra кажется совсем другой моделью, причём не в лучшую сторону.

Энергопотребление и эффективность

Core i7-980X – довольно эффективный по энергопотреблению процессор на штатных тактовых частотах, и вся наша система потребляла всего 104 Вт в режиме бездействия и 202 Вт при запуске 12 потоков теста Prime95.

Энергопотребление оказывается просто ужасным, когда мы превышаем уровень 1,35 В, оно более чем удваивается при достижении 5 ГГц. Это не очень хороший признак для разгона, поскольку пиковый прирост производительности составляет около 50%.

Средний прирост производительности намного меньше пикового, самая быстрая конфигурация оказалась всего на 20% быстрее штатной.

Intel весьма разумно выбирает тактовые частоты и уровни напряжения у своих high-end продуктов. Мы не раз показывали, что эффективность при разгоне можно улучшить, если производительность процессора увеличивается сильнее, чем энергопотребление. Но, как видно по диаграммам выше, наше увеличение напряжения оказалось чрезмерным.

Заключение

Если наш первый 5-ГГц проект помог превратить конкурс оверклокеров в зрелищное состязание, то нынешняя сборка на 5 ГГц смогла достичь такой же частоты без преодоления трудностей, неизбежных в то время. И нынешний проект может похвастаться практическим значением, в отличие от 5-ГГц разгона с помощью жидкого азота, который мы проводили шесть с половиной лет тому назад.

Конечно, победа всё равно не такая абсолютная, как нам хотелось бы. И дело не в том, что двуядерные CPU уже показали подобный уровень разгона несколько месяцев назад. Однако наблюдать, как 5-ГГц двуядерный процессор уступает четырёхъядерному CPU на штатной тактовой частоте в некоторых приложениях, несколько грустно. Всё же мы столкнулись с непреодолимыми препятствиями, пытаясь разогнать шестиядерный процессор до нашего рекордного уровня.

Сначала мы обнаружили, что температуры ядра были слишком высокими, хотя в системе охлаждения температура никогда не превышала -40°, и мы решили эту проблему, просто отключив технологию Intel Hyper-Threading, то есть не пытались устранить причину. Мы уже чувствовали, что наше решение по охлаждению оставляет желать лучшего, но при этом заметили, что энергопотребление увеличилось более чем в два раза по сравнению со штатной тактовой частотой. Наконец, с половиной логических ядер (их число равняется количеству физических ядер) и с удвоенным энергопотреблением, наш разгон на 50% дал средний прирост производительности всего 20%.

Учитывая, что даже наш начальный разгон при напряжении 1,35 В привёл к 50% увеличению энергопотребления для достижения на 25% более высокой тактовой частоты, даже средний разгон Core i7-980X кажется бессмысленным. Если вам эта проблема не кажется острой, обратитесь к нашим последним сборкам для геймера. Там все три компьютера смогли увеличить соотношение производительности на ватт (эффективность) после разгона. Конечно, мы не пытались разгонять Core i7-980X на штатном напряжении, и мы уверены, что некоторые сборщики смогут получить скромный разгон без ущерба эффективности.

Наконец, следует учесть затраты. Наша система охлаждения за $900 потребляла около 480 Вт от сети в дополнение к энергии, которую потреблял компьютер. Если подобная система будет работать 12 часов в день, то вы будете тратить 2102 кВт-ч в год только на работу системы охлаждения. Если же компьютер будет работать 24 часа в сутки, например, для задач типа Folding@home, то затраты удвоятся. Если же вы будете разгонять систему в комнате с кондиционером, то ему придётся тратить дополнительную энергию для вывода тепла наружу. В целом же, если правильная подготовка и реализация улучшают практичность системы с фазовым переходом для продолжительной работы, высокие затраты на охлаждение и средний прирост производительности ухудшают привлекательность таких решений.

Наш 5-ГГц шестиядерный ПК прекрасно подходит для демонстраций на стенде, но то же самое можно сказать про любые системы охлаждения на жидком азоте, с помощью которых тот же самый процессор уже успешно разогнали до 6 ГГц и выше.