Как сгорают современные процессоры

[Воланд]

Введение: производительность процессора в критических ситуациях

Процессоры уже не первый год проверяют на работу в экстремальных условиях. Когда центральные процессоры впервые преодолели гигагерцовый барьер, им пришлось обзавестись большими радиаторами и мощными вентиляторами, которые могли справиться с теплом, выделяемым чипами. Некоторые продукты, такие как Intel Pentium 3, вылетали при перегреве, а Athlon 1200 мог физически сгореть, если снять с него кулер. Ситуация с появлением Pentium 4 улучшилась, поскольку этот процессор мог понижать тактовую частоту, чтобы снизить тепловыделение в случае, если кулер сломался или отпал. Впрочем, проблемы с тепловыделением существуют и сегодня, пусть даже эффективность энергопотребления улучшилась, а процессоры обзавелись разными защитными механизмами. Споры насчёт лучшего соотношения производительности на ватт не стихают, и многие считают, что проблемы с экстремальными ситуациями охлаждения остались в прошлом, но это не так.

Но проблемы возникали не только у AMD: примерно три года назад для Intel настала своя "чёрная полоса" с линейкой процессоров Pentium 4. Эти процессоры как раз собирались достичь частоты 4 ГГц, но за счёт очень высокого тепловыделения. И процессоры Intel всё равно не могли обойти линейку AMD Athlon 64 несмотря на рекордные тактовые частоты. В ноябре 2004 года мы обнаружили, что 3,6-ГГц Pentium 4 560 работает вплотную к своим тепловым пределам и процессор автоматически включает троттлинг (пропуск тактов) для снижения тепловыделения.

Какова же ситуация сегодня? Будут ли процессоры физически "умирать", если у них отпадёт кулер? Что произойдёт, если перестанет работать вентилятор? В соответствии с заявлениями по поводу эффективности энергопотребления AMD и Intel, перестало ли тепловыделение оставаться критической проблемой? Или нет?

Конечно, все процессоры, которые можно купить сегодня, содержат один или больше термодиодов для измерения температуры чипа, так что при перегреве они могут идти на определённые меры. Эти меры могут быть функциями процессора по снижению тепловыделения, либо они могут активироваться самой платформой, чтобы вместиться в критическую схему тепловыделения.

Мы взяли недорогие и high-end процессоры от AMD и Intel, провели тесты с обычным охлаждением, затем симулировали сбой вентилятора процессора. Как мы обнаружили, сегодня всё ещё наблюдаются ощутимые различия между AMD и Intel.

Спецификации процессоров

AMD и Intel публикуют детальную информацию о диапазонах рабочих температур своих процессоров. Обе компании указывают на температуру корпуса процессора, которая обычно измеряется посередине распределителя тепла CPU. Как можно видеть по таблицам ниже, процессоры Athlon 64 X2 предназначены работать с температурами до 78°C, а Core 2 Duo могут работать с температурами до 72°C. Можно заметить, что максимальная температура корпуса процессора (tcase) зависит от теплового пакета: TDP 35 Вт у процессора Athlon 64 X2 позволяет работать при максимум 78°C, а 125-Вт TDP у Athlon 64 FX - не выше 63°C.

Если процессор выходит за диапазон рабочих температур, то сам CPU или материнская плата переходят к определённым мерам. Обычное действие платформы заключается в переходе к максимальной скорости вентилятора кулера, а у процессоров есть свои защитные механизмы.

[Воланд]

Защитные механизмы

Поскольку есть функции защиты, которыми управляет процессор, так и другие функции, зависящие от платформы, то очень важно, чтобы материнская плата их правильно поддерживала. По спецификациям, которые можно найти в Интернете, Intel предлагает намного больше функций, чем AMD, хотя обе компании поддерживают простой набор функций, предотвращающих тепловую "смерть" кристалла.


Intel Thermal Monitor

Ещё со времён Pentium 4 Intel интегрирует схему температурного управления под названием Thermal Monitor. Она позволяет пропускать тактовые сигналы при критическом значении температуры. В результате процессор периодически останавливается, и впечатление такое, как будто он работает на низких тактовых частотах. Подобную технологию называют "троттлингом", хотя это не совсем верно.

Вполне понятно, что эта функция помогает снизить тепловыделение, но она целиком контролируется CPU, пользователь или программы не могут влиять на её работу. Обычно вы не заметите работу Thermal Monitor, пока кулер процессора работает нормально. Но если это не так, то "чрезмерная активация TCC (...) может привести к заметной потере производительности" (документация процессора Core 2 Duo). Если вы знакомы с нашим первыми видео (скачать zip-архив DivX), то наверняка вспомните, что Pentium 4 (и последующие модели) дают существенно меньшую производительность после включения Thermal Monitor.

Intel Thermal Monitor 2

В основу Thermal Monitor 2 лёг основной принцип TM с добавлением ряда функций Enhanced SpeedStep. Последняя позволяет системе уменьшить тактовую частоту процессора и напряжение для экономии энергии. TM2 во многом делает то же самое, но активация технологии происходит при превышении температуры, а не через драйвер процессора. Кроме того, TM2 не использует пошаговые переходы частот, технология переключается с максимальных частоты и напряжения сразу на минимальные значения.


Сигнал Intel PROCHOT#

Сигнал PROCHOT# (processor hot, "горячий процессор") обеспечивает двустороннюю связь для включения Thermal Monitor. Он может включаться CPU или платформой, так что система может сама переводить процессор в состояние со сниженным энергопотреблением. Это имеет смысл, если другие компоненты близки к перегреву и только глобальное снижение энергопотребления системы позволяет его избежать.

Сигнал Intel THERMTRIP#

В случае, если температура CPU превышает определённые пороговые значения, процессор будет автоматически выключать систему с помощью сигнала THERMTRIP# для предотвращения повреждения кристалла.


Процессоры AMD

Если ранние образцы Athlon 1200 на ядре Palomino "умирали" вскоре после того, как мы снимали радиатор, то сегодня этого не происходит. Все процессоры AMD знакомы с сигналом THERMTRIP#, который используется для выключения системы. Cool'n'Quiet тоже может использоваться системой для снижения тактовой частоты и напряжения, подобно тому, как Intel применяет с Enhanced SpeedStep или Thermal Monitor 2. Хотя, как мы обнаружили, двуядерные процессоры AMD Athlon сами не включают троттлинг тактовой частоты, просто выключая систему после превышения критического температурного порога.

Основы охлаждения процессора

Важно знать несколько основных фактов про охлаждение процессора. Со всеми настольными процессорами, доступными сегодня, весьма легко работать, поскольку непосредственно ядро процессора защищено большой металлической пластиной, закрывающей всю верхнюю часть процессора. Эта металлическая пластина называется распределителем тепла (heat spreader), так как она увеличивает площадь, с которой процессор отдаёт тепло на радиатор. Она также защищает ядро процессора от физических повреждений или сколов, которые могут случиться, если вы будете неаккуратно устанавливать радиатор.

Тепловыделение процессора зависит от его архитектуры: Core 2 намного более эффективен по энергопотреблению, чем старые Pentium 4 или Pentium D. Число процессорных ядер тоже важный фактор, поскольку двуядерные процессоры всегда требует больше энергии, как и тактовая частота, на которой процессор работает. Чем выше тактовая частота, тем больше должно быть напряжение, что также приводит к увеличению энергопотребления. Требования к питанию экспоненциально возрастают при повышении любого из параметров.

Классические воздушные кулеры CPU различаются по размерам, конструкции, материалу, типу и размерам вентилятора. Размер радиатора, конструкция и материал связаны друг с другом, и все они решают одну проблему: отведение как можно большего количества тепла от горячих участков процессора на металлическую поверхность, которая должна быть максимально большой по площади. Именно поэтому эффективные радиаторы используют большое количество рёбер и медь при возможности: металл нагревается, тепло передаётся воздушному потоку, создаваемому вентилятором, который отводит горячий воздух от кулера. Медь гораздо тяжелее алюминия, поэтому создавать полностью медные радиаторы не так просто.

Процессоры часто продаются в комплекте с кулером (радиатор плюс вентилятор). Современные кулеры эффективные и тихие, их будет вполне достаточно, если вы не планируете разгонять процессор. Впрочем, если вам требуется более производительный кулер, то придётся покупать его отдельно.

С кулерами процессоров может возникнуть несколько "подводных камней". Первый касается установки: всегда проверяйте, что вы используете термопасту или термопрокладку. Используйте как можно меньше термопасты, раскатывая её очень тонким слоем, поскольку её роль заключается только в создании контакта между распределителем тепла CPU и радиатором. Если термопаста вытекает по краям, и вам приходится её убирать, то вы нанесли слишком толстый слой.

Когда вы будете устанавливать радиатор, будьте внимательны. Поверхность должна прилегать к распределителю тепла равномерно. Если вы используете мощный кулер, купленный отдельно, то он, вероятно, имеет эффективную конструкцию и обеспечивает достаточный теплоотвод для большинства настольных ПК. Но если процессор выполняет "тяжёлые" задачи, то без хорошего вентилятора не обойтись. И здесь мы получаем ещё одно потенциально уязвимое место, которое мы проверим в нашем обзоре: каждый вентилятор - это механическое устройство с ограниченным сроком жизни. Когда вентилятор выйдет из строя, кулер может уже не справляться с высоким тепловыделением процессора.

[Воланд]

Системные компоненты

Платформа AMD: Asus Crosshair

Материнская плата Asus Crosshair была разработана для настоящих энтузиастов и хардкорных геймеров. Она использует чипсет nVidia nForce 590 SLI и работает со всеми доступными процессорами Socket AM2, будь то младшие Sempron или high-end Athlon 64 X2. После модернизации BIOS эта плата должна заработать с процессорами следующего поколения: четырёхядерными Phenom X4 и двуядерными Phenom X2, как только они появятся на рынке.

Плата обеспечивает два слота x16 PCI Express для двух видеокарт nVidia SLI, три 32-битных слота PCI для старых карт расширения, четыре слота DIMM для памяти DDR2-800 и шесть портов SATA/300 с поддержкой "родной" очереди команд (Native Command Queuing, NCQ), RAID и eSATA. Есть и 8-канальный звуковой HD-кодек с цифровыми выходами и дополнительными функциями, такими как определение подключенных интерфейсов и фильтр шума. Добавим два порта Gigabit Ethernet, два порта FireWire (IEEE-1394a) и большой набор аксессуаров и опций разгона. Большой радиатор на тепловых трубках охлаждает компоненты чипсета и стабилизаторы напряжения. Asus добавила и небольшой вентилятор, который можно использовать для активного охлаждения северного моста. Есть и LCD Poster - небольшой дисплей в центре панели ввода/вывода.

[Воланд]

"Бюджетный" процессор AMD: Athlon X2 BE-2350

Процессор Athlon X2 BE-2350 обеспечивает приличную настольную производительность и имеет тепловой пакет всего 45 Вт. Хотя Intel тоже имеет процессоры с хорошей эффективностью энергопотребления, тепловой пакет Core 2 Duo и линейки Pentium Dual Core составляет 65 Вт. В теории, процессор AMD с низким энергопотреблением должен дать существенное преимущество при работе с недостаточным охлаждением.

Процессор Athlon X2 BE-2350 работает на частоте 2,1 ГГц и оснащён двумя кэшами L2 на 512 кбайт. Он изготавливается по современному 65-нм техпроцессу DSL SOI, который обеспечивает очень низкие токи утечки. Процессоры устанавливаются на Socket AM2 с частотой канала 1 ГГц. Обратите внимание, что обычнее процессоры Athlon 64 X2 имеют тепловой пакет 68 Вт или выше, а этот процессор, технически аналогичный, отличается пакетом всего 45 Вт.

High-End процессор AMD: Athlon 64 X2 6000+

В качестве high-end процессора AMD для нашего проекта мы выбрали Athlon 64 X2 6000+. Хотя сегодня есть и модель 6400+ Black Edition, она не даёт ощутимо более высокой производительности (3,2 ГГц вместо 3,0 ГГц), да и AMD не предоставляет образцов этого процессора. 6000+ доступен в вариантах с тепловым пакетом на 125 и 89 Вт, наш образец был на 125 Вт. Все модели оснащаются двумя 1-Мбайт кэшами L2 и производятся по относительно старому 90-нм техпроцессу SOI вместо нового 65-нм.

[Воланд]

Платформа Intel: MSI P35 Neo

Материнская плата P35 Neo использует чипсет Intel P35, который сегодня является лучшим выбором для массового сегмента рынка, если нет потребности использовать две видеокарты. Северный мост поддерживает всего 16 линий PCI Express, которые обычно выводятся на один слот для видеокарты. Материнская плата довольно простая, поскольку она оснащена трёхфазным стабилизатором напряжения и не поддерживает такие функции для энтузиастов, как RAID на SATA/300 или оптические цифровые аудиовыходы. Но плата имеет основные компоненты и функции, включая приличные опции разгона. Большинство материнских плат на P35, подобно этой модели, смогут работать с грядущими 45-нм процессорами Intel Penryn, которые обновят текущую линейку Core 2 Duo.

"Бюджетный" процессор Intel: Pentium Dual Core E2160

Процессор Pentium Dual Core E2160 можно назвать нашим старым другом, поскольку он хорошо поработал в одном из тестовых компьютеров лаборатории. Мы смогли заставить работать 1,8-ГГц процессор на частотах до 3,2 ГГц, на которых он может конкурировать с Core 2 Duo на схожих частотах - но стоит ощутимо ниже.

High-End процессор Intel: Core 2 Duo E6850

Для high-end сегмента нам всё равно пришлось выбирать процессор Intel Core 2 Duo, поскольку он по-прежнему является лучшим выбором для данного ценового диапазона. По сравнению с 89- или 125-Вт процессорами Athlon 64 X2 6000+, эта 65-нм модель Intel оказывается быстрее, но и вписывается в тепловой пакет 65 Вт. E6850 оснащён 4 Мбайт кэша L2 и работает с FSB1333 на частоте ядра 3,0 ГГц. Даже старый E6750 (2,66 ГГц) способен работать на частоте до 4 ГГц, и мы получили результаты не хуже и с E6850.

[Воланд]

Тестовая конфигурация

[Воланд]

Результаты тестов

Все процессоры очень сильно нагревались, когда вентилятор кулера CPU выключался, а северный мост достигал температуры почти 70°C - даже больше, чем мы получали на радиаторе процессора. Тестовые системы располагались в открытом виде на столе, то есть принудительного воздушного обдува не было. Мы использовали штатные кулеры из комплекта коробочных версий и отключали вентилятор CPU как только начинали отдельные тесты.

[Воланд]

Заключение

Опираясь на наш предыдущий опыт с 3,6-ГГц процессором Pentium 4 (который включал в троттлинг при высокой нагрузке) и процессорами Athlon 1200 (которые просто сгорали при удалении кулера), мы решили провести современные дешёвые и дорогие процессоры AMD и Intel через стрессовый тест, отключив вентилятор, тем самым симулировав выход его из строя. Хотя все процессоры, за исключением high-end Athlon 64 X2, производятся по последним техпроцессам, большинство из них по-прежнему требуют должного охлаждения при работе над "тяжёлыми" задачами. Впрочем, следует отметить, что все четыре наши конфигурации вполне нормально и надёжно работали в режиме бездействия без вентилятора. Очевидно, что AMD и Intel провели немалую работу над снижением энергопотребления процессоров, если они ничего не делают.

Отключение питания от вентилятора кулера CPU является самым простым способом симуляции выхода из строя вентилятора. И из наших тестов мы смогли сделать любопытные заключения.

AMD Athlon 64 X2 6000+ (125-Вт модель) не смог завершить ни один из тестов после отключения вентилятора. Процессор выделят столь много энергии, что материнская плата или CPU через несколько минут посылают принудительный сигнал выключения. AMD Athlon X2 BE-2350 показал неплохой потенциал, выдержав отключение вентилятора кулера CPU в ряде тестах, тем более что тепловой пакет этого процессора составляет всего 45 Вт. Впрочем, и это не помогло, поскольку система на Athlon X2 BE-2350 смогла завершить только два из десяти тестов. Опять же, система выключалась через несколько минут после отсоединения питания вентилятора кулера CPU. Хотя бы выключалась она через больший промежуток времени... Процессор Intel Core 2 Duo E6850 тоже смог пройти через два из десяти тестов с нерабочим вентилятором кулера CPU. Этот результат определённо лучше Athlon 64 X2 6000+. Наконец, Pentium Dual Core E2160, дешёвый процессор с тепловым пакетом 65 Вт, смог успешно пройти через все десять тестов с выключенными вентилятором кулера CPU! По сравнению с 45-Вт процессором AMD Athlon X2 BE-2350, модель Intel не смогла добираться до заявленных максимальных 65 Вт, поскольку она бы тогда выключилась.

Процессор Pentium Dual Core E2160, на наш взгляд, обладает лучшей эффективностью энергопотребления, чем указано в его спецификациях, поскольку он обошёл прямого конкурента Athlon X2 BE-2350 в нашем тесте. Наш эксперимент доказывает, что вполне можно пассивно охлаждать двуядерный процессор среднего класса, если он не работает над самыми "тяжёлыми" приложениями. Впрочем, все high-end процессоры для стабильной своей работы на полной производительности требуют активного охлаждения с рабочим вентилятором.

Стырено с thg.ru