Minder verbruik, lawaai en warmte: undervolten

In je thuiskantoor wil je dat je IT-apparatuur je werkkamer zo min mogelijk laat opwarmen en ventilatoren niet langdurig op volle toeren draaien. Dat is te regelen: verlaag de spanning (undervolten).

Desktop-pc’s en laptops zetten het grootste deel van hun energieverbruik om in warmte. Dat varieert van minder dan vijf watt voor een laptop in idle tot enkele honderden watts voor een stevig uitgeruste gaming-pc onder volledige belasting. Werken op een lagere spanning – undervolting – helpt om de warmteproductie te verminderen en het lawaai te reduceren kan zelfs enkele euro’s per jaar besparen aan elektriciteitskosten.

Als in je thuiskantoor de gezins-pc staat te draaien of als de gaming-pc van de kids aan het zwoegen is, komt er aanzienlijk meer warmte vrij. Dat komt omdat er vaak oudere componenten in die pc’s zitten zonder geavanceerde energiebesparende functies of in de gamecomputer juist bijzonder krachtige componenten zitten die veel elektriciteit verbruiken.

Dat geldt vooral wanneer de pc productief wordt gebruikt en daadwerkelijk permanent onder hoge belasting moet werken – zoals bij videotranscodering of bij 3D-rendering, maar ook bij gaming. Dan kan zelfs een enkele pc een kleine werkkamer merkbaar opwarmen.

Maar de warmteafgifte zorgt voor nog meer problemen. Om te voorkomen dat die zich ophoopt, ventileren de ventilatoren de pc of laptop en houden ze de componenten koel genoeg. Hoe meer warmte er vrijkomt, des te sneller de ventilatoren draaien en des te luider en irritanter het lawaai wordt.

Voor veel pc’s en sommige laptops hoef je als remedie slechts een enkele BIOS-instelling aan te passen of een paar keer te klikken in een stuurprogramma of diep in een hulpprogramma. De meeste cpu’s en grafische chips draaien op een hogere kernspanning dan nodig is, omdat de fabrikanten ervoor willen zorgen dat alle chips de beloofde klokfrequenties bereiken. Helaas heb je niet bij alle pc’s toegang tot het BIOS of kan dit worden ingesteld op de gewenste instellingen.

Zelfs al spaart undervolting de pc-componenten eigenlijk, het is strikt genomen een gebruik buiten de specificaties, zodat in theorie zelfs de garantie vervalt. Daarnaast zijn tijdens het experimenteren om de maximale spanningsreductie te onderzoeken, crashes gebruikelijk.

Als je met undervolting werkt, zeker in het begin, werk dan niet zonder een vangnet – met andere woorden: zorg dat je een back-up van je bestanden maakt, bij voorkeur een complete image van de harde schijf of ssd. Of gebruik een aparte datadrager tijdens je experimenten. In het algemeen zijn computerprocessors met een nominaal energieverbruik van 35 tot meer dan 200 watt een goed uitgangspunt voor undervolting. Bij gaming-pc’s met hoogwaardige apparatuur kan het ook de moeite waard zijn om een blik te werpen op de grafische kaart.

Voor cpu’s zijn aanpassingen in de BIOS-set-up de methode bij uitstek, omdat dat werkt onafhankelijk van het gebruikte besturingssysteem en je de allereerste boottest kunt uitvoeren zonder dat er een harde schijf of ssd aangesloten hoeft te zijn. Voor dedicated grafische kaarten zijn hulpprogramma’s en stuurprogramma’s nodig. Dat werkt het beste onder Windows.

Meestal staan in het overklokmenu van het moederbord de gewenste aanpassingsmogelijkheden bij elkaar. Afhankelijk van de fabrikant heeft dat menu meer of minder melodieuze namen, zoals AI Tweaker bij Asus, M.I.T. of Tweaker bij Gigabyte en een verfrissend eenvoudig OC bij veel MSI-borden.
De letterlijk meest spannende functie die er is, is CPU Vcore of ook CPU Core Voltage. Die bepaalt welke spanning de processorkern als hoofdverbruiker geleverd krijgt. Hoe lager die is, des te minder warmte de processor produceert.

De optie die je wilt gebruiken is het instellen van een kleine marge via Offset. Dat is een vast getal dat wordt opgeteld of afgetrokken van de door de processor in de betreffende bedrijfstoestand via de Voltage ID gevraagde spanning. Om ervoor te zorgen dat het systeem zich ook aan die waarde houdt, moet je ook de Load Line Calibration (LLC) zo instellen dat de spanning onder belasting (Vdroop) niet nog verder afneemt. Of daar een hogere of lagere LLC-waarde voor nodig is, verschilt van moederbord tot moederbord.

Alleen een kijkje in de handleiding of de helpfunctie van het UEFI kan je daarbij helpen. Bij een Asus ProArt Z490 Creator 10G moesten we de LLC-waarde bijvoorbeeld op 7 zetten voor een stabiele spanning.  Omdat de cpu zowel de idle-toestand als de hoge kloksnelheid met single-core-turbo aan moet kunnen inclusief de offset, zijn de marges voor moderne Intel-processoren relatief beperkt met ongeveer 0,1 volt speelruimte.

Met een negatieve spannings-offset kun je de energiehonger van de processor onder belasting aanzienlijk afremmen. De computer loopt dan koeler en dus stiller.

AMD-cpu’s uit de Ryzen-serie konden bij de test een sterkere 0,15 volt daling aan, maar pasten vanaf het begin af aan ook een hogere spanning toe van meer dan 1,3 volt.  De krachtigste optie is de adaptieve variant met offset, maar dat wordt vooral interessant in combinatie met overklokken. Afhankelijk van je moederbord kun je een vaste waarde voor de spanning onder belasting instellen, om bijvoorbeeld veilig een bepaalde klokfrequentie te bereiken.

Tegelijkertijd vermindert de offset (die ook wordt toegepast op de afzonderlijk gespecificeerde belastingspanning) het energieverbruik in idle.
Begin met een offset van -0,05 volt en ga steeds een stukje verder omlaag. Controleer van tijd tot tijd de stabiliteit van de computer. Dat kun je het beste doen met programma’s die hun numerieke resul­taten op juistheid controleren – Prime95 met de Torture-test-instelling Small FFTs is daar net zo effectief voor als het berekenen van enkele miljarden decimalen van pi met het programma y-Cruncher. Als de computer stabiel loopt, verlaag je de spanning nog een stap.

Als de spanning te laag wordt en de computer niet meer opstart, neemt een BIOS-automatisme het meestal over en herstelt na enkele mislukte pogingen de laatste werkende toestand. In het ergste geval koppel je de computer los van de stroom en reset je het BIOS met behulp van een jumper.

Je kunt ook de BIOS-batterij verwijderen en dan zonder batterij meerdere malen op de powerknop drukken om de spanning van de condensatoren te ontladen en het BIOS naar de fabrieksstatus te dwingen.

Blijf op de hoogte van de nieuwste tips en reviews van nieuwe hardware!
Schrijf je in voor de nieuwsbrief:

In plaats van een enkelvoudige meting hebben we besloten om het resultaat van het undervolten te bepalen aan de hand van het energieverbruik bij een bepaalde taak. Daarvoor moesten de processoren de demoscène classroom berekenen met het renderingprogramma Blender 2.82. De energiemeter LMG-95 hield daarbij het aantal verbruikte watturen bij.

Op je eigen computer kun je met Windows 10 met bijvoorbeeld het programma HWInfo64 kijken wat het oplevert. Daarvoor klik je in het hoofdvenster op de knop Sensors, waarna zich een lange lijst van uitleesbare systeemsensoren opent. Daaronder bevindt zich de CPU Package Power (Intel) of de SoC Power voor AMD-systemen. Als je geen energiemeter voor de stekkerdoos hebt, installeer dan de tool XTU van Intel of Ryzen Master van AMD om een vergelijkbaar overzicht te krijgen.

Met de Extreme Tuning Utility van Intel kun je de spanningen van een Intel-processor veranderen zonder daarvoor het BIOS in te hoeven duiken.

Voor het berekenen van de classroom-scène had ons systeem met een Core i9-10900K met de fabrieksinstellingen 23,2 Wh in 7 minuten en 33 seconden nodig. Geoptimaliseerd met een offset van -0,1 volt was dat slechts 20,8 Wh (-10 procent). Daarbij was het systeem zelfs 13 seconden sneller klaar, omdat de processor zijn temperatuurafhankelijke turbo langer kon aanhouden door de lagere spanning en lagere warmteontwikkeling.

Een Ryzen 9 3950X had slechts 1,05 volt nodig om stabiel te draaien op 3,9 GHz, maar dat bespaarde ongeveer 15 procent ten opzichte van de fabrieksinstelling (12,1 Wh in plaats van 14,1 Wh). Het systeem was ook een paar seconden eerder klaar met het renderen van de scene dan zonder undervolting.

Grafische kaarten hebben ook een processor, die dezelfde principes als de cpu gebruikt. Het verlagen van de spanning vindt bij hen plaats via de driver of een tuning-utility. We hebben dat onder Windows 10 eens uitgeprobeerd. Als je een van de huidige Radeon-kaarten van AMD uit de serie RX-Vega of RX-5000 hebt, dan gaat dat het makkelijkst. In het driver-panel zit een knop voor de automatische undervolting.

Dat alleen al kan een paar watt vermogen besparen en de ventilatoren van de luide referentiekaarten beduidend langzamer en stiller laten lopen. In sommige gevallen worden de kaarten zelfs wat sneller, omdat ze hun kloksnelheid meestal verlagen wanneer de TDP-limiet bereikt wordt en dit gebeurt dan later of helemaal niet. Als je een oudere Radeon-kaart hebt zoals de RX 400/500 of hun voorgangers, moet je je toevlucht nemen tot een handmatige voltage­aanpassing.

Ondanks de naam werkt de tool MSI Afterburner met grafische kaarten van alle fabrikanten. Hij maakt het mogelijk om de curve te fixeren op een lager spanningspunt en daarmee het energieverbruik onder belasting aanzienlijk te verminderen.

Nvidia maakt het voor GeForce-gebruikers niet zo makkelijk, maar biedt in ieder geval API-toegang tot de benodigde driverfuncties. Daarom moet je een tuningtool installeren zoals MSI Afterburner, die ook werkt met kaarten van andere fabrikanten (het mee installeren van de RivaTuner Statistics Server kun je voor het doel van dit artikel annuleren).

Klik op het tandwiel in het midden en activeer de spanningscontrole en -bewaking met twee vinkjes bij ‘Geef voltage controle vrij’ en ‘Geef voltage toezicht vrij’ op het tabblad ‘Algemene instellingen’. Na een herstart kun je met Ctrl+F de spanningscurve van kaarten uit de GeForce 1000-serie direct naar boven bijstellen. Een klik op een van de kleine vakjes selecteert de juiste combinatie van spanning (X-as) en kloksnelheid (Y-as). In het begin is 0,9 volt een goede keuze gebleken, wat meestal overeenkomt met een waarde tussen 1700 en 1800 MHz.

Druk dan op de L-toets (voor lock) om die waarde vast te zetten. Door de Shift-toets ingedrukt te houden, kun je de volledige curve omhoog (OC) of omlaag bewegen, maar het is aan te raden om eerst slechts één variabele – spanning of frequentie – te wijzigen.  Controleer ook hier de stabiliteit. De Folding@home GPU-client is heel praktisch voor dat doel, omdat hij comfortabel op de achtergrond loopt en rekenfouten ten gevolge van lage spanningen herkent aan ongeldige work units.

Als je een geschikte combinatie van frequentie en spanning hebt gevonden en die stabiel is, moet je deze opslaan als profiel in Afterburner en laden wanneer dat nodig is. Want ook hier geldt: een vaste (maximale) spanning verhoogt het energieverbruik in de ruststand aanzienlijk. Als dat te lastig voor je is, kun je ook gewoon in het hoofdvenster van Afterburner de Power Limit in procenten veranderen – dat heeft alleen invloed als de grafische kaart zwaar belast is.

Als je je niet meteen vol in de BIOS­-tuning wilt storten, kun je ook gebruik maken van gedefinieerde prestatiesjablonen. Voor AMD-processors selecteer je een zogeheten cTDP die is opgeslagen in het BIOS, wat meestal 45 watt is voor 65W-modellen en 65 watt voor 95/105W-cpu’s. Dit kan wel performance kosten bij volledige belasting.

Intel heeft deze eenvoudige voorinstellingen niet, maar bij veel BIOS-set-ups kun je twee vermogenslimieten instellen op de watt nauwkeurig: PL1 en PL2 voor langere- en korte­termijnbelasting. PLTau of het Package Power Time Window bepaalt de duur.

AMD biedt op zijn website de Ryzen Master Tool voor Windows voor zijn Ryzen-­processors, en Intel heeft de XTU (eXtreme Tweak Utility) voor zijn processors als download klaar staan. Je kunt de boven genoemde instellingen daar ook mee wijzigen.  Hetzelfde geldt voor grafische GeForce- en Radeon-kaarten, waarvan de vermogenslimiet kan worden verlaagd of verhoogd met MSI Afterburner.

Met undervolting kan het energieverbruik van een pc merkbaar verlaagd worden. De spanningen voor processors kunnen bij veel BIOS-set-ups gemanipuleerd worden, maar bij een grafische kaart is meestal het gebruik van een tuningtool nodig.

Voor beide geldt dat je eerst even moet experimenteren om de juiste instellingen te vinden, waarbij crashes en freezes kunnen optreden. Als je computer eenmaal met undervolting werkt, werkt hij voortaan koeler, zuiniger en stiller.

(informatie afkomstig uit het artikel van Carsten Spille en Noud van Kruysbergen, c’t magazine 11/2020, p. 126)