Ryzen 3000 overklokken in de praktijk

Voor de 3e generatie Ryzen-processors heeft AMD nieuwe overklok-modi aan zijn overkloksoftware toegevoegd. Die software heb je nodig omdat niet meer iedere cpu-core in dezelfde mate kan overklokken.

Ryzen 3000-processors werken dankzij verbeterde compute-units en kleinere structuurgroottes sneller en efficiënter dan de voorgaande Ryzen 2000-serie, en dan Intels huidige cpu’s uit de Core i9000-serie. Alle Ryzen 3000-cpu’s kun je ook nog eens overklokken, voor als je nog meer performance nodig hebt. Je moet dan wel een AM4-­moederbord met B450-, X470- of X570-chipset hebben. Op oudere B350- en X370-boards werkt het overklokken slechts beperkt en bij de budget A320-chipset blokkeert AMD het overklokken helemaal.

Op het moment van onze test zijn er verschillende Ryzen 3000-processors met zes, acht, en twaalf cores verkrijgbaar. Voor de tests hebben we de qua prijs-prestatieverhouding beste processors gekozen: een Ryzen 5 3600 met zes, Ryzen 7 3700X met acht en Ryzen 9 3900X met twaalf cores. Als testplatform diende het X570-moederbord Gigabyte X570 Aorus Master  met 16 GB DDR4 3200-RAM en een grafische kaart van het type Nvidia GeForce GT 1030. Om uit te sluiten dat de processors oververhit raken en hun kloksnelheid en performance daarom omlaag schroeven, hebben we de cpu’s voorzien van een stevige waterkoeling met twee krachtige ventilators van 12 cm.

De Ryzen 5 3600 en Ryzen 7 3700X hebben een ­Thermal Design Power (TDP) van 65 watt. In de praktijk geeft AMD ze echter iets meer speelruimte, want ze mogen van het moederbord maximaal 88 watt vragen. Bij de 105W-Ryzen 9 3900X bedraagt de ook wel Package Power Tracking (PPT) genoemde limiet 142 watt. Ook als je geen behoefte aan overklokken hebt, moet je bij het bouwen van een Ryzen-­computer daarom op een bijpassend krachtige koeler letten. Anders loop je het risico dat de processortemperatuur de bovengrens van 95 °C aantikt en zijn ­turbo niet meer volledig gebruikt. Verder zijn er nog ­grenswaarden voor de stroomsterkte (Thermal Design Current, TDC) en stroompieken (Electrical Design Current, EDC), die de spanningsomvormers op het moederbord moeten beschermen.

De maximale turboklokfrequentie van de Ryzen 9 3900X bedraagt 4,6 GHz. Maar een garantie op die boost heb je in tegenstelling tot de basisfrequentie van 3,8 GHz niet. Hoe hoog de processor onder belasting klokt, hangt behalve van de gebruikte koeler ook nog van andere factoren af. Denk aan dingen als hoeveel cores een toepassing gebruikt en of er bijvoorbeeld veeleisende AVX-code (Advanced Vector Extensions) gebruikt wordt, die de cores veel sterker belast dan eenvoudige integer-berekeningen. Die vector­instructies worden onder andere gebruikt door moderne renderingprogramma’s als Blender en Cinema 4D. Wanneer de cpu tegen een van de drie genoemde grenswaarden aanloopt, reduceren de Ryzen 3000-­processors hun kloksnelheid. Die dynamische aanpassing gebeurt 1000 maal per seconde, zodat zonder vertraging altijd de maximaal moge­lijke performance in te schakelen is.

Omdat er bij de Ryzen 3000 geen vaste turbo­trappen zijn, hebben we op de Ryzen 9 3900X met Prime95 een belasting van 1 tot 24 threads aangemaakt en steeds de frequentie van de actieve cores gemeten. Bij maximaal twee Prime95-threads klokte de cpu op circa 4,5 GHz. Vervolgens ging bij iedere nieuwe thread de frequentie omlaag omdat de cpu de toegestane 140 ampère al voor de stroompieken (EDC) nodig had. De kloksnelheid lag bij een belasting met 7 tot 11 threads op ongeveer 4,2 GHz. Vanaf 12 threads bedroeg hij nog circa 4,05 GHz, omdat er geen fysieke core meer exclusief voor iedere thread beschikbaar was. Met een belasting op 20 tot 24 logische cores kwam de frequentie net onder de 3,9 GHz, omdat de Ryzen 9 3900X daarbij zijn PPT-budget van 142 watt volledig benutte.

Bij de Ryzen 3000 is er bovendien een essentiële verandering in het frequentiegedrag, want niet iedere core kan de maximale boostfrequentie halen. Daarom zijn de afzonderlijke cores door AMD van een ranking voorzien, die je bijvoorbeeld met de overklok-tool Ryzen Master kunt uitlezen. Om te ontdekken op welke kloksnelheid de cores in niet-overklokte toestand lopen, hebben we ze na elkaar afzonderlijk belast. Terwijl de zes cores van de eerste CCD tussen 4,525 en 4,575 GHz haalden, bleven de maxi­male klokfrequenties van de tweede CCD met 4,350 en 4,400 GHz daar gemiddeld 175 MHz onder. AMD combineert bij de 12-core dus halfgeleider-dies van verschillende kwaliteit. In de praktijk is daar nauwelijks iets van te merken, omdat de verbeterde scheduler van Windows 10 1903 samen met de chipset-driver van AMD lopende threads met voorrang aan de snelste kernen toewijst.

Het programma Ryzen Master van AMD laat niet alleen de actuele klokfrequenties van Ryzen-processors zien, maar ook hoe sterk de processor de spanningsomvormers op het moederbord belast.

De bij de vorige processors ingevoerde overklok­functie Precision Boost Overdrive (PBO) zit ook in ­Ryzen 3000 – alleen werkt die een beetje anders dan tot nu toe. In tegenstelling tot bij Ryzen 2000, waar de processor met Precision Boost Overdrive niet ­hoger klokt dan de stroom- en performancegrenzen toestaan, is PBO bij Ryzen 3000 beperkt tot de maximale boostfrequentie. De performancewinst is daarom te overzien. Bij onze exemplaren van de Ryzen 5 3600, Ryzen 7 3700X en Ryzen 9 3900X was dat bij de rendering-benchmark Cinebench R20 slechts 0,3 tot 2,2 procent. Om PBO te activeren, moet je eerst controleren of het in de BIOS-set-up vrijgeschakeld is, en vervolgens de Ryzen Master-software van de AMD-­website down­loaden en installeren.

Als nieuwe overklokmodus biedt AMD nu het zogenaamde ‘auto overclocking’ aan. Dat werkt precies zoals PBO, maar de maximale frequentie is vrij instelbaar tot 200 MHz boven de maximale boost-­frequentie. Maar ook daar was de performancebonus met 0,7 tot 3,1 procent nog net meetbaar, maar volstrekt niet merkbaar.

Als alternatief bestaat er bij Ryzen 3000 de mogelijkheid om de processor volledig handmatig te overklokken. De Ryzen Master-tool staat toe de klok­frequentie van iedere core afzonderlijk te manipuleren, per groep van aparte CCX-en en CCD’s of gemeenschappelijk van alle cpu-kernen. Bij de door ons geteste Ryzen 3000-processors met zes, acht en twaalf cores was het steeds bij 4,25 GHz afge­lopen. Door de fijne 7nm-structuren wilden we de core-­spanning niet meer dan 1,5 volt verhogen. Daarmee liepen de Ryzen 7 3700X en Ryzen 9 3900X zo’n 5 procent sneller dan zonder overklokken – maar wel ten koste van een 20 tot 30 procent hoger energie­verbruik bij volledige belasting. Bovendien daalde de singlethread-performance door de dan niet meer functionerende turbo met twee (3700X) respectievelijk zes procent (3900X). De 6-core Ryzen 5 3600 liep twee procent sneller, bij een verbruiksstijging van 11 procent.

Resultaten overklokken Ryzen 9 3900X, verschillende modi vergeleken

Klik op de tabel voor een vergroting (in PDF-formaat).

Bij veel Ryzen-moederborden kun je in de BIOS-set-up de Thermal Design Power (TDP) reduceren, zodat de processor onder belasting wat lang­zamer loopt, maar ook veel minder spanning en energie verlangt. Bij de huidige versie van Ryzen Master werkt dat met een druk op de knop. In de Eco-modus worden na een herstart van de computer de 95- en 105W-versies van de Ryzen 3000-processors omgetoverd in een 65W-cpu. Bij de 65W-chips gelden de begrenzingen voor een TDP van 45 watt.

De beperkingen hebben uitsluitend betrekking op het opgenomen vermogen en performance bij multithread-toepassingen. De testsystemen met Ryzen 5 3600 en Ryzen 7 3700X verbruikten in de Eco-modus 25 procent minder en verloren 7 respectievelijk 9 procent performance. Bij de 12-core Ryzen 9 3900X, die van 105 naar 65 watt TDP terugvalt, vermindert de energiebehoefte met een derde. Zijn performance is dan 10 procent minder.

Bij Ryzen 3000 was er een update voor de RAM-controller. Als er maar één module per geheugenkanaal is aangesloten, staat AMD nu DDR4-3200 toe in plaats van DDR4-2933. Snellere modules met XMP-profiel vallen onder het overklokken.

Daarvoor heeft AMD bij Ryzen 3000 een nieuw klokdomein ingevoerd. Tot DDR4-3600 (1800 MHz) werken geheugen, geheugencontroller en de cpu-interne verbinding Infinity Fabric met identieke frequentie. Bij een sneller RAM loopt de geheugencontroller nog maar op de halve snelheid van het geheugen en de Infinity Fabric vast op 1800 MHz. Daarom stegen de latentietijden bij onze test bij het adresseren van het geheugen van 53 naar 61 nanoseconden toen we wisselden van DDR4-3600 naar DDR4-3666. Daardoor daalde de performance bij enkele toepassingen en games.

De interne opbouw van de Ryzen 3000-processors met zes en acht cores verschilt van die met twaalf en zestien cores, wat gevolgen heeft voor de snelheid van het geheugen. In één klokcyclus verplaatst Infinity Fabric 32 bytes van de I/O-die, waar de RAM-controller op zit, naar de Cpu Core Die (CCD). Bij een kloksnelheid van 1600 MHz (DDR4-3200) komt dat met circa 48 GB/s overeen met de doorvoer van de twee RAM-kanalen. In omgekeerde richting is dat maar 16 bytes. Daarom bedraagt de schrijf­snelheid slechts 24 GB/s. In de praktijk maakt dat voor de performance niets uit, omdat er veel minder data naar het RAM geschreven dan er gelezen worden. Bij de Ryzen 9 3900X met 12 cores hangen aan de I/O-die twee CCD’s, die per cyclus 2 × 16 bytes in de richting van het RAM kunnen schuiven. Daarom halen die twee cpu’s ook bij het schrijven de leessnelheid van 48 GB/s.

Klokdomeinen bij AMD Ryzen 3000

Bij de derde generatie Ryzen-processors zijn er meerdere klokdomeinen voor de I/O-Hub (ICLK), Infinity Fabric (FCLK), geheugencontroller (UCLK) en geheugenmodules (MemCLK). De Fabric en de geheugencontroller werken synchroon met de RAM-frequentie, bijvoorbeeld 1600 MHz bij DDR4-3200. Vanaf een RAM-frequentie van 1800 MHz (DDR4-3600) klokt Infinity Fabric vast op 1800 MHz en loopt de geheugencontroller nog maar op de halve RAM-frequentie.

AMD laat de 7nm-processors van huis uit al vrijwel tot aan hun grenzen presteren. Dat kan dankzij een vernuftige turbo, de vernieuwde Windows 10-scheduler en de snellere klokaansturing van Ryzen 3000. Die mechanismen houden onder andere rekening met de verschillen in kwaliteit van de dies.

Daarom kun je zowel via de automatische overklokfuncties als met handmatig overklokken maar weinig extra performance aan de nieuwe Ryzen-­processors ontlokken. Maar je kunt dat ook van de positieve kant zien, want bij gebruik conform de specificatie krijg je van AMD al vrijwel het onderste uit de kan.

(Christian Hirsch en Noud van Kruysbergen, c’t magazine)