Operace Haswell – má smysl vyměnit pastu uvnitř? | Kapitola 2
Seznam kapitol
Éra 22nm procesorů Intelu přinesla jeden velký neduh – přehřívání čipů a špatný přenos tepla do chladičů. Už od Ivy Bridge slýcháme, že výměna pasty mezi jádrem a rozvaděčem tepla může pomoci vylepšit vlastnosti procesorů. My jsem pro vás jeden Haswell (4770K) rozebrali a vyzkoušeli hned několik past. Výsledek je celkem zajímavý!
Obrázek ukazuje, že 22nm čip by měl ideálně pracovat někde mezi 0,6-1,0 V, čím níže, tím lépe; to se ale zatím nepovedlo, všechny desktopové čipy mají napětí nad 1,0 V. Výroba v těchto parametrech se zkrátka nedaří
I když Intel 22nm čipy s 3D tranzistory testuje a vyrábí tři roky, stále se mu nepodařilo získat čipy s prvotně plánovanými vlastnostmi. Podle původního plánu měla mít jádra podstatně nižší pracovní napětí, než nakonec čipy mají. To sice nepředstavuje problém při běžném použití, ale u taktování a zvyšování napětí ano. Při běžném použití se stávajícím napětím je spotřeba nižší než u Sandy Bridge. Pokud ale zvýšíte napětí na úroveň Sandy Bridge, spotřeba razantně stoupá nad spotřebu Sandy Bridge.
Původní čipy měly mít nižší napětí (obrázek nahoře) ale výroba se nedaří, tak je napětí vysoké a rezerva k taktování menší, než jsme čekali. Problém je totiž v 3D tranzistorech. 3D tranzistor je sice navržen pro nízké napětí, aby byl ale jeho stav rozeznán správně, potřebuje naopak vyšší proud. Hradlo má mnohonásobně větší plochu než u planárního tranzistoru, tedy i proud je vyšší. To by samo o osobě mělo stačit na nižší spotřebu, pokud bude dodrženo nízké pracovní napětí. Problém je ve výrobě, kde se Intelu zkrátka stále nedaří vyrobit všechny čipy s výrazně nižším napětím, než měly Sandy Bridge. A pokud Haswell / Ivy Bridge bude mít stejné napětí jako Sandy Bridge, bude protékající proud významně vyšší. S ním pak extrémně naroste spotřeba a zahřívání. A to se u Haswell / Ivy Bridge děje a nic na tom nezlepšila ani řada nových revizí, ani posun architektury od Ivy Bridge k Haswellu.
Teplotní odpor čipů Haswell / Ivy Bridge a Sandy Bridge, přenos tepla z 22nm čipu je výrazně horší než u předchozího čipu
Problém s teplotou u Haswellu / Ivy Bridge je definován jako vysoký teplotní odpor, ten je vypočítán z teploty jader procesoru a okolního vzduchu. Teplo z tranzistorů se musí nejprve dostat na povrch čipu, pak přes teplovodivý materiál do IHS a dále přes další materiál do kovu chladiče. Ten jej pak vyzáří do vzduchu. V praxi se projevuje takto: po zatížení CPU se z klidové teploty například 34 °C dostane čip během jedné vteřiny třeba do 70-80 °C (dle napětí) a dále pozvolna stoupá nebo se drží na této úrovni. U Sandy Bridge je nástup teplot pozvolnější – chladič má více času teplo od čipu odvést. I když čip hlásí vysoké teploty, chladič zůstává dlouho jen vlažný, u Sandy Bridge se rozpálí mnohem rychleji. Problém u Ivy Bridge je ten, že tomuto jevu se nedá zabránit ani s vodním nebo extrémním chlazením. Zkoušel jsem to s dusíkem a i při teplotě čipu po nulou, teploty při zatížení vyskočily o desítky stupňů vzhůru. Při teplotě -30 °C hlásil čip v zátěži stále teplotu +30 °C!
Neodladěná výroba?
Potíže Ivy Bridge jsou tedy způsobeny několika faktory. První je stále ještě neodladěný výrobní proces, Haswell / Ivy Bridge prostě nemůže pracovat na napětích jako Sandy Bridge nebo dokonce vyšších. Celý 22nm proces s Tri-gate tranzistory je navržen na velmi nízké napětí. I při plánovaném nízkém napětí jsou proudy procházející tranzistory vyšší než u Sandy Bridge, pokud ale toto nízké napětí nebylo dodrženo, resp. jej stav 22nm výroby zatím neumožňuje, tak jsou proudy násobně vyšší než u 32nm výroby s planárními tranzistory. To znamená vysoké zahřívání a spotřebu, s níž původně nebylo počítáno. Aby Intel zachránil co mohl, musel dát čipům extrémně vysoké TjMax 100 °C. Pokud by jej nechal nižší, čip by neustále throttloval. Zde se nabízí otázka, zdali Intel není po dvou letech schopen odladit výrobní proces, vzhledem k tak dlouhé době, je asi problém jinde – v návrhu procesu (3D tranzistory) a jeho zpracování. Odladit zřejmě vůbec nejde a nebo by to stálo moc peněz.
Velikost čipu?
Druhým faktorem je velikost samotného čipu. Víme, že čip při současných základních napětích zkrátka hřeje více než Sandy Bridge. Víme, že 3D tranzistory více topí, mají větší „topící“ plochu. Problém je, že plocha čipu, které se teplo musí předat dále, se zmenšila. A to ne o kousek, ale o 35 procent. Procesorová část Haswell/Ivy Bridge má o třetinu menší plochu než Sandy Bridge. Takže více tepla musíme přenést menší plochou, a to je už problém, doslova ohromný problém. Přenos z tranzistorů do vrchní části čipu je pomalejší, proto jsou chladiče vlažné a samotný procesor se doslova smaží.
Pasta?
Třetím faktorem je pak teplovodivý materiál mezi horní částí čipu a rozvaděčem tepla. Jak už ale víme, než se teplo dostane z vnitřku až na povrch, je to delší a náročnější proces než u planárních tranzistorů a 32nm výroby. Pokud by byl čip připájen, je přenos tepla asi 87 W/mK. Naproti tomu má běžná pasta jen 4-9 W/mK, což je výrazný rozdíl. Použití špatné pasty je tedy jedním z důvodů špatného přenosu tepla z čipu, není ovšem jediným a nejpodstatnějším důvodem. Je jen jedním z několika problémů.
Aby byla informace kompletní, dal jsem do tabulky několik past a parametr jejich tepelné vodivosti. Nejvyšší je samozřejmě u tekutého kovu, pasty Collaboratory. Také AS-5 od Arctic Cooling nemá špatné parametry, tuhle pastu máme v testu. Zajímavě vysoké číslo nabízí i produkt od Akasy a profesionální průmyslová pasta od výrobce Keratherm. Další pasta v našem testu je z dílny Noctua a i její vodivost je hodně vysoká. Poslední pasta v testu od OCZ není papírově nijak silná. Jak vše dopadne v reálu, už zjistíme za chvíli.
Řešení?
Existuje zde řešení? Ano existuje, ale asi se ho už nedočkáme. Jediným řešením je odladění výrobního procesoru, aby mohly čipy pracovat na plánovaném nízkém napětí. Aby byl Haswell / Ivy Bridge chladnější než Sandy Bridge a dal se taktovat lépe se současným procentuálním navýšení napětí, jak jsme zvyklí, musí být jeho pracovní napětí na defaultu (v zátěži) pod 1 V. Ideálně 0,85 V místo 1,1 až 1,15 V. To se ale nejspíš hned tak nepodaří, dostatečné by bylo snížení napětí o 10-15 procent. To znamená na hodnotu 1 V v zátěži pro frekvence, jež čip má, ideálně s přetaktováním na 4,5 GHz kolem napětí 1,1V. Pak by se mohl čip teplotami i spotřebou po taktování se Sandy Bridge srovnat.
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
