Grundlagen des Übertaktens 2002 nobodyo@web.de (Rolf Freitag) Vers. 0.99 ========================== Grundsätzlich testen Herstellen einfach mit Rumprobieren aus, bis zu welcher Taktfrequenz die Bauteile (z. B. CPUs) funktionieren, denn je höher die Frequenz, desto höher der Verkaufspreis u. Gewinn. Aus Markttaktischen Gründen gibt es aber Ausnahmen von dieser Regel und dann werden z. B. 1000 MHz - CPUs als 933 MHz - CPUs verkauft. Den umgekehrt Fall gibt es aber auch, d. h. es wurden auch schon CPUs verkauft, die bei der Nominlafrequenz nur fehlerhaft funktionierten (z. B. der erste Pentium III 1133 MHz) - hier hat der Hersteller schon unzulässig starkt übertatktet. Damit die Bauteile auch zuverlässig funktionieren, gibt der Hersteller die zulässigen Parameter an, mit denen die Bauteile bei der die angegebenen Frequenz zuverlässig funktionieren (sog. save operating area). Dieser Bereich ist grosszügig bemessen, damit z. B. jede AGP-Graffikkarte in jeden PC mit AGP-Slot (u. kompatibler Versorgungsspannungs-Kodierung von Slot u. Karte) betrieben werden kann. Dadurch hat man Reserven die man zum Übertakten nutzen kann, die aber manchmal so knapp bemessen sind, dass sie nicht einmal eine 5% höhere Taktfrequenz zulassen. Allerdings kann man die Frequenz meistens deutlich weiter erhöhen; 12% sind fast immer möglich, 25-33% meistens machbar und selten auch 50% oder mehr machbar. Hierzu ein paar halbleiterphysikalische Vormerkungen: Bauteile wie CPUs bestehen überwiegend aus CMOS-Schaltungen und deren Strom-Verbrauch ist (in guter Näherung) proportional der Frequenz; d. h. eine Frequenz-Erhöung von 20% erhöht die Stromaufnahme um (rund) 20%. Die Stromaufnahme ist (in guter Näherung) propotional der Spannung; d. h. eine Strom-Erhöung von 20% erhöht die Stromaufnahme um (rund) 20%. Die Schaltgeschwindigkeit, also bis auf eine Konstante gleich die maximale Taktfrequeznz, ist bei CMOS-Schaltungen, in guter Näherung und bei Raumtemperatur, umgekehrt proportional der Temperatur (in Kelvin); beispielweise steigt die Schaltgeschwindigkeit beim Abkühlen von 65° auf -25° von (relativ) 0,9 auf 1,1 (also um 20%). Die Schaltgeschwindigkeit ist ziemlich genau Konstante/Spannung; d. h. bei 25% mehr Spannung kann auch 25% höher getaktet werden. Nun besteht nicht jede CPU/GPU usw. nur aus CMOS-Gatter und zudem verhalten auch CMOS-Gatter sich nicht immer gleich und bei einigen Schaltungen ist zusätzlich ein bestimmtes (relatives) Laufzeitverhalten erforderlich, das nur bei bestimmten Werten erreicht wird (z. B. Intel-Übertaktungsschutz mit PLL-Schaltung), aber übertakten kann man praktisch immer; manchmal nur wenig (3%) und manchmal viel (25% oder mehr). Das Haupproblem ist die Wärmeentwicklung durch den Leistungsverbrauch der Bauteile, denn letztlich wird die gesammte Leistung in Wärme umgesetzt; heizt also das Bauteil auf. Weil aber eine höhere Temperatur die Schaltgeschwindigkeit reduziert, muss deshalb zunächst für eine starke Kühlung gesorgt werden. Bis -25° sollte es keine Probleme geben, aber in flüssigem Stickstoff (-196°) funktionieren viele Bauelemente nicht mehr, weil deren Ladungsträgerdichte dann zu gering ist. Aus Kosten-, Stromverbauchs- und Vorkühlwartezeit-Gründen scheiden aber Flüssigkeits-Kühlungen oder Peltier-Külungen aus, denn wie oben beschrieben erreicht man durch Kühlen auf -25° gerade 20% mehr, hat dabei aber ca. 50% zusätzliche Stromaufnahme für die Kühlung. Hinzu kommt noch der erhelblich Aufwand für die thermische Isolation. Deshalb erreich man in gut gelüfteten Gehäusen mit üblichen guten Kühlern (aus Al oder Cu, mit Lüfter aktiv gekühlt u. mit Wärmeleitpaste wie Arctic Siver II oder III aufgesetzt u. fest angepresst und nicht schräg sitzend) eine Kühlung (des Bauelementinneren) auf ca. 40°. Gegenüber den meistens zuslässigen 125° hat man durch eine gute Kühlung also 85° "gewonnen" und kann dadurch eine 25% höhere Taktfrequenz nehmen (voraussgesetzt, bei 125° funktioniert das Bauteil noch gerade eben). Weil allerdings ein PC ab ca. 50° Raumtemperaur nicht mehr funktioniert und CPUs ab 80° nicht mehr funktionieren, reicht gute Kühlung meist nicht aus und man benötigt mehr Spannung. Bei Teilen wo dies nicht gemacht werden kann (i. d. R. Grafikkarte), ist deshalb meist nur 12% machbar. Bei Teilen wie CPUs ist meist mehr machbar, aber wegen der konstanten I/O-Spannung kann auch diese der Engpass sein. Erfahungsgemäss benötigt man bei CPUs für 20% mehr Takt bei stabilem Betrieb auch ca. 20% mehr Spannung. Weil die Leistungsaufnahme P aber proportional der Spannung (U), dem Strom (I) und der Frequenz (f) ist, steigt dabei aber die Leistungsaufnahme mit Konstante * f^3, also kubisch (mit der dritten Potenz). Bei 20% Übertakten ergibt sich also eine um ca. 73% erhöhte Leistungsaufnahme, die die CPU erwärmt. Diese Erwärmung begrenzt die mit Übertakten erzielbare Taktfrequenz. Begrenzend ist aber auch das Mainboard, die CPU-Version usw., denn es müssen ja auch Sachen wie das Signal-Timing auf dem Mainboard stabil funktionieren, aber meistens kann man die obigen Werte nehmen. Hardcore Overclocking ===================== Mit Hardcore Overclocking meine ich das grundlegende Übertakten, bei dem die Primären Oszillatoren übertaktet werden. Erreicht wird die durch Austausch der Quarze, als durch Austausch des Echtzeituhr-Quarz und des System-Quarzes. Beispielsweise habe ich bei einem Mainboard den 32768 Hz-Echtzeituhrquarz durch einen 36617 Hz-Quarz ersetzt und den 14,31818 MHz-Quarz durch einen 16,0 MHz-Quarz ersetzt. Dadurch ist das Mainboard um 12% übertaktet und Software wie Firmware kann dies nicht feststellen, weil das Frequenzverhältnis gleichgeblieben ist. Deshalb merkt auch das BIOS nichts davon. Hierdurch laufen z. B. Spiele lokal um 12% schneller. Wenn aber ein nicht übertakteter Server begrennzt, nützt es nur ein bischen. Konkret bedeutet es bei einem vom Server bestimmten Spiel z. B., dass der Client dem Server mitteilt, dass er sich schneller als erlaubt bewegt und der Server lässt dann nur das Limit zu, so dass man beim Client sieht, dass die Spielfigur anfanglich schneller als erlaubt fliegt, aber alle 5 m vom Server 1 m zurückgesetzt wird. Allerdings erreicht man mit einem übertakteten Client das Limit früher, weil die Werte mit eniem 12% schnelleren Timing vom Client kommen; es ist also ein winziger Vorteil. Der Vorteil ist winzig, weil man damit z. B. im Quake III nicht weiter springen kann! Weil die 12% aber Timing-Probleme mit IDE-Platten verursachen können und damit z. B. USB-Mäuse am onboard-USB-Bus nicht mehr funktionieren, sind 12% viel, aber 3% sind problemlos. Wenn auch der Onboard-Sound übertaktet ist, fallen die um 3% höheren Töne auch nicht auf (sofern man kein absolutes Gehör hat). Der einzige Nachteil (ausser der fehlenden Garantie für´s Mainboard) ist, dass die Uhren entsprechend schneller gehen, aber über Zeit-Server kann man das ständig korrigieren. Bei Grafikkarten ist das Hardcore Overclocking aber problemloser, denn dadurch werden GPU und Speicher gleichermassen übertaktet und 12% sind erfahrungsgemäss problemlos. Mit 12% erreicht man um 11% meher FPS, aber natürlich ist das Timing am Ausgang übertatktet; d. h. bei einer Nominal-Frequenz von 100 Hz hat man tatsächlich 112 Hz. Das kann Probleme mit dem Monitor geben; eine Schutz-Abschaltung des Monitors, so dass man nichts mehr sieht, ist dann lässtig. Aber bei einige hundert Euro teuren Grafikkarten noch 11% mehr FPS und Bildwiederholfrequenz (auch ohne GUI) mit einem 3 EUR billigen Quarz u. nur 10 Minuten Arbeit zu erreichen ist sehr effizient. Kühlen mit flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium (He4) ========================================================== In vielen Labors, insbesondere an Universitäten, wird auch mit flüssigem Stickstoff auf -196° (=77k) und mit flüssigem Helium auf -269° (4,2K) bis -271° (=1,9K) gekühlt. die 1,9 K können durch starkes Abpumpen noch unterschritten werden, so dass man bis 0,5 K (d. h. 0,5° über den absoluten Nullpunkt) kühlen kann, aber richtig stabil ist die Temperatur nur beim Siedepunkt (77 K bzw. 4,2 K). Der Lambdapunkt (1,9 K beim He) ist auch verwendbar, aber nicht so stabil. Prinzipiell ist aber der Lambdapunkt besser, weil das He ab diesem Punkt suprafluid ist und die Wärmeleitfähigkeit unendlich hoch ist. Deshalb siedet He unterhalb 1,9 K nicht, denn es können sich keine für das Kochen charakteristische Gasblasen bilden, weil die Temperaturgradienten im He Null sind, vorausgesetzt, die Suprafludidität wird nicht durch zu eine zu hohe Leistungsdichte zerstört. Beim starken Abkühlen zum Overklocken ist es aber so, dass stärkere Kühlung nicht immer eine höhere Taktfrequenz zulässt. Es ist sogar so, dass z. B. bei Infinion für Tests Speichermodule mit Luft auf +60° und -20° gebracht werden und einige wenige Module fallen nur bei -20° aus. Einfache CMOS-Schaltungen funktionieren aber noch in flüssigem Stickstoff und superhelle Leuchtdioden funktionieren auch meist noch in flüssigem He und auch bei 1,9 K (und können dort auch mit mind. dem doppelten Strom betrieben werden), aber schon einfache Fast-Logik-Schaltungen überleben das Abkühlen auf 77 K nicht und schon allein wegen den thermischen Verspannungen beim Abkühlen kaum ein Mainboard das Abkühlen auf 77 K überleben. Der Hintergrund, weshalb die Abkühlung bei Raumtemperatur überhaupt eine höhere Taktfrequenz zulässt ist vereinfacht folgender: die Ladungsträgerdichte in den Bauelementen ist nahezu Temperaturunabhängig bis ungefähr 77 K, während die Ladunsträgerbeweglichkeit mit sinkender Temperatur bis zu einem Maximum bei ungefähr 150 K ansteigt. Die Werte sind natürlich Bauelement-abhängig und variieren in ICs von Transistor zu Transistor. Weil aber Schaltgeschwindigkeit und Leitfähigkeit proportional der Landungsträgerbeweglichkeit sind, könnte man durch ein Abkühlen auf ca. 150 K die die Taktfrequenz fast verdoppeln, aber unterhalb von ca. 150 K ist weiteres Abkühlen kontraproduktiv! Beispielsweise wird für eine superhelle Leuchtdiode bei 1,9 K eine rund 5 mal höhere Betriebsspannung als bei Raumtemperatur (300K) benötigt. Deshalb, und auch aus Kostengründen, werden in Supercomputern und speziellen PCs nur selten Flüssigkeitskühlungen mit verflüssigen Gasen verwendet und selbst wenn, dann bei "nur" -20°. Bild (quarze2.jpg) ================== Bei dem Bild sind einige Overclocker-Quarze: 36,617 kHz und 33,746 kHz als Ersatz für den Echtzeituhr-Quarz (32,768 kHz) sowie 16,0 MHz und 14,7456 MHz als Ersatz für den Systemtakt-Quarz (14,31818 MHz, egal ob Mainboard oder Grafikkarte). Die MHz-Quarze sind Standard-Typen (von RS, Farnell u. a.) und die kHz-Quarze sind Spezial-Anfertigungen (von Quarz-Technik, 54543 Daun, quarz-technik@t-online.de).