A travers ce petit dossier, je vais tenter de mettre en évidence les phénomènes qui influent sur la propention à l'overclocking d'un processeur. Je vais également décrire certains éléments qui concernent et jouent sur l'overclocking.
-De quoi est composé un processeur?Basiquement on peut dire qu'il est composé d'une plaque de Silicum, appellée Wafer.
Le Silicium, noté Si dans le tableau périodiques des éléments, à été découvert scientifiquement en 1823 par Jöns Jacob Berzelius. Après l'oxygène c'est l'élément chimique le plus abondant sur la Terre.
C'est aujourd'hui un élement essentiel en électronique du fait de ses caractéristiques, il est en effet, l'un des meilleurs semi-conducteur.
Il est contenu dans le sable quartzeux (dioxyde de silicium, déjà connu depuis l'antiquité, la silice), et l'on en extrait sous une forme pure entre 96% et 99.99999% en le chauffant à de très hautes températures (de l'ordre de 1700°c environ).
Cependant dans l'utilisation qu'en fait l'electronique, et notamment notre utilisation, le silicium extrait de ce traitement ne doit pas contenir plus d'une impureté pour mille milliards (10^12 ) d'atome de Si
Il subit donc plusieurs traitements, et on obitent du Silicochloroforme.On fusionne ensuite ce Silicochloroforme pour obtenir des barres de Silicium.
C'est de ces barres de Silicium que l'on fabrique les Wafers de nos processeurs. La fabrication d'un Wafer est composé de plusieurs étapes succésives, laborieuses et couteuses, de par leurs nombres et leurs complexités.
Toutes ces opérations entrainent une marge d'érreur et de différences. C'est ce qui explique la différences entre les séries du processeurs, et que certaines d'entre elles seraient plus ou moins propices à l'overclocking. Les différences entre les Wafers permettent d'élaborer des processeurs plus ou moins performants (en prenant pour base qu'un processeur plus rapide sera plus performant, ce qui dans la réalité ne sera pas forcement vrai) en fonction de la pureté de celui-ci.
-Qu'est ce qui fait augmenter la température d'un processeur?Le premier facteur qui influe sur la température, c'est la fréquence. Contrairement à ce que l'on peut croire, le fait d'augmenter la fréquence du processeur augmente la température de fonctionnement de celui-ci.
Pour comprendre pourquoi, il faut savoir que le TDP (Thermal Design Power ) est calculable grace à une formule, cette formule contient une constante propre à chaque processeur, le coefficient d'ajustement.
Si on connait la fréquence, la tension et le TDP d'un processeur, on peut le calculer.
Soit :
P : La puissance à dissiper
V : La tension
f : La fréquence
k : Le coefficient d'ajustement
La formule pour trouver le coefficient d'ajustement.
On peut donc en déduire que :
Prenons un exemple concret.
Un processeur cadencé a 2400 mhz, ayant un TDP de 60 watts et une tension d'origine de 1.4v.
Si on le compare à un autre processeur, dont les caractéristiques seront les mêmes hormis la fréquence, 2200 mhz par exemple, on calcule un coefficient d'ajustement différent pour ces deux processeurs.
-Processeur 1 :k1 = P/(V²*f)
k1 = 60/(1.4²*2400)
k1 = 0,012755102040816326530612244897959
-Processeur 2 :k2 = P/(V²*f)
k2 = 60/(1.4²*2200)
k2 = 0,013914656771799628942486085343228
On observe que le coeffcient d'ajustement du processeur 2 est plus élevé que celui du processeur 1.
Voyons maintenant ce qui se passe dans plusieurs cas commun d'overclocking.
Overclocking cas N°1. Augmentation de la fréquence de 500 mhz.Par calcul,
P = (f+500)*V²*k
le processeur 1 developpe ~ 72.49 watts
le processeur 2 developpe ~ 73.63 watts
Obervations : On peut remarquer que la tension n'a pas été modifiée, et que pourtant les processeurs dissipent plus de watts. La température va donc augmenter.
Overclocking cas N°2. Augmentation de la fréquence de 500 mhz et de la tension de 0.2v.Par calcul,
P = (f+500)*(V+0.2)²*k
le processeur 1 developpe ~ 94.69 watts
le processeur 2 developpe ~ 96.17 watts
Obervations : On peut remarquer que le processeur avec le plus faible coefficient d'ajustement dissipe moins. Et ce, malgré que sa fréquence de fonctionnement soit plus élevée. Note retiens ici l'importance de k.
Overclocking cas N°3. Augmentation des deux processeurs à une fréquence de 3000 mhz avec une tension de 0.3v.Par calcul,
P1 = (f+600)*(V+0.3)²*k
P2 = (f+800)*(V+0.3)²*k
le processeur 1 developpe ~ 110.58 watts
le processeur 2 developpe ~ 120.17 watts
Obervations : On note un écart de 10 watts entre ces deux processeurs a fréquences/tensions égales. On peut en déduire, que plus l'écart entre les coefficients d'ajustement ( et donc écart de fréquence, mais pas de tension et TDP d'origine) sera grand, plus l'écart à overclocking égal sera grand.
Un processeur fortement overclocké consommera toujours plus qu'un processeur peu overclocké, a fréquence/tension égales, c'est ce qui nous intéressera pas la suite.
-Pourquoi la température augmente, et pourquoi faut-il se munir un système de refroidissement performant?Chaque système de refroidissement dans notre utilisation aura une résistance thermique.
La résistance thermique se note °C/W, le design et la composition de notre système de refroidissement déterminera sa résistance thermique. Plus elle est basse et meilleur le refroidissement sera. C'est sa capacité à dissiper les watts produit par le processeur, et plus précisement, à rapprocher sa température de la température ambiante. Soit x°C/W augmentation de x°C par watt dissipé.
On note que les matériaux élémentaires ont une conductivité thermique plus ou moins élevée.
Soit 401 W/(m*K) (watt par metre-Kelvin) pour le Cuivre, 429 W/(m*K) pour l'Argent, et 237 W/(m*K) pour l'Aluminium, ces valeurs sont données a 20°c. Plus cette valeur est élevée, plus le matériau est conducteur thermiquement.
Notons également que les valeurs si dessus varient en fonction de la température et de l'humidité, et que la conductivité thermique est directement en rapport avec la conductivité électrique, par exemple, la conductivité d'un diamant est proche du nul.
A design similaire un ventirad en Cuivre sera plus éfficace qu'un ventirad en Aluminiu.
Deux points :
-On n'utilise pas de l'argent, ou du diamant (entre 895-2300 W/(m*K), car ils sont beaucoup trop chers, et que leurs propritétés, bien que fortement intéréssantes, ne permettrait pas de bien meilleurs résultats que ceux obtenus avec le cuivre. Rappelons que le facteur limitant est la température de l'air ambiant.
-Le ventilateur qui souffle sur le radiateur, de watercooling, ou du ventirad, est également un facteur important. Sa capacité a renouveller l'air à la surface de l'échangeur est un facteur déterminant dans la capacité de celui-ci à évacuer la chaleur. Il faut aussi savoir que lorsque la vitesse de l'air augmente, il se refroidi.
Dans un système donné, la résistance thermique est défini par la température ambiante et la température du processeur, et sa charge à dissiper.
Pour un système dont la résistance thermique est de 0.15°C/W, avec une température ambiante de 20°c et un 60 watts a dissiper, on aura une température de 9°c au dessus de la température ambiante,
soit 29°c, soit (0.15*60)+20 = 29.
Avec une charge de 100 W, on obtient 35°c, mais en tentant de dissiper cette meme charge avec un système moitié moins performant, disons dont la résistance thermique est de 0.30°C/W, on obtient 50°C. Cela s'emballe vite en été, avec une température ambiante de 32°c par exemple, cela nous donnerais 62°C.
Cette donnée est non-néglieable dans un système passif par exemple, sachant que la résistance thermique sera relativement élevée.
En augmentant la charge à dissiper, on augmente donc la température, en diminuant la résistance thermique, on diminue la température (dans certaine proportions).
Seuls les systèmes à changement de phase proposent des résistances thermiques négatives, cependant parler de résistance négative est scientifiquement faux.
-Pourquoi ne faut-il pas dépasser une certaine tension lorsqu'on overclock?Comme nous l'avons vu, le fait d'augmenter la tension a pour effet de faire augmenter la charge à dissiper. Hors le silicum, qui compose les Wafers de nos processeurs, comme tout semi-conducteur est plus « éfficace » à faible température qu'a température élévée.
Lorsque la température augmente à la surface du core ( le coeur du processeur ), des perturbations électromagnétiques sont plus importantes. Elles pertubent le parcours du courant au sein de celui-ci, et de se fait, le processeur génerera des erreurs au dela d'une certaine marge, qu'on appelle Max Operating Temperature. Lorsque la fréquence, ou la tension dépassent le seuil de tolérance du processeur, il créer des erreurs, c'est l'instabilité. Le système d'exploitation se met en protection, c'est l'écran bleu ( pour windows), ou le freeze.
A un certain moment, on arrive à un mur tel que le rapport fréquence/température/refroidissement est trop élevé pour que l'augmentation de la tension y change quoique ce soit. Pire, elle fait chauffer le processeur, et le rend encore plus instable. La seule manière de retrouver une stabilité, est d'améliorer le refroidissement.
Si, même avec un processeur dont tout les réglages sont définis par défaut, la température dépasse un certain seuil, celui-ci génerera des érreurs.
Le deuxième point qui fait que la température influe sur la stablité du processeur est lié à la résistivité. La résistivité du silicium, comme dit plus haut, le rend moins éfficace. Il laisse moins passer le courant, et encore une fois, cela crée des érreurs. Nous verrons plus bas pourquoi la température peut-être une alliée précieuse dans la montée en température.
-Qu'est ce que la résistivité?La résistivité d'un matériau à pour unité ohm.mètre, c'est à dire la résistance électrique qu'il developpe par mètre.
La résistance d'un matériau se calcule graçe à la formule :
Soit :
R : La résistance
p : La résistivité
l : La longueur en mètre
S : La section en mètre-carré
La résistivité des matériaux dépend de leur température :
Celle des métaux varie en fonction de la chaleur, on pourra prendre pour exemple le filament en tungstène d'une ampoule, dont la résistivité a froid est inférieure à celle a chaud. C'est d'ailleurs pour cela qu'elle rougit (comme toute résistance de chaleur) et donc qu'elle produit de la lumière. Si elle laissait autant passer le courant à chaud qu'a froid, elle se produirait pas de lumière.
Pour les semi-conducteurs, la résistivité diminiue fortement avec la température. On parle de supraconductivité (resistivité quasi nulle) lorsque que la température d'un semi-conducteur se rapproche du zéro absolu ( 0 K / -273.15°c ).
Ce qui nous intéresse ici, c'est justement la relation température/resistance/résistivité :
Dans le cadre de l'overclocking, on à tendance à augmenter tension et fréquence, et donc charge thermique.
Avec des systèmes de refroidissement classiques, on ne descendra jamais en dessous de la température ambiante. Les seuls systèmes capables de descendre sous la température ambiante sont les systèmes à changements de phase.
Brievement, pour comprendre leurs fonctionnements :
On à un circuit fermé qui contient une élement diphasique (fréon), trois points clés dans ce système, la compression, la condensation, et la détente. C'est lors de cette détente, que l'on « crée du froid », plus éxactement, la détende ( de l'état liquide à gaz = Evaporation ) du fréon, qui intervient, elle intervient au moment d'un changement de pression, le force à se refroidir, et de ce fait, il absorbe une certaine quantité de chaleur dans son environnement.
Cette environement en question est un évaporateur, qui peut être de deux types :
-Posé directement sur le processeur, comme un waterblock en Watercooling dans le cas d'un DOD (Direct On Die) qui s'applique directement sur le processeur
-De forme hélicoïdale, dans un Waterchill, ou il viendra refroidir un liquide (souvent de l'alcool, car il gèle a moins de -100°c) qui sera le caloporteur d'un système à Watercooling.
Chaque gaz à ces propres propriétés de condensation et de détente, les plus usités dans le « Phase change » sont les R290, R22, R134a, R404, R507, d'autres gaz avec une température d'évaporation plus basse (donc qui « créent plus de froid » peuvent-être utilisés, mais dans certaines conditions car il faut pouvoir les condenser, et cela se fait a basse température, alors que les gaz cités avant se condensent à des températures proches de celle de la température ambiante (tablons sur 20°C), si on considère une pression de 6/8 bars environ . Cela se fait avec plusieurs étages, donc plusieurs systèmes qui utilisent des gaz dont la plage d'utilisation est de plus en plus basse.
Les systèmes à étages simples, Single Stage, sont moins compliqués et moins « performants » que les systèmes à étages multiples, Cascade, (comme une cascade qui contient plusieurs étages) qui permettent des températures proches de -100°c dans certains cas.
Un autre système plus « simple », consiste à faire évaporer du LN2, de l'azote liquide, dans un tank, je ne parle pas de machine de guerre, mais d'un récipient généralement en cuivre que l'on pose sur le CPU ou GPU pour le refroidir. La ou ça devient intéréssant, c'est que le LN2 s'évapore à -196°c, soit seulement 77.15 K.
On observe qu'avec des sytèmes tels que ceux-ci, la monté en fréquence est plus importante, cela est toujours lié à la résistivité du silicium. Elle diminiue énormément avec de telle température, de plus on ne dépassera pas les températures où le processeur créera des erreurs.
Donc à même vcore mais à température plus basse, un processeur gagnera en fréquence par rapport à un refroidissement classique, car on va améliorer le passage du courant dans ce processeur.
Cependant, tout processeur à sa limite qui est l'éffet de peau (Skin Effect), qui augmente avec la fréquence.
-Pourquoi faut-il augmenter la tension lorsque l'on overclocke?Lorsque qu'un processeur est en fonctionnement, celui-ci crée deux tensions distinctes :
Une tension d'alimentation, le vcore, qui alimentent le(s) core(s), elle varie selon les générations de processeur, et à tendance à diminuer du fait de la finesse de gravure améliorée.
Cette tension d'alimentation génère une tension parasite, qui est instable, et qui varie proportionnellement au vcore.
On peut alors observer trois courbes :
-La courbe d'alimentation relativement droite, relativement car elle dépend de la stabilité de l'alimentation.
-La tension parasite, qui doit se situer sous la courbe de tension d'alimentation, et qui est très variable, les variations que l'on observe sont celles engendrées par le taux d'utilisation du processeur, et les variations du vcore.
Elle dépend également de la fréquence, plus elle élevée plus la tension parasite est élevée, et de la température. Comme nous l'avons vu plus haut, plus le processeur est "froid", moins il offre de résistance au courant, et cette tension dépend de la résistance.
On note que la différence de tolérance entre les milliers de transistors qui composent un processeur joue un rôleprépondérant dans la création et la variation de cette tension.
-Le signal de calcul du processeur, il est plus ou moins au même niveau que le vcore.
C'est cette tension parasite qui nous intéresse, puisque c'est elle qui définit si le processeur est stable ou pas, et elle dépend de deux choses :
La qualité de la gravure, et du wafer. Si elle dépasse la tension d'alimentation, le processeur n'est plus capable de faire la différence entre le signal à traiter (les informations à traiter) et la tension parasite. Il crée des erreurs.
Le seul moyen de retrouver une certaine stabilité est d'augmenter le vcore, ce qui a pour éffet d'élever le signal de calcul du processeur, et donc de lui permettre de s'y retrouver.
Dans le monde de l'overclocking on dinstingue trois niveaux d'utilisation d'un processeur, voici 3 illustration des courbes auquels ils correspondent.
Max stable : Le processeur est à la limite de la stabilité on en tiré le maximum
Max bench : Le processeur génère des erreurs, mais pas assez pour faire crasher le système, on peut encore l'utiliser pour certaines taches, notamment les benchmarks (comme super pi ou 3dmark), mais chaque benchmark à son niveau de tolérance des erreurs.
Max screen : Le processeur passe brutalement d'une fréquence à une autre et plante ensuite brutalement le système. On a le temps d'enregistrer le maximum atteint avec une capture d'écran ou un logiciel.
-Comment est définie la fréquence d'un processeur à la vente?Pour comprendre, il faut d'abord savoir comment on définit sous quel label on va vendre un processeur.
Il faut savoir qu'on ne crée pas un processeur en fonction de ses besoins, on crée un processeur en fonction des résultats qu'il donne à une tension donnée.
De la, on crée un processeur qui tiendra telle ou telle fréquence, et si on se base sur une seule et même tension (c'est généralement le cas) il faudra souvent tester des centaines de processeur avant d'en trouver un qui tiendra une haute fréquence avec la même tension que les autres processeurs de sa gamme. Cela coûte de l'argent, et donc ces processeurs sont couteux et "rares".
Seulement, on a toujours une marge plus ou moins importante que s'impose le constructeur pour vendre ses processeurs sur le marché. C'est pour ça que, même si un processeur certifié à 2.4 ghz et une tension de 2.0v peut tourner à 3.2 ghz avec cette même tesnsion, un processeur qui lui est certifié à 3.2 ghz et 2.0v montera théoriquement plus en fréquence finale.
Les processeurs sont ensuite noté selon un code qui contient la semaine de production, et d'autre chiffres liés à la production.
C'est le stepping, le code que les overclockers recherchent car les processeurs qui le porte auront une propention à l'overclocking plus ou moins prononcée. Cependant il existera toujours une différence entre deux processeurs portant un stepping similaire car la qualité de gravure ne sera jamais la même.
Les bons steppings seront définis par :
-La marge de certification, plus elle est importante, plus on a de chance de monter en fréquence sans manipuler le vcore.
-Besoin du marché, on certifie des processeurs à une fréquence inférieure à celle présentée dans les tests pour pouvoir faire face au marché, il en résulte des processeurs "masqués" sous une appelation inférieures à celle à laquelle ils étaient destinés.
-Bride, on bride un processeur pour limiter les coups de production, on limite ses fonctions et il est vendu moins cher. On peut prendre pour exemple le duron 1.6 ghz, qui était en fait un Athlon auquel on avait amputé une partie du cache L2.
Ce dossier n'est pas fini, et je vais y rajouter des questions/réponses, je vous demanderais de me signaler les erreurs quel qu'elles soient.
Il faut également que je remplace les formules par des images plus lisibles.
Shinuza San
Message édité par Shinuza le vendredi 09 décembre 2005 à 20:18:21
