Processor snelheid opvoeren: trucs van moederbord-fabrikanten

AMD en Intel geven in hun specificaties aan hoeveel energie een processor maximaal mag verbruiken. Daarmee kunnen bijvoorbeeld een passende koeler en voeding worden geselecteerd. Maar veel moederbordfabrikanten gaan daar redelijk creatief mee om, waardoor moderne cpu’s onnodig veel energie vreten. Op die manier kunnen ze wel de processor snelheid opvoeren.

Om ervoor te zorgen dat onze pc-bouwvoorstellen (zie c’t uitgave 3/2019 en deze tips voor zelfbouw) bij lezers net zo stil en efficiënt werken als bij ons, publiceren we ook de door ons aanbevolen BIOS-instellingen. Bij de Intel- en Ryzen-allrounder gaat het dan bijvoorbeeld om de zogeheten Power ­Limits voor de processor. Misschien vraag je je af waar die instellingen goed voor zijn.

Zonder die instellingen zouden de processors bij belasting veel meer energie verbruiken dan de cpu-fabrikanten Intel en AMD in hun technische documenten hebben gespecificeerd. Daardoor worden de chips duidelijk warmer, moeten de ventilatoren sneller draaien en maken de pc’s meer geluid.

In het ergste geval kunnen de koeling of de voeding het niet aan, waardoor de processor omlaag klokt en trager gaat werken of het systeem zelfs crasht.

Het is eigenlijk de taak van een moederbordfabrikant om de juiste limieten in de firmware vast te leggen.

Maar bij bijna elke moederbordentest die we de afgelopen jaren deden, waren er meerdere modellen waarbij de specificaties van Intel en AMD genegeerd werden. Bij een LGA2066-moederbord voor Core X-processors werd bijvoorbeeld de overspanningsbeveiliging geactiveerd van de gebruikte 300W-voeding.

In plaats van de verwachtte 140 watt verbruikte de Core i9-7900X bij alle vier de moederborden 250 watt bij maximale belasting. Dat speelt ook bij de populaire platformen AM4 voor AMD Ryzen en LGA1151v2 voor Intels recente achtste en negende generatie Core i-processors.

Voor een beter begrip van hoe de kloksnelheid en het energiebeheer bij moderne processors werken, moeten we eerst enkele begrippen verduidelijken zoals Thermal Design Power, Power Limit, Package Power, nominale en turbokloksnelheid.

Om de juiste capaciteit te kiezen voor de koeling en voeding, maar ook voor de spanningsregelaars en spanningsrails op het moederbord, is het belangrijkste kernbegrip de zogeheten Thermal Design Power, kortweg TDP.

Intel definieert de Thermal Design Power als de maximale ononderbroken energieopname, die doorslaggevend is voor de capaciteit van het koelsysteem. Core i- en Ryzen-processors mogen die waarde gedurende een korte tijd overschrijden. Om daarbij te voorkomen dat hardwarefabrikanten voor elke processor een andere koeler moeten ontwikkelen, delen AMD en Intel ze sinds een jaar of 15 in TDP-klassen in. Gangbare waarden zijn bijvoorbeeld 35, 65 en 95 watt (zie onderstaande de tabel).

De Power Limit is een door het moederbord geregelde waarde die aangeeft hoeveel energie een processor maximaal mag gebruiken. In tegenstelling tot bij AMD zijn er bij Intel twee verschillende waarden. Power Limit 1 (PL1) is hetzelfde als de TDP, bijvoorbeeld 95 watt bij een Core i9-9900K.

Gedurende een tijdsduur van 8 seconden, die Intel de Turbo Time Parameter (PLTau) noemt, geldt de Power Limit 2. Zo lang mag de processor het 1,25-voudige van de TDP (oftewel PL1) verbruiken, in dit geval dus 118 watt. Dat kan in de praktijk omdat het even duurt voordat het koellichaam op de processor echt opwarmt. Intel gebruikt die opnamecapaciteit voor warmte doel­gericht voor een kortdurende, snellere turbo. Omdat veel taken op een pc slechts enkele seconden duren, zoals het weergeven van een website, krijg je zo een aardige boost van de prestaties.

De Package Power geeft het daadwerkelijke energieverbruik van de complete processor aan, dus inclusief de processor­kernen, geheugencontroller en PCI Express root-hub.
Je kunt al die waarden makkelijk uitlezen met de overkloksoftware Extreme Tuning Utility (XTU) van Intel, die werkt met de meeste Intel-moederborden.

De Power Limit 1 heet in deze software Turbo Boost Power Max, Power Limit 2 is hetzelfde als Turbo Boost Short Power Max en PLTau staat gelijk aan Turbo Boost Power Time Window.

De AMD Ryzen Master Tool laat voor Ryzen 2000-systemen de Power Limit zien bij de optie PPT(CPU). De actuele Package Power kun je onder andere uitlezen met de diagnostische tool HW-Info.

Verloop kloksnelheid bij goed ingestelde Power Limits bij een Core i9-9900K. De TDP van 95 watt mag 8 seconden lang met 25 procent overschreden worden.

De Power Limits beïnvloeden rechtstreeks de klokfrequentie en daarmee de performance van processors. In feite garanderen AMD en Intel alleen een nominale klok­frequentie. Die is bijvoorbeeld 3,6 GHz voor de Core i9-9900K. Zolang de processor Power Limit 1 niet overschrijdt of gedurende een tijdsduur van 8 seconden niet hoger komt dan Power Limit 2, mag hij dankzij Turbo Boost 2.0 een veel hogere klokfrequentie gebruiken.

Bij belasting van een enkele kern mag dat tot 5 GHz zijn. Worden alle acht de kernen belast, dan staat Intel maximaal 4,7 GHz toe. In de praktijk hangt de behaalde klokfrequentie af van de toepassing. Bij het comprimeren van bestanden met 7-Zip werkte de Core i9-9900K bijvoorbeeld met een maximale turbo van 4,7 GHz.

Bij het zoeken naar priemgetallen met de software Prime95, met gebruikmaking van zwaar geoptimaliseerde AVX2-code, kwam de klokfrequentie uiteindelijk uit op ongeveer 3,8 GHz, wat maar 200 MHz boven de nominale klokfrequentie ligt. De Package Power bedroeg in beide gevallen 95 watt.

Bij AMD werkt de turbo net even anders. Ten eerste is er slechts een enkele Power Limit, ten tweede zijn er sinds de Ryzen 2000 geen vaste stappen meer bij de turbosnelheden.

Al naargelang het aantal gebruikte kernen en hun belasting, mag de processor zijn klokfrequentie verhogen tot het maximum – zolang er nog thermische speling is en de afremtemperatuur niet bereikt is.

Voor de Ryzen 5 2600 geeft AMD bijvoorbeeld een nominale klokfrequentie van 3,4 GHz en een turbosnelheid van 3,9 GHz. Bij Prime95 werkte de CPU op 3,6 GHz, met het minder veeleisende 7-Zip was dat 3,65 GHz.

De kleinere toename van de klokfrequentie bij de turbo in vergelijking met Intel hangt samen met een compleet andere opbouw van de processors.

In de Core i9-9900K werken twee 256-bit brede AVX2-eenheden, terwijl de Ryzen-processors voor 256-bit brede AVX2-berekeningen hun twee 128-bit floatingpoint-units laten samenwerken.

Per kloktik is Ryzen bij AVX2 dan ook maar half zo snel. Daarom verbruiken Intel-processors bij AVX2-berekeningen meer energie en kunnen ze daarbij niet zo hoog worden geklokt omdat er geen thermisch budget voor is.

Verloop kloksnelheid zonder goede Power Limits bij een Core i9-9900K. Het moederbord hanteert een fictieve, te hoge power limit van 255 watt en de cpu wordt veel warmer.

Vooral dure overklokmoederborden voor de high-end chipsets Z370, Z390 en X299 voor Core i en X470 voor Ryzen houden zich vaak niet aan de specificaties van de processorfabrikanten. Die zijn echter niet in steen gebeiteld en processorfabrikanten staan het toe om de Power Limits te wijzigen. Maar die mogelijkheid is eigenlijk bestemd voor pc-fabrikanten en systeem­bouwers. Die kunnen daarmee bijvoorbeeld complete overklokte systemen aanbieden die met extra krachtige waterkoeling­systemen zijn uitgerust.

In die gevallen zorgt de pc-fabrikant er echter voor dat het toegenomen energie­verbruik van de processor ook wordt opgevangen met een bijpassende sterkere koeler en een krachtigere voeding. De fabrikant is er ook verantwoordelijk voor dat het complete systeem in die samenstelling functioneert.

De koeler moet afgestemd zijn op de TDP van de processor. Die kan echter door (verkeerde) instellingen op het moederbord worden overschreden, waardoor de koeling niet voldoet.

Bij het zelf bouwen is er echter niemand anders verantwoordelijk dan de bouwer zelf. Bij het samenstellen van een systeem houd je er zeer waarschijnlijk geen rekening mee dat de processor in plaats van de opgegeven 95 watt TDP in de praktijk zo maar even 70 procent meer zou kunnen verbruiken.

In combinatie met een krachtige grafische kaart kan de door jou uitgekozen 300- of 350-watt voeding daardoor makkelijk overbelast worden.

Het neveneffect daarvan is dat moederborden waarbij de fabrikant het niet zo nauw neemt met de specificaties, bij vergelijkende benchmarks een paar procent beter scoren. Maar dat beter scoren werkt alleen zolang de koeling dat aankan. Zo konden we door het goed instellen van de Power Limits bij een Core X-moederbord de prestaties met een Core i7-7900X verhogen van 326 naar 611 GFLOP’s bij de supercomputerbenchmark Linpack.

Tegelijkertijd zakte toen het energieverbruik behoorlijk van 290 naar 218 watt. Met de onjuiste standaardinstellingen van het BIOS werd de processor ondanks de waterkoeling veel te heet, waardoor hij terugklokte en maar op halve kracht presteerde.

We zouden graag zien dat de moederbordfabrikanten hun producten zo leveren dat ze standaard werken volgens de specificaties van de processorfabrikanten.

Voor degenen die willen overklokken, kunnen er opties in het BIOS zijn ingebouwd die bijvoorbeeld de Power ­Limits verhogen. Bij problemen is dan niet de gewone gebruiker het slachtoffer, die misschien niet op het idee komt dat de processor veel te veel energie vreet.

Het is natuurlijk ook in het belang van AMD en Intel zelf om druk uit te oefenen op moeder­bordfabrikanten als Asus, Asrock, Giga­byte en MSI om zich aan de specificaties te houden.  Want een gebruiker zal uiteindelijk de schuld vaak niet bij het moederbord leggen, maar de oververhitte Core i9-9900K of Ryzen 7 2700X verantwoordelijk houden.

Als een moederbord bij de BIOS-set-up geen enkele mogelijkheid biedt om de Power Limits aan te passen, kun je de correcte waarden ook onder Windows instellen.

Dat kan met de overkloktools van de processorfabrikant. Dat zijn XTU (voor Intel) en Ryzen Master. De juiste instellingen worden als profiel opgeslagen en dan bij elke systeemstart geladen.

(Christian Hirsch, c’t magazine)