Náhlá smrt aneb jak (ne)odpálit Northwooda

Před nějakou dobou jsem na Pentiu 4 s jádrem Willamette prováděl test, kdy jsem vypnul větrák chladiče procesoru a zkoušel, jak se bude procesor chovat při vysoké teplotě. Tehdy jsem byl mile překvapen, když jsem zjistil, že tento 2 GHz procesor se spotřebou cca 95W začíná zpomalovat až při zhruba 80 stupních Celsia a že je schopen přežít i teplotu blížící se 100 stupňů. Přitom dle specifikací by měla být maximální teplota na povrchu, uprostřed Heat Spreaderu 76 stupňů Celsia. Při vyšších teplotách už není zaručeno, že procesor bude bez problémů fungovat.

Insider: tepelná ochrana procesorů Pentium 4 Možná víte, že Pentium 4 obsahuje ochranný mechanismus zvaný Thermal Monitor. Ten měří teplotu v místě největší koncentrace tepla a v případě překročení určité meze automaticky vygeneruje tzv. duty-cycles (v reálu sníží frekvenci), což procesor zpomalí - tím dojde k aktivnímu "chlazení" procesoru. i Zdroj: PCTuning.cz přetaktované Pentium4 1.8A na 2,4 GHz (1,65V) při plném vytížení zpomalí o 10% Za normálních okolností (v nepřetaktovaném stavu) procesor zpomaluje pouze v případě, kdy je teplota vysoká, například když došlo k selhání chlazení. Když se ale procesor přetaktuje za zvýšeného napětí a dochází k lokálnímu přehřátí - pak je možné, že se do tohoto stavu dostane i "běžným provozem". Vtip je v tom, že bez přečtení Model Specific Registers nelze v běžných podmínkách zjistit, zda procesor zpomaloval či nikoliv. Samotná teplota z interního čidla v procesoru je v tomto případě nepoužitelný údaj, protože Thermal Monitor používá vlastní čidlo a výstupní údaj pro BIOS je tudíž teplota z jiného čidla, které, jak asi tušíte, není v místě největší koncentrace tepla. Co je horší, čtení z Model Specific Registers není až tak jednoduchá záležitost, vyžaduje totiž privilegovanou instrukci RDMSR, kterou lze například ve Windows volat pouze ze SYS nebo VXD ovladače (neumíte někdo naprogramovat?).

Protože ochrana proti přehřátí v procesoru Willamette vyšla na výbornou, bylo pro mě překvapením, když mě Halen informoval o tom, že v případě Northwoodu není situace tak růžová jako u jeho 0,18ľm předchůdce. Celý problém tkví v tom, že při razantním přetaktování bude Northwood téměř jistě dlít v režimu zpomalování stále, a to kvůli lokálnímu přehřátí. Čím to?

Když srovnáme tepelný výkon obou procesorů, dojdeme k zajímavým závěrům:

Všimněte si, že ačkoliv je nepřetaktovaný Willamette opravdový žrout proudu, hustota jeho tepelného toku je menší než u kteréhokoliv z Northwoodů (ten má menší plochu jádra). Problém se týká především přetaktovaných Northwoodů, kde je spotřeba běžně nad 90W. Údaje v tabulce jsou pochopitelně pouze odhady, ale patrně se nebudou příliš lišit od reality.

Všimněte si, že přetaktované procesory se drží na nějakých 70 W na centimetr čtvereční a někdy i dokonce více.

To ale není vše. Problém je, že nejvíce tepla produkují výpočetní jednotky - ALU a FPU. Ty jsou v případě Northwoodu rozměrově menší, celý procesor je totiž zmenšená kopie Willamette, kde jediná úprava spočívá ve větší poměrné velikosti cache (té je v Northwoodu víc). Koncentrace tepla bude, při předpokladu relativně stejného tepelného výkonu vyšší. A to znamená, že patrně bude docházet k přehřátím.

Teplo dlouhodobě škodí

Procesor na to, aby fungoval, potřebuje dodržovat určité provozní specifikace, především musí dostávat správné napětí a nesmí být vystavován extrémním teplotám. Tyto extrémy jsou v případě pro každou výrobní technologii trochu jiné, v zásadě se ale dá říct, že maximální teplota čipu musí být pod 80 až 100 stupňů dle typu procesoru a napětí musí odpovídat výrobní technologii. Čím pokročilejší technologie, tím nižší napětí. V tomto případě je nejdůležitějším údajem průrazné napětí. Při něm dochází k proražení tranzistorového přechodu, což tranzistor zničí a procesor se odporoučí do horoucích pekel. Konkrétně Intel uvádí následující hodnoty:

0,35ľm - 3,70 V
0,25ľm - 3,00 V
0,18ľm - 2,10 V
0,13ľm - 1,75 V

Při nastavení těchto hodnot je procesor vystaven takovým podmínkám, které ho mohou okamžitě zničit.

Intel pochopitelně nedoporučuje provozovat procesor v jiných podmínkách než se standardním napětím, protože by to mohlo v dlouhodobém horizontu ohrozit spolehlivost.