Снижение энергопотребления процессоров Phenom II и Core 2 через уменьшение напряжения – THG.RU

Введение

Энтузиасты внимательно следят за возможностями разгона процессоров. Они тратят немало времени, чтобы найти ответы на следующие вопросы: Насколько быстро можно разогнать те или иные процессоры? Какой при этом требуется уровень напряжения? Какое решение охлаждения будет лучше?

Разгон позволяет увеличить производительность CPU до уровня более дорогих моделей процессоров, но возможно и обратное направление. Обычно можно снизить напряжения питания процессора, чтобы улучшить эффективность работы, не меняя при этом производительность.

Напряжение, тактовая частота и энергопотребление

Тактовая частота – один из самых важных параметров, влияющих на производительность, при этом для достижения высоких тактовых частот обычно требуется повышение напряжения. С учётом всего скачанного именно напряжение играет наиболее важную роль в итоговом энергопотреблении, а роль тактовой частоты всё же вторична. Повышение или понижение тактовой частоты влияет на энергопотребление почти в прямо пропорциональной зависимости, а от напряжения зависимость квадратичная. Именно по этой причине увеличение напряжения всегда более существенно сказывается на энергопотреблении, чем повышение тактовой частоты.

Конечно же, снижение рабочего напряжения тоже существенно влияет на энергопотребление, поэтому мы решили более глубоко исследовать этот вопрос.

Процессоры с пониженным напряжением

Многие мобильные процессоры представляют собой несколько модифицированные версии обычных CPU с пониженным напряжением. Возьмите, например, мобильные процессоры Intel Core 2. Они отличаются оптимизированным энергопотреблением, но в сравнимых условиях они будут работать с такой же производительностью и потреблять столько же энергии, сколько их настольные “собратья”. Линейка Core 2 Duo T заявлена с максимальным энергопотреблением 35 Вт, линейка P ограничивается тепловым пакетом 25 Вт и так далее.

Но существуют экономичные процессоры и для настольных компьютеров. AMD предлагает процессоры с оптимизированным энергопотреблением с суффиксом “e” (Phenom II X4 900e, 905e, и Phenom X4 9350e). Intel выпускает линейку процессоров Core 2 Quad “S”, которые обеспечивают производительность на уровне стандартных моделей, но остаются в пределах теплового пакета 65 Вт вместо 95 Вт. Хотя экономичные версии процессоров стоят дороже, нас они немало впечатлили, обеспечив снижение энергопотребления в режиме бездействия и под нагрузкой.

Сделай сам?

Можно ли превратить процессор в экономичную версию своими руками? Разгон и повышение напряжения стали очень популярными, но как насчёт снижения напряжения? Мы взяли две материнские платы MSI, которые были в нашем распоряжении: P45D3 Neo, использованную нами в поисках оптимального разгона Core 2 Duo, но на этот раз в паре с процессором Core 2 Extreme QX9650, а также модель 790FX-GD70 для тестов AMD Phenom II X4 955.

Платформы: AMD 790FX и Intel P45

AMD/Socket AM3: MSI 790FX-GD70

Чтобы исследовать понижение напряжения процессора Phenom II X4 955 мы взяли материнскую плату MSI 790FX-GD70. Данная плата является топовой моделью MSI для Socket AM3, она использует чипсет AMD 790FX, поддерживающий все последние процессоры AMD; плата оснащена технологией ATI CrossFireX (благодаря четырём слотам x16 PCI Express 2.0) и большим количеством функций, полезных энтузиастам. Производитель решил оснастить плату функцией аппаратного разгона, стабилизатором напряжения с 4+1 фазами с динамическим переключением, а также крупной (но не чрезмерно) системой охлаждения на тепловых трубках для чипсета и стабилизаторов напряжения. BIOS позволяет выставлять частоту памяти DDR3 до 2133 MT/s. RAID поддерживается на всех шести портах SATA 3 Гбит/с через южный мост SB750; есть дополнительные порты SATA, FireWire 400 и два гнезда Ethernet 1 Гбит/с, не говоря уже о звуковом кодеке HD 192 кГц.

Однако на сей раз нам вряд ли понадобится такой набор функций, поскольку целью проекта была экономия энергии. Стабилизатор напряжения с пятью фазами должен быть эффективен, а сама плата уровня энтузиастов заполнена качественными компонентами, способными удовлетворить наши амбиции. Однако мы всё же были несколько разочарованы тем, что нельзя снижать напряжения чипсета и памяти меньше номинала. Возможно, MSI следует добавить такую функцию в следующих версиях BIOS.

Intel/Socket LGA775: MSI P45D3 Neo

Для процессора Core 2 Quad на Socket 775 (мы использовали Core 2 Extreme QX9650) мы взяли материнскую плату P45D3 Neo, хорошо показавшую себя в наших тестах оптимального разгона Core 2 Duo. Плата построена на чипсете P45, но это не продукт для энтузиастов: придётся довольствоваться тремя фазами стабилизатора напряжения, здесь нет сложной системы охлаждения на тепловых трубках, а стандартные функции чипсета дополняют лишь несколько опций. Дополнительная информация о плате приведена в статье “Intel Core 2 Duo: анализ разгона, производительности и эффективности“. Но мы всё равно использовали эту плату для нашего проекта снижения напряжения, поскольку другие продукты (включая Gigabyte X48T-DQ6 и Asus P5Q Deluxe) тоже не предоставляли опций снижения напряжения других компонентов помимо процессора.

Как правильно снижать напряжение?

Опытные оверклокеры могут пропустить этот раздел, а всем остальным мы рекомендуем ознакомиться с некоторыми особенностями, связанными с понижением напряжения процессоров.

Drooping

Первое, что нужно знать: напряжение процессора, которое выставляется в BIOS (автоматически или пользователем) может не соответствовать напряжению Vcore, на котором будет работать процессор. На самом деле в BIOS определяется максимальное напряжение процессора, а эффективное напряжение обычно бывает ниже. Оно может даже меняться в зависимости от условий работы процессора (например, температуры), которые изменяются при переходе CPU из режима бездействия в режим нагрузки и наоборот.

Такое поведение вполне оправданно, поскольку проводимость кристалла улучшается по мере нагрева CPU под нагрузкой. Если напряжение не менять, то ток будет увеличиваться, то есть ток и температура будут поднимать друг друга. Специальный механизм drooping немного снижает напряжение процессора под нагрузкой, чтобы CPU оставался в пределах электрических спецификаций.

Если вы используете такие инструменты, как CPU-Z для считывания эффективного напряжения процессора, попробуйте проверить заданное напряжение с помощью CoreTemp – и вы заметите, что два значения будут различаться. Разница между заданным и эффективным напряжением в режиме бездействия называется “offset” (Voffset), а разница напряжения между режимом бездействия и пиковой нагрузкой – “droop” (Vdroop).

Проверка

Процессор достигает пикового напряжения, когда он переходит из состояния нагрузки в состояние бездействия, поскольку напряжение никогда не переходит точно с одного уровня на другой, а “перепрыгивает” уровень и затем выравнивается. Именно в таком “прыжке” процессор достигает пикового заданного напряжения.

По той же причине довольно легко проверить, будет или нет процессор с пониженным напряжением стабильно работать под пиковыми нагрузками: он будет накладывать Vdroop и снижать рабочее напряжение, чтобы оно было ниже заданного напряжения. Мы использовали Prime95 – замечательную утилиту для загрузки процессора. После 30 минут работы под пиковой нагрузкой без “вылетов” мы приходили к заключению, что система с пониженным напряжением стабильно работает под нагрузкой. Это обычно означает, что стабильной будет работа и в режиме бездействия, поскольку тогда накладывается чуть более высокое напряжение. Но это не применимо к режимам экономии энергии, подобным Intel SpeedStep, которые ещё сильнее снижают частоту (множитель) и напряжение. Мы провели все тесты пониженного напряжения с активной технологией SpeedStep, но это было не нужно для технологии AMD Cool’n’Quiet, поскольку у неё используются штатные напряжения и частоты в режиме бездействия.

Как обычно, нельзя воспринимать наши результаты разгона или уменьшения напряжения как истину в последней инстанции. Здесь всё зависит от вас: нужно либо провести расширенный набор тестов, либо смириться с риском, что система может быть не всегда стабильной. Да и ваши результаты могут быть совершенно иными – возможно, лучше вернуться к более консервативным настройкам (то есть чуть повысить напряжение), чтобы себя обезопасить. В любом случае, потенциал по экономии энергии всё равно будет весьма существенным.

Понижаем напряжение AMD Phenom II X4 955

Процессор AMD Phenom II X4 955 остаётся флагманской моделью компании после его объявления в апреле 2009. Благодаря поддержке памяти DDR3 и тактовой частоте 3,2 ГГц AMD смогла конкурировать с Intel Core 2 Quad в некоторых тестах, при этом как процессор, так и платформа обойдутся дешевле. Впрочем, до производительности Core i7 всё равно далеко.

Модели Phenom II X4 доступны на частотах между 2,5 и 3,2 ГГц (см. страницу на web-сайте AMD). Линейка процессоров 800 оснащена 4x 512 кбайт кэша L2 на ядро и общим кэшем L3 на 4 Мбайт, а у линейки 900 кэша L3 на 50% больше. Все процессоры Phenom II производятся на заводах Globalfoundries по 45-нм техпроцессу DSL SOI, обеспечивающему низкое энергопотребление и хорошие возможности разгона. Будет интересно посмотреть, насколько сильно мы сможем понизить напряжение.

Штатное напряжение: 1,32 В

Автоматические настройки BIOS привели к работе Phenom II X4 955 от напряжения 1,32 В по информации CPU-Z. При этом пиковое энергопотребление системы составило 216 Вт при полной нагрузке на CPU. Вполне понятно, что результат есть, куда улучшать.

Напряжение в режиме бездействия: всегда 0,960 В (в BIOS)

Все процессоры AMD с активной технологией Cool’n’Quiet могут переходить на частоту 800 МГц в режиме бездействия, при этом штатное напряжение ядра снижается до 0,96 В. Как видно по итоговой таблице ниже, процессор Phenom II переключается на 0,96 В в режиме Cool’n’Quiet независимо от того, какое напряжение CPU выставлено в BIOS. Поэтому и энергопотребление системы в режиме бездействия было всегда одинаковым: 99 Вт. Улучшать в данном случае нечего, если только BIOS не начнёт позволять изменять напряжение в режиме бездействия.

Оптимизированное напряжение под пиковой нагрузкой: 1,152 В

Мы попытались выставлять несколько уровней напряжения (см. таблицу ниже) и проверяли нагрузку на них с помощью теста Prime95 не менее 30 минут. Получилось, что штатное напряжение 1,32 В можно снизить на целых 12% до 1,1175 В. При этом мы снизили энергопотребление системы с 216 до 179 Вт, что составляет падение на 17,2%. Неплохо.

Итоговая таблица

* выставляется Cool’n’Quiet.

Понижаем напряжение Intel Core 2 Extreme QX9650

Теперь настало время рассмотреть Intel Core 2 Quad. Мы использовали процессор Core 2 Extreme QX9650, поскольку в нашем распоряжении не было обычной модели Core 2 Quad.

Линейка Core 2 Quad по-прежнему обеспечивает солидную производительность при приемлемых уровнях энергопотребления. Линейки Q8000 и Q9000 построены на 45-нм дизайне Yorkfield. У Q8000 используется 4 Мбайт кэша L2, а у Q9000 6 Мбайт или даже 12 Мбайт кэша L2.

Все четырёхъядерные процессоры Core 2 Quad собираются из двух 45-нм двуядерных кристаллов Wolfdale.

Штатное напряжение: 1,256 В

Когда мы выставили напряжение в BIOS в режим “Automatic”, то получили у Core 2 Extreme QX9650 1,256 В, в результате чего система при полной нагрузке потребляла 185 Вт.

Штатное напряжение в режиме бездействия: 1,192 В

Напряжение в режиме бездействия напрямую менять не получится, оно будет всегда определяться в зависимости от напряжения CPU, которое вы укажете. В случае настроек BIOS по умолчанию мы получили напряжение 1,192 В после включения технологии SpeedStep, что снизило множитель до 6x, а тактовая частота ядра составила 2,0 ГГц. Получившееся значение энергопотребления в режиме бездействия 94 Вт (см. таблицу ниже) всё ещё ниже энергопотребления системы AMD при напряжении всего 0,96 В и частоте CPU 800 МГц, что довольно странно.

Оптимизированное пиковое напряжение: 1,072 В

Самым низким стабильным напряжением оказалось 1,072 В, которое мы достигли с помощью настройки в BIOS 1,0785 В. При полной нагрузке это привело к общему энергопотреблению системы всего 148 Вт, то есть мы получили 20% снижение энергопотребления при 16,3% уменьшении напряжения ядра процессора. Следующим шагом должно было стать напряжение 1,0655 В, при котором мы уже потеряли стабильность. К счастью, оно привело к одинаковым сбойным результатам под нагрузкой и в режиме бездействия, что сделало дальнейшее снижение напряжения бессмысленным.

Оптимизированное напряжение в режиме бездействия: 1,008 В

Напряжение в режиме бездействия, следующее из напряжения нашего процессора 1,0785 В, составило 0,1008 В, что позволило получить энергопотребление в режиме бездействия системы 87 Вт. Улучшение меньше 11%, но оно досталось бесплатно, система в тестах работала стабильно.

Тестовая конфигурация

Тесты и настройки

Результаты тестов

Энергопотребление в режиме бездействия

У нас нет графика, демонстрирующего энергопотребление AMD Phenom II X4 955 в режиме бездействия, поскольку напряжение процессоров AMD не меняется. После активации функции Cool’n’Quiet процессор без нагрузки всегда работает на частоте 800 МГц с напряжением 0,96 В (по крайней мере, на нашей материнской плате MSI 790FX-GD70). Поэтому система AMD всегда потребляла 99 Вт в режиме бездействия.

На графике показано энергопотребление системы Core 2 Extreme QX9650 в режиме бездействия на всех протестированных уровнях напряжения. При напряжении 1,008 В можно получить энергопотребление 87 Вт, а при напряжении 1,192 В по умолчанию энергопотребление составляет 94 Вт.

Энергопотребление под нагрузкой

Экономия энергии от снижения напряжения в случае флагманского процессора AMD оказалась весьма существенной. Мы начали со штатного напряжения 1,32 В, которое давало пиковое энергопотребление системы 216 Вт, после чего получили всего 179 Вт под нагрузкой при напряжении 1,175 В. Экономия энергопотребления составила 37 Вт или 17,2% – довольно существенно, поскольку сэкономленной энергии будет достаточно для питания, например, 20″ современного дисплея!

Может ли система Intel превзойти 17,2% экономию энергии под пиковой нагрузкой? Может: в данном случае минимальное стабильное напряжение под нагрузкой составило 1,078 В вместо 1,255 В, а энергопотребление всей системы 148 Вт вместо 185 Вт – 20% снижение.

Энергопотребление и эффективность PCMark

Мы сделали замеры производительности PCMark Vantage и энергопотребление при настройках по умолчанию и оптимизированном напряжении систем AMD и Intel.

Среднее энергопотребление во время прогона PCMark Vantage

В случае системы Phenom II X4 955 среднее энергопотребление удалось снизить со 157 до 141 Вт, то есть улучшение составило 10,2%. Система Core 2 Extreme QX9650 смогла снизить энергопотребление со 135 до 117 Вт, то есть результат получился впечатляющим, учитывая вычислительную мощность, превосходящую топовый процессор AMD, использованный нами. Система Intel снизила среднее энергопотребление на 13,1%.

Суммарная энергия, затраченная на прогон PCMark Vantage

Следовательно, суммарная энергия (в ватт-часах), затраченная на прогон тоже снизилась: на 11,4% у системы AMD и на 12,4% у системы Intel. Неплохо!

Эффективность (производительность на ватт) теста PCMark Vantage

Наконец, мы соотнесли результаты PCMark Vantage со средним энергопотреблением двух систем (баллы производительности на ватт). Помните, что две машины обеспечивают прежнюю производительность после оптимизации напряжений. Система на AMD Phenom II X4 955 смогла дать улучшение по эффективности энергопотребления 11,6% в тесте PCMark Vantage. Система Intel улучшила результат эффективности на 13,8%.

Заключение

Мы протестировали два high-end процессора от AMD и Intel на современных материнских платах MSI, что позволило проанализировать потенциальную экономию энергии, которую можно получить путём снижения напряжения процессоров. Конечно, мы намеревались также снизить напряжение у памяти или чипсетов, чтобы получить дополнительную экономию, но ни одна из рассмотренных материнских плат не позволила нам модифицировать напряжение компонентов. Мы рассмотрели платы Asus P6T и Rampage II Gene, Gigabyte MA790FXT-UD5P и X48T-DQ6, но в итоге остановились на MSI 790FX-GD70 для Socket AM3 и P45D3 Neo для Socket LGA775.

AMD Phenom II X4: энергопотребление на 17% ниже, эффективность на 11,6% выше

Пиковое энергопотребление под нагрузкой снизилось на целых 17% при выставлении минимального стабильного напряжения, которое мы нашли у Phenom II X4 955. Поскольку производительность при этом не менялась, мы получили прирост эффективности (производительности на ватт) 11,6% в тесте PCMark Vantage. Технология AMD Cool’n’Quiet несколько тормозила наши усилия по снижению напряжения, поскольку в режиме бездействия она всегда переключалась на штатный режим независимо от выставленного напряжения. И энергопотребление в режиме бездействия всегда составляло 99 Вт.

Intel Core 2 Extreme: энергопотребление на 20% ниже, эффективность на 13,8% выше

Результаты оказались ещё более существенным на нашей тестовой системе Core 2 Extreme QX9650, где энергопотребление под пиковой нагрузкой снизилось на впечатляющие 20% без какой-либо потери производительности. Это позволило улучшить производительность на ватт PCMark Vantage на целых 13,8%. Поскольку напряжение процессора Intel в режиме энергосбережения SpeedStep зависит от выставленного напряжения ядра, то энергопотребление в режиме бездействия тоже заметно снизилось – до всего 1,008 В. Это дало экономию энергии в режиме бездействия 8%.

Стоит ли экономить энергию?

Мы были впечатлены относительно широкими допусками снижения напряжения, поскольку предполагали, что проблемы начнутся намного раньше. Но системы AMD и Intel показали, что современные процессоры могут работать при существенно меньшем напряжении. Мы смогли подать на процессор AMD Phenom II X4 на 16% меньшее напряжение, а на процессор Intel Core 2 Extreme – на 16,6% меньшее. Всё это позволило получить экономию 17-20% под пиковой нагрузкой у обеих систем.

Однако необходимо убедиться, что ваши настройки с пониженным напряжением обеспечивают надёжную работу, поэтому мы рекомендуем подходить к данному процессу осторожно. Впрочем, вам не требуется добиваться 16% снижения напряжения – даже 10% снижение позволит бесплатно снизить энергопотребление системы без какого-либо ущерба производительности.