Энергопотребление разогнанных процессоров

Введение

Все тестирования процессоров, сделанные нашей лабораторией, включают в себя несколько обязательных пунктов. В их числе — исследование производительности, проверка на разгон, а также тесты энергопотребления и тепловыделения. Такого набора практических данных оказывается вполне достаточно для того, чтобы, основываясь на информации о ценах продукта, составить о нём всестороннее и обоснованное мнение. Однако при этом подходе вне сферы нашего внимания остаются некоторые специфические моменты, интересные как энтузиастам, так и просто любознательным пользователям. Поэтому на этот раз мы решили отойти от нашей привычной схемы, и выполнить не совсем обычное тестирование центральных процессоров: отрешиться от цен и абсолютной производительности, а акцентировать внимание на разгоне и энергопотреблении.

Казалось бы, в росте энергопотребления и тепловыделения при увеличении частоты процессора нет ничего удивительного. Давно известно, что эти величины связаны между собой пропорциональной зависимостью. Увеличение же напряжения питания процессора, нередко необходимое при разгоне, влечёт за собой квадратичный прирост тепловых и электрических характеристик. Однако в этих двух элементарных правилах фигурируют неизвестные нам коэффициенты пропорциональности, которые зависят от процессорной архитектуры, числа ядер, технологического процесса по которому сделан процессорный кристалл и проч. Поэтому предложить единую формулу, позволяющую оценить тепловыделение и энергопотребление любого разогнанного процессора, невозможно. А раз мы не можем дать чёткий ответ о влиянии разгона на тепловыделение и энергопотребление процессора с теоретических позиций, приходится обращаться к практике.

Актуальность такого тестирования обусловлена тем, что разгон стал чрезвычайно популярным явлением. Те времена, когда разгон был доступен лишь избранным энтузиастам, хорошо разбирающимся в компьютерной схемотехнике и не чурающимся паяльника, безвозвратно ушли. Сегодня подавляющее большинство имеющихся на рынке платформ допускают разгон процессора, настроить который можно простейшими манипуляциями в BIOS Setup материнской платы. Современные же процессоры со своей стороны обладают существенным нераскрытым частотным потенциалом. Даже без применения каких-то специальных технических средств их тактовая частота практически всегда может быть повышена на 20—30 % выше номинала, а при удачном стечении обстоятельств разгон можно довести и до 50 %.

Всё это стало результатом изменившегося подхода производителей процессоров к декларированию частот своих продуктов. То, что для выпуска старших и младших моделей в одной линейке используется один и тот же технологический процесс, в результате чего младшие процессоры могут функционировать на частотах старших продуктов — далеко не новость. Этой особенностью производственного процесса оверклокеры успешно пользуются уже почти два десятилетия. Однако теперь появился и ещё один нюанс. Раньше частоты старших моделей назначались исключительно исходя из частотных возможностей сходящих с конвейера полупроводниковых кристаллов. Теперь же, когда сложность процессоров многократно возросла, что привело к росту их тепловых и электрических характеристик, при присвоении таковых частот процессорам во внимание принимаются и такие характеристики, как тепловыделение и энергопотребление. Иными словами, рамками для тактовой частоты старших моделей нередко выступает не столько потенциал лежащих в их основе полупроводниковых кристаллов, сколько их тепловыделение.

Например, сегодня для «настольных» процессоров приняты несколько типовых значений тепловыделения под нагрузкой: 130 Вт или 95 Вт для производительных моделей и 73 или 65 Вт — для общеупотребительных и бюджетных. В результате, несмотря на то, что многие серийно производящиеся полупроводниковые процессорные кристаллы способны без проблем работать на частоте 4 ГГц, реальные процессоры на их основе такую номинальную частоту получить не могут, поскольку их тепловыделение при этом выходит за установленные рамки. Ограничения же по типичному тепловыделению берутся не с потолка — они в первую очередь обуславливаются возможностями существующих систем охлаждения приемлемой для каждой из ценовых категорий стоимости, а во вторую — конструктивными особенностями процессорных схем питания на материнских платах.

К слову, о смысле значения TDP: как нетрудно догадаться из скромности набора значений и того факта, что процессоры с разными частотами могут иметь одинаковый TDP, величина TDP не является реальным энергопотреблением процессора. TDP — это величина, на которую должны ориентироваться производители материнских плат и систем охлаждения, чтобы гарантированно обеспечить поддержку данной модели. Реальное же энергопотребление может быть ниже TDP, иногда — значительно ниже. Ряд значений TDP намеренно сделан коротким, чтобы максимально упростить систематизацию систем охлаждения и питания процессоров.

Возвращаясь же к основной теме разговора, можно сделать два вывода. Первый: разгон как средство достижения более высокой производительности — это один из вполне эффективных и доступных для каждого способов. Современные процессоры имеют нераскрытый частотный потенциал, задействовать который можно без особых усилий. Большинство современных материнских плат предоставляют пользователям весь необходимый для этого инструментарий. Второй: если уж вы решили связаться с разгоном процессора, нужно быть готовым к росту его тепловыделения и энергопотребления и выхода этих величин за расчётные значения. Система охлаждения процессора должна обладать достаточной производительностью, а конвертер питания на материнской плате должен не сгореть при значениях токов, превышающих номинальные.

В рамках данного материала мы как раз и посмотрим, как изменяется энергопотребление процессоров (и связанное с ним прямой зависимостью их тепловыделение) при разгоне. То есть то, что энергопотребление платформ при этом увеличивается, понятно и без тестов. Но вот масштаб изменения электрических и тепловых характеристик при увеличении частот процессоров свыше штатных значений заслуживает отдельного исследования. Какой «запас прочности» должны иметь оверклокерские материнские платы и системы охлаждения? Насколько страдает энергетическая эффективность систем, когда речь заходит о разгоне? Блоков питания какой мощности достаточно энтузиастам? Примерно так выглядит круг вопросов, освещению которых посвящена эта статья.

Как мы тестировали

Стремясь сделать результаты нашего тестирования интересными для максимального числа читателей, исследование влияния разгона на энергопотребление мы решили выполнять сразу на примере нескольких распространённых моделей процессоров, имеющих различное строение и микроархитектуру. Поэтому, для тестов было задействовано сразу четыре распространённые тестовые платформы: LGA775, LGA1156, LGA1366 и Socket AM3. Именно этим объясняется достаточно обширный список тестового оборудования, использовавшегося в тестировании:

Материнские платы:

ASUS P5Q3 (LGA775, Intel P45, DDR3 SDRAM);
ASUS P7P55D Premium (LGA1156, Intel P55 Express);
Gigabyte EX58-UD5 (LGA1366, Intel X58 Express);
Gigabyte MA785GT-UD3H (Socket AM3, AMD 785GX + SB750, DDR3 SDRAM).

Память: 2 x 2 ГБ, DDR3-1333 SDRAM, 9-9-9-27 (Kingston KHX1600C8D3K2/4GX);
Графическая карта: ATI Radeon HD 5870.
Жёсткий диск: Western Digital VelociRaptor WD3000HLFS.
Блок питания: Tagan TG880-U33II (880 Вт).
Процессорный кулер: Thermalright Ultra-120 eXtreme.
Операционная система: Microsoft Windows 7 Ultimate x64.
Драйверы:

Intel Chipset Driver 9.1.1.1020;
ATI Catalyst 10.1 Display Driver.

Для снятия тестовых данных об энергопотреблении мы воспользовались нашим фирменным аппаратно-программным измерительным комплексом, подробно описанным в статье «Энергопотребление компьютеров: так сколько нужно ватт?». Не касаясь конструкционных особенностей этого комплекса, заметим, что его использование вместо применения электрических счётчиков, амперметров, токовых клещей, шунтов и вольтметров позволяет получить не только более точные результаты, но и в реальном времени отслеживать изменение токов по различным линиям питания. Благодаря этому, среди результатов тестов мы покажем не только усреднённые, но и максимальные значения потребления. Также в сфере нашего внимания окажутся не только значения тока, поступающего на материнскую плату через выделенный для питания процессора 12-вольтовый разъём, но и токи, забираемые материнской платой через стандартный 24-контактный ATX-разъём по 12-, 5- и 3.3-вольтовой линиям питания. Необходимость анализа всех этих данных обуславливается тем, что многие современные процессоры, в первую очередь, интеловского производства, используют комбинированную схему подключения питания, использующую не только выделенную для процессорного преобразователя напряжения 12-вольтовую линию питания.

Также необходимо заметить, что в рамках этого материала, когда речь заходит о полном энергопотреблении платформы, имеется в виду потребление, измеренное не до, а после блока питания. То есть, в данном контексте мы не принимаем во внимание эффективность блока питания, а оперируем «чистыми» цифрами, относящимися именно к энергопотреблению компонентов системы по отдельности и в сумме.

Прежде чем перейти к анализу замеров потребления при различной нагрузке, давайте подробнее познакомимся с теми процессорами, которые мы выбрали для исследования. В рамках этого знакомства мы попробуем разогнать каждый из тестовых процессоров и посмотрим, как и по каким законам при этом изменяется их предельное энергопотребление.

Процессоры: предварительная оценка энергопотребления

AMD Athlon II X2 255

Athlon II X2 255 — это старший представитель процессорного семейства Regor, в основе которого лежат собственные двухъядерные полупроводниковые кристаллы, производимые по 45-нм технологии. Такие процессоры предназначаются для Socket AM3 и являются одними из самых демократичных с точки зрения цены вариантов для этой платформы. Штатная частота Athlon II X2 255 равна 3,1 ГГц, объём кэша второго уровня составляет 1 Мбайт на каждое из двух процессорных ядер. Полностью характеристики этого процессора видны на скриншоте диагностической утилиты CPU-Z.

Номинальное напряжение нашего экземпляра процессора установлено равным 1,4 В, напряжение же встроенного в процессор северного моста составляет 1,175 В. Расчётное типичное тепловыделение этого процессора под нагрузкой, согласно спецификации, равно 65 Вт. Наша тестовая платформа с этим процессором, работающим в штатном режиме, без разгона, потребляла около 111 Вт, при этом на потребление по выделенной под процессор 12-вольтовой линии питания приходилось около 63 Вт, что достаточно близко к расчётным значениям.

Что касается разгона, то без повышения напряжений процессор сохранял полную работоспособность вплоть до 3,6 ГГц. Дальнейшее повышение частоты оказалось возможно лишь с увеличением напряжения питания процессорного ядра, подняв которое до 1,5 В, мы смогли добиться устойчивого функционирования Athlon II X2 255 при 3,8 ГГц.

Следует отметить, что разгон Athlon II X2 255 в процессе наших экспериментов выполнялся путём увеличения частоты тактового генератора, а значит, вместе с ростом частоты процессора росла и частота встроенного в процессор северного моста. Однако в нашем случае это не вызвало никаких проблем: процессоры серии Athlon II не имеют кэша третьего уровня, а потому при разгоне они оказываются куда менее капризны, чем их старшие собраться, относящиеся к серии Phenom II.

Для знакомства с характером зависимости энергопотребления от частоты Athlon II X2 255 мы сняли соответствующие показатели в нескольких ключевых точках, описанных в следующей таблице.

Все остальные, не указанные в таблице напряжения в системе оставались на их штатных значениях.

Общее потребление тестовой платформы, снятое в перечисленных ключевых точках, приведено на графике. Измерения выполнялись в состоянии максимальной нагрузки на центральный процессор, создаваемой, как уже было сказано выше, утилитой LinX 0.6.4.

Нетрудно заметить, что наиболее существенный прирост энергопотребления происходит лишь тогда, когда увеличивается напряжение питания процессора. До этого же момента график энергопотребления выглядит полого: 16-процентный прирост тактовой частоты с 3,1 до 3,6 ГГц влечёт за собой всего на всего 8-процентное увеличение энергопотребления платформы. Увеличение же частоты с 3,6 до 3,8 ГГц с увеличением напряжения на процессоре на 0,1 В моментально приводит к 17-процентному скачку энергопотребления.

Эти же цифры ещё лучше можно проиллюстрировать графиком потребляемого тока по основным линиям питания материнской платы.

Как видим, основная нагрузка ложится на выделенную 12-вольтовую линию питания процессора. Соответственно, в то время как разгон практически не сказывается на токах, идущих через 24-контактный разъём питания материнской платы, потребление по выделенной для процессора 12-вольтовой процессорной линии изменяется с 62 до 91 Вт. Причём, при переходе от частоты 3,6 ГГц к частоте 3,8 ГГц (то есть в тот момент, когда разгон начинает требовать повышения напряжения CPU), процессорное энергопотребление подскакивает более чем на 20 Вт.

AMD Athlon II X4 635

Второй участвовавший в тестировании процессор компании AMD, Athlon II X4 635, хотя и относится к тому же семейству Athlon II, на самом деле в корне отличается от моделей с суффиксом X2. В основе этого процессора лежит полупроводниковое ядро с кодовым названием Propus, оно представляет собой монолитный четырёхъядерный кристалл, производимый по 45-нм технологии. С пользовательской же точки зрения Athlon II X4 635 интересен тем, что это — один из самых дешёвых четырёхъядерных процессоров, присутствующих на рынке. Что же касается характеристик, то Athlon II X4 635 предназначен для использования в составе платформы Socket AM3, а его тактовая частота установлена равной 2,9 ГГц. Следует отметить, что в отличие от процессоров серии Phenom II, Athlon II X4 лишён кэш-памяти третьего уровня, а объём L2 кэша составляет по 512 Кбайт на каждое ядро.

Номинальное напряжение нашего экземпляра Athlon II X4 635 составляло 1,4 В, а напряжение на встроенном в процессор северном мосту было установлено равным 1,175 В. Иными словами, Athlon II X4 635 использует такие же напряжения как и его собрат, обладающий двумя, а не четырьмя вычислительными ядрами. Тем не менее, удвоенное количество ядер не преминуло сказаться на расчётном тепловыделении процессора, которое для Athlon II X4 635 составляет 95 Вт. Что же касается практических величин, то наша система с этим процессором, работающим на штатных 2,9 ГГц, потребляла под нагрузкой 146 Вт — на 35 Вт больше, чем эта же платформа, когда в неё был установлен двухъядерный Athlon II X2 255. Практическое потребление по выделенной на процессор линии питания при этом составляло 96 Вт.

Надо сказать, что процессоры семейства Propus следует отнести к числу современных продуктов, наименее дружественных разгону. В то время, как большинство широко доступных процессоров способно разгоняться до частот порядка 4 ГГц, тестовый Athlon II X4 635 смог покорить лишь отметку 3,5 ГГц, причём для устойчивой работы в таком состоянии нам даже пришлось увеличить на 0,1 В его напряжение питания. Без изменения же этого напряжения максимальная частота составила 3,4 ГГц. Как и в предыдущем случае, при разгоне мы оперировали частотой тактового генератора, так как множитель у Athlon II X4 635 заблокирован.

Для знакомства с характером зависимости энергопотребления от частоты, также как и в предыдущем случае, был проведён ряд последовательных измерений. Описание ключевых точек и основных настроек, сделанных в тестовой системе, приводится в таблице.

Все остальные, не указанные в таблице напряжения в системе оставались на их штатных значениях.

График общего потребления тестовой платформы при максимальной нагрузке в зависимости от частоты процессора выглядит следующим образом.

Наблюдаемая картина для нас не нова. До тех пор, пока напряжение на процессоре не изменяется, рост энергопотребления идёт строго по линейному закону, причём с достаточно небольшим коэффициентом. Но стоит только выполнить небольшой прирост напряжения питания процессора, как на графике наблюдается резкий скачок в потреблении. Например, в нашем случае переход напряжения питания процессора от 1,4 В к 1,5 В выливается в 25-ваттное увеличение энергопотребления при том, что остальные напряжения в системе не изменяются, а частота процессора возрастает лишь на жалкие 100 МГц.

А вот так выглядит второй график, на котором показано изменение значений питающих процессор и материнскую плату токов при разгоне процессора.

Внимания заслуживает, пожалуй, лишь только кривая, иллюстрирующая рост тока, потребляемого процессором. По крайней мере, как и в предыдущем случае, изменение частоты процессора практически не влечёт за собой никаких перемен в токах, потребляемых материнской платой через 24-контактный разъём. Что же касается процессорного энергопотребления, то при разгоне Athlon II X4 635 с 2,9 до 3,5 ГГц оно изменяется с 96 до 137 Вт, причём львиная доля этого прироста приходится на промежуток с 3,4 до 3,5 ГГц, для прохождения которого мы пользовались увеличением напряжения питания.

AMD Phenom II X2 555

Помимо процессоров Socket AM3, продающихся под торговой маркой Athlon II, для тестов были взяты и процессоры AMD более высокого класса — Phenom II. Поскольку в этом семействе производитель предлагает варианты с различным количеством вычислительных ядер, для тестирования мы выбрали один четырёхъядерный и один двухъядерный процессор. В качестве последнего был выбран Phenom II X2 555 — старший из процессоров Socket AM3 с двумя вычислительными ядрами, оснащённый кэш-памятью третьего уровня. Этот процессор основывается на таком же 45-нм полупроводниковом кристалле Deneb, что и четырёхъядерные процессоры Phenom II X4, но в нашем случае два из четырёх ядер деактивированы. Тактовая частота Phenom II X2 555, согласно спецификации, составляет 3,2 ГГц. Каждое из двух ядер процессора обладает собственной кэш-памятью второго уровня объёмом по 512 Кбайт, а в дополнение к этому процессор располагает и общим на все ядра L3-кэшем, размер которого — 6 Мбайт.

Поскольку для производства всех своих современных процессоров компания AMD использует один и тот же технологический процесс с 45-нм нормами, совершенно неудивительно, что их электрические характеристики оказываются похожи. Так, наш экземпляр Phenom II X2 555 ориентирован на работу при привычном напряжении 1,4 В, но отличается от рассмотренных выше процессоров Athlon II слегка более высоким напряжением на встроенном северном мосту, включающем L3-кэш, — 1.2 В.

Наличие L3 кэша и более высокая тактовая частота выливается в то, что расчётное типичное тепловыделение процессоров Phenom II X2 превышает аналогичную характеристику процессоров Athlon II X2. Для Phenom II X2 555, как, впрочем, и для других представителей этого семейства TDP установлено равным 80 Вт. На практике же тестовый экземпляр Phenom II X2 555 потреблял при максимальной нагрузке 74 Вт, а энергопотребление системы на его основе доходило до 123 Вт.

Процессорный кристалл Deneb — один из самых разгоняемых в ассортименте компании AMD. Процессорам, основанным на таких кристаллах, нередко покоряются частоты порядка 4 ГГц без применения каких-либо специальных систем охлаждения. Не стал исключением и тестовый Phenom II X2 555, который мы в конечном итоге смогли разогнать до пресловутой 4-гигагерцовой отметки. Впрочем, для этого пришлось на 0,15 В увеличить напряжение питания. Но и если не прибегать к этой мере, разгон Phenom II X2 555 приносит неплохие результаты: этот процессор оказывается способен к устойчивому функционированию на частоте 3,8 ГГц при номинальном напряжении 1,4 В.

Следует упомянуть, что Phenom II X2 555 относится к серии Black Edition, что означает наличие у этого процессора незаблокированного множителя. Именно поэтому разгонять его можно совершенно элементарно, не увеличивая частоту тактового генератора и не меняя частоты шины HyperTransport, памяти и встроенного в процессор северного моста. Этой возможностью мы и воспользовались при проведении нашего предварительного «оценочного» тестирования.

Значения частоты, при которых были сняты показатели энергопотребления, описываются в таблице.

Все остальные, не указанные в таблице напряжения в системе оставались на их штатных значениях. Кроме того, хочется отметить, что выполненный в данном случае разгон, в основе которого лежит изменение разблокированного коэффициента умножения — это хотя и удобный, но не самый лучший с точки зрения энергетической эффективности подход. Дело в том, что изменение и фиксация множителя приводит к отключению технологии Cool'n'Quiet, снижающей частоту процессора в моменты простоя. Поэтому, если вы хотите добиться повышения производительности через разгон, но при этом не проиграть в экономичности системы в моменты простоя, мы не рекомендуем пользоваться разблокированным множителем процессоров AMD, относящихся к серии Black Edition.

Результаты измерения полного энергопотребления системы, оснащённой процессором Phenom II X2 555, при полной его загрузке, приводятся на графике.

Картина привычна и не вызывает удивления. До тех пор, пока разгон выполняется без повышения процессорного напряжения, то есть в промежутке от 3,2 до 3,8 ГГц, рост общего энергопотребления системы происходит линейно, примерно по 2—3 Вт на каждые 200 МГц. Дальше же следует резкий скачок потребления, вызванный увеличением напряжения на процессоре. Соответственно, следующие 200 МГц обходятся нашей системе во внушительные 37 Вт.

Раскладка энергопотребления платформы по питающим линиям приводится ниже.

И при увеличении частоты процессора, и при возрастании его питающего напряжения, прирост тока отмечается только на одной линии — той, которая выделена на процессор и подводится к материнской плате посредством отдельного 8-жильного кабеля. Остальные же токи при разгоне остаются неизменны. Кстати, заметьте, насколько сильно может увеличиваться потребление процессора при максимальном разгоне. Даже двухъядерный Phenom II X2 555, работая на частоте 4,0 ГГц, расходует 120 Вт, что, между прочим, в полтора раза превосходит его паспортное тепловыделение. Если же разгон выполняется без изменения напряжения питания, то питающий процессор ток увеличивается незначительно, в пределах 10 %. Поэтому такой разгон можно считать совершенно безопасным: с ним справятся любые, даже бюджетные, материнские платы, не обладающие усиленным конвертером питания процессора.

AMD Phenom II X4 965

Последний процессор компании AMD, выбранный нами для тестирования энергопотребления — Phenom II X4 965 — самая быстрая и самая дорогая на данный момент модель для Socket AM3, ориентированная на использования в настольных компьютерах. Этот процессор, как и Phenom II X2 555, основывается на 45-нм полупроводниковом кристалле Deneb, однако, в отличие от него, имеет четыре полноценных вычислительных ядра. Каждое из этих ядер обладает собственным 512-килобайтным L2-кэшем, а все вместе они снабжены разделяемым L3-кэшем объёмом 6 Мбайт. Штатная частота Phenom II X4 965 составляет 3,4 ГГц, и это — верхний предел частоты, которого достигли на сегодняшний день процессоры AMD.

Как видно по приведённому скриншоту диагностической утилиты CPU-Z, штатное напряжение тестового процессора Phenom II X4 было установлено равным 1,4 В. Судя по всему, это — наиболее распространённая величина напряжения для процессоров AMD, выпускаемых по 45-нм технологическому процессу. Встроенный северный мост, включающий контроллер шины HyperTransport, контроллер памяти и L3-кэш, использовал напряжение 1,1 В.

Компания AMD поставляет на рынок две модификации процессора Phenom II X4 965, имеющие разное расчётное тепловыделение — 140 или 125 Вт. Мы тестировали более новый вариант этого процессора, который основывается на кристалле ревизии C3 — его TDP составляет 125 Вт. Столь высокое расчётное типичное тепловыделение — это не пустой звук, наш испытательный стенд при установке в него этого процессора показал существенно более высокое энергопотребление, чем во всех иных случаях. Так, при максимальной процессорной нагрузке полное потребление системы достигало 186 Вт. Наибольшее же потребление Phenom II X4 965, работающего в номинальном режиме, по выделенной 12-вольтовой линии питания доходило до 137 Вт.

Кстати, любопытный факт: практическое энергопотребление четырёхъядерного Phenom II X4 965 почти вдвое превышает реальное потребление двухъядерного процессора Phenom II X2 555. Это означает, что львиная доля электроэнергии в процессоре расходуется именно вычислительными ядрами, а общие на все ядра части, вроде L3-кэша и контроллера памяти, вносят в итоговое энергопотребление сравнительно небольшой вклад.

Как уже было сказано, процессоры на ядре Deneb очень неплохо разгоняются. Phenom II X4 965 смог подтвердить репутацию этого ядра. Работая на штатном напряжении 1,4 В, тестовый CPU продемонстрировал стопроцентную стабильность при повышении частоты до 3,8 ГГц. Отодвинуть предел разгона ещё на 100 МГц мы смогли дополнительно увеличив напряжения питания до 1,5 В. А вот 4 ГГц нашему CPU так и не покорились: при такой частоте система загружалась и даже могла выполнять некоторые тесты, но полноценное тестирование на стабильность в LinX она не проходила.

Для исследования зависимости энергопотребления системы от частоты процессора, как и в предыдущих случаях, тесты были проведены в нескольких режимах с шагом 200 МГц. Поскольку Phenom II X4 965 относится к серии Black Edition и обладает разблокированным множителем, именно это его свойство мы и использовали в данном случае.

Все остальные, не указанные в таблице напряжения в системе оставались на их штатных значениях.

Кривая зависимости энергопотребления от частоты в обозначенных режимах получила следующие очертания.

Результаты совершенно типичны. До тех пор, пока мы не трогаем напряжение питания процессора, зависимость между энергопотреблением и частотой носит (с допусками на погрешности измерения) линейный характер. Но как только дело доходит до изменения напряжения питания, потребление совершает резкий скачок. Так, в случае с Phenom II X4 965 увеличение напряжения всего на 0,1 В выливается примерно в 40 Вт дополнительной нагрузки на блок питания. Причём, все эти дополнительные 40 Вт потребляются по 12-вольтовой процессорной линии питания, ток на которой при максимальном разгоне Phenom II X4 965 доходит до солидных 16 А.

Получается, что при разгоне до 3,9 ГГц Phenom II X4 потребляет ни много ни мало — 190 Вт. Это число прекрасно иллюстрирует то, каким перегрузкам подвергается конвертер питания процессора на материнской плате. Поэтому, если вы собираетесь заниматься разгоном и увеличивать напряжение питания процессора, необходимо уделять должное внимание выбору материнской платы с качественным процессорным конвертером питания, способным справляться с токами, значительно превышающими расчётные.

Core 2 Duo E7600

В то время как все актуальные предложения компании AMD унифицированы под один процессорный разъём Socket AM3, продукты Intel с данной точки зрения разнородны. В настоящее время этим производителем поддерживается три независимые платформы: LGA775, LGA1156 и LGA1366. Начнём же мы с рассмотрения наиболее возрастного процессорного гнезда. Первый выбранный нами для тестов процессор для платформы LGA775, Core 2 Duo E7600, основывается на 45-нм ядре Wolfdale, которое увидело свет ещё в начале 2008 года. К сегодняшнему дню процессоры на этом ядре опустились в нижние ценовые сегменты, однако благодаря их хорошей производительности и разгоняемости, они всё ещё привлекают внимание многих энтузиастов. В отличие от пилотных моделей процессоров с ядром Wolfdale, Core 2 Duo E7600 имеет несколько упрощённые характеристики. Его тактовая частота установлена в 3,06 ГГц, причём частота системной шины составляет всего 266 МГц, а объём разделяемого между ядрами L2 кэша равен 3 Мбайтам.

Несмотря на то, что для производства Core 2 Duo E7600 используется такая же технология с 45-нм нормами, что и при выпуске современных процессоров AMD, номинальное напряжение у процессора Intel существенно ниже. Для конкретного тестового CPU оно равнялось 1,275 В, да и в целом у серийных процессоров этого класса оно не должно превышать 1,3625 В. Как мы уже видели в первых тестах, напряжение питания очень сильно влияет на энергопотребление и тепловыделение, поэтому совершенно неудивительно, что TDP Core 2 Duo E7600 составляет всего лишь 65 Вт. На практике же полная система с этим CPU потребляла не более 95 Вт (при стопроцентной нагрузке на процессор, но не на видеокарту), а это значит, что Core 2 Duo E7600 существенно экономичнее, чем Athlon II X2 255. Ещё одной иллюстрацией этого можно считать значение потребления по выделенной для питания процессора линии — оно во время тестов без разгона не превысило и 45 Вт.

Учитывая, что используемая Core 2 Duo E7600 частота шины составляет всего 266 МГц, его разгон выполняется сравнительно просто, даже несмотря на то, что компания Intel блокирует множители всех своих процессоров за исключением самых дорогих. Без повышения напряжения питания мы смогли добиться стабильного разгона до 3,6 ГГц, а лучший результат, достигнутый в нашей тестовой системе, составил 4,0 ГГц. Все промежуточные шаги, использованные нами для выявления закономерностей между изменением частоты и энергопотребления задокументированы в таблице.

Все остальные, не указанные в таблице напряжения в системе оставались на их штатных значениях.

Стоит отметить, что в данном случае характер зависимости энергопотребления от частоты обещает быть несколько интереснее, чем у процессоров AMD. Здесь повышение напряжения пришлось использовать не только для того, чтобы «дожать» последнюю ступень в разгоне, а несколько ранее. Соответственно, излом пологой кривой и начало её резкого роста должно происходить не на последнем, а на предпоследнем шаге.

Собственно, так оно и есть. При этом существенный рост энергопотребления происходит только тогда, когда повышается напряжение на процессоре. При разгоне же с сохранением штатного напряжения питания увеличение частоты на каждые 200 МГц выливается лишь в 2—3-ваттное приращение энергопотребления. Иными словами, с точки зрения зависимости полного энергопотребления от частоты и напряжения процессора платформа LGA775 ведёт себя аналогично платформе Socket AM3.

А вот раскладка потребления по линиям питания материнской платы выглядит совершенно иначе.

Впрочем, практически наверняка можно говорить о том, что, если взять материнскую плату с другой реализацией схемы питания (например, другого производителя), картина будет отличаться. Тем не менее, обращает на себя внимание существенный ток по 3-вольтовой линии, слегка возрастающий при разгоне. Логично предположить, что от этой линии питается северный мост набора логики, который в LGA775 системах содержит контроллер памяти. Что же касается потребления по выделенной на процессор 12-вольтовой линии, то оно при разгоне Core 2 Duo E7600 возрастает ровно в два раза. Получается, что в то время как этот процессор при нагрузке в неразогнанном состоянии потребляет порядка 45 Вт, его 30-процентный разгон по частоте приводит к увеличению потребления до 94 Вт. Причём, основное нарастание энергопотребления происходит на последних двух шагах, когда для достижения стабильной работы помимо частоты FSB нам пришлось увеличивать и напряжение питания CPU.

Core 2 Quad Q9505

Второй LGA775 процессор, который мы отобрали для участия в тестах энергопотребления, это — четырёхядерный Core 2 Quad Q9505. Этот CPU не обладает уникальным полупроводниковым кристаллом, в его основе, фактически, лежит склейка из двух кристаллов Wolfdale, выпускаемых по 45-нм техпроцессу. Совершенно неудивительно, что получившееся при склейке сдвоенное ядро с названием Yorkfield имеет несколько странное строение кэш-памяти второго уровня, которая состоит из двух независимых частей по 3 Мбайта, каждая из которых является разделяемой на свою пару ядер. Что же касается частотных характеристик, то Core 2 Quad Q9505 работает при 2,83 ГГц, используя 333-мегагерцовую шину, которая в этом процессоре нужна не только для связи с набором логики, но и для общения пар ядер, не имеющими общей кэш-памяти, между собой.

Логично ожидать, что расчётное типичное тепловыделение такого четырёхъядерного процессора будет вдвое больше, чем у двухъядерных Core 2 Duo, основанных на кристаллах Wolfdale. Но это не совсем так: TDP для Core 2 Quad Q9505 установлено равным не 130, а 95 Вт. Тут сказывается и более низкая, чем у представителей двухъядерного семейства, тактовая частота этого процессора, и особенности производственного процесса. Дело в том, что для четырёхъядерных моделей Intel выбирает более удачные с точки зрения тепловыделения полупроводниковые кристаллы, менее же экономичные кристаллы разрезаются для использования в основе двухъядерных CPU. Поэтому совершенно неудивительно, что при практических испытаниях Core 2 Quad Q9505 в неразогнанной системе его энергопотребление при полной загрузке составило лишь около 70 Вт. Полное же энергопотребление тестовой платформы достигало при этом порядка 125 Вт, что можно рассматривать как ещё одно подтверждение большей экономичности платформы LGA775 по сравнению с платформой Socket AM3.

Разгон четырёхъядерных LGA775-процессоров — мероприятие не самое простое. Дело в том, что при достижении определённой частоты шины эти процессоры начинают «капризничать», причём очень часто проблемы возникают при частотах FSB порядка 450—475 МГц. К счастью, Core 2 Quad Q9505 имеет сравнительно высокий множитель, равный 8,5, что позволило нам добиться разгона до 3,9 ГГц без возникновения каких-то существенных проблем. Следует заметить, что также как и в случае с Core 2 Duo E7600, четырёхъядерный тестовый процессор смог стабильно работать при 3,6 ГГц на своём штатном напряжении, которое для нашего экземпляра составляло 1,275 В.

Для изучения законов изменения потребления при разгоне мы, также как и во всех остальных случаях, протестировали Core 2 Quad Q9505 с шагом по частоте в 200 МГц. Значения основных параметров платформы приводятся в таблице. Все остальные напряжения в системе во время проведения испытаний оставались на своих штатных значениях.

Итак, зависимость энергопотребления системы при полной процессорной нагрузке от частоты оказалась следующей.

Поскольку в относительном выражении Core 2 Quad Q9505 разогнался достаточно сильно, при тестировании нам удалось снять значения потребления в семи точках. Благодаря этому явно виден тот факт, что в случае постоянства питающего процессор напряжения зависимость между частотой его работы и энергопотреблением носит линейный характер. Далее же, за отметкой 3,6 ГГц, где изменяется не только частота, но и напряжение питания, 200 МГц прироста обходятся с точки зрения энергопотребления как 600—800 МГц до этой отметки. В целом, 27-процентный прирост частоты с 2,83 до 3,6 ГГц выливается в 19-процентный прирост энергопотребления. Разгон же до 3,9 ГГц приводит к 50-процентному росту потребления системы по сравнению с работой в номинальном режиме.

Что касается раскладки потребления по линиям питания, то, как и в предыдущем случае, разгон вызывает вполне естественное увеличение токов по 12-вольтовой линии, выделенной для преобразователя питания процессора, и по 3-вольтовой линии материнской платы от которой, по нашему предположению, запитан северный мост материнской платы.

Потребление процессора, работающего со 100-процентной нагрузкой в тесте LinX, на номинальной частоте равно 71 Вт. При частоте 3,6 ГГц, когда напряжение питания не выходит за штатные 1,275 В, оно достигает 89 Вт. Максимальный же разгон — до 3,9 ГГц, где основные системные напряжения повышаются сверх их номинальных величин примерно на 10 %, приводит к росту процессорного энергопотребления до 136 Вт. Это, конечно, много, но с потреблением разогнанного Phenom II X4 сравниться не может, поэтому сделанный выше вывод о том, что LGA775-процессоры остаются экономичнее своих Socket AM3 альтернатив не только в штатном режиме, но и при разгоне, остаётся в силе.

Core i3-540

Помимо LGA775, мы включили в тесты и процессоры Intel в других конструктивных исполнениях. В частности, мы не смогли обойти вниманием сравнительно молодые модели семейства Clarkdale, предназначенные для LGA1156-систем. Главным аргументом за их включение в тестирование стало то, что один из двух полупроводниковых кристаллов, входящих в состав этого процессора, выполнен по самому передовому технологическому процессу с нормами производства 32 нм. Этот кристалл — собственно два вычислительных ядра. Имеющийся же в Clarkdale интегрированный контроллер памяти вместе со встроенным графическим ядром находятся во втором кристалле, производимом по 45-нм технологии. То, что такая схема из двух полупроводниковых кристаллов, заключённых в единую процессорную упаковку, с точки зрения производительности работает не самым лучшим образом, мы уже писали. Давайте поглядим теперь, что происходит с энергопотреблением такого процессора при его разгоне до различных значений частот.

Для тестирования был взят двухъядерный Core i3-540. Это средняя модель Clarkdale: с одной стороны, она поддерживает технологию Hyper-Threading, а с другой — лишена поддержки Turbo Mode, которая всё равно неполезна при разгоне. Штатная частота этого процессора равна 3,07 ГГц, объём L2-кэша составляет 256 Кбайт на каждое из двух ядер, а общий L3-кэш имеет объём 4 Мбайта.

32-нм технологический процесс позволил производителю установить у Core i3-540 сравнительно низкое напряжение питания. Так, наш экземпляр требовал лишь 1,125 В. Впрочем, процессорный северный мост, находящийся во втором, 45-нм кристалле, использует свою собственную схему питания и собственное напряжение для нашей модели равное 1,1 В. При этом общее расчётное типичное тепловыделение Core i3-540 установлено равным 73 Вт, а это значит, что, несмотря на применение нового технологического процесса, Intel не удалось добиться каких-либо впечатляющих успехов на поприще улучшения экономичности своих решений. Ведь 73 Вт — это даже больше типичного тепловыделения двухъядерных процессоров аналогичной ценовой категории для LGA775 систем, в основе которых лежат 45-нм полупроводниковые кристаллы. Впрочем, в процессе практических измерений мы получили противоположную картину. Система с Core i3-540 с полностью загруженным работой процессором, потребляла в номинальном режиме всего 86 Вт, а это — меньше зафиксированного нами потребления системы с процессором Core 2 Duo E7600. Вероятно, свой вклад здесь внесло существенное упрощение в LGA1156 системах набора логики, который теперь состоит из одного южного моста, так как все функции северного переданы процессору.

Частота процессоров в LGA1156 исполнении задаётся частотой базового тактового генератора (133 МГц в штатном режиме), которая умножается на устанавливаемый и зафиксированный для каждой модели коэффициент. Поэтому, разгон Core i3-540 выполнялся увеличением базовой частоты. Надо заметить, что 32-нм Clarkdale продемонстрировал несколько нетипичное поведение при разгоне. Максимальной частотой, при которой тестовый CPU смог работать без увеличения напряжений, оказалась лишь 3,2 ГГц. Дальнейший разгон пришлось выполнять планомерно увеличивая процессорное напряжение. А для того, чтобы Core i3-540 заработал на 4,2 ГГц, пришлось поднять и напряжение на встроенном в процессор северном мосту. Все последовательные установки параметров, при которых мы проводили оценочные тесты энергопотребления, собраны в следующей таблице.

Все остальные, не указанные в таблице напряжения в системе оставались на их штатных значениях.

Итак, давайте взглянем, как ведёт себя полное энергопотребление системы, построенной на Core i3-540, при разгоне.

График имеет непривычный характер. Тут нет пологого участка и резкого роста в конце. Из-за того, что нам пришлось орудовать напряжениями уже на втором шаге разгона, значительные скачки энергопотребления «размазаны» по всему графику. Тем не менее, 37-процентный прирост тактовой частоты при разгоне Core i3-540 до 4,2 ГГц приводит к ощутимому 50-ваттному увеличению общего энергопотребления. Примерно такой же прирост мы наблюдали при разгоне двухъядерных Core 2 Duo E7600 и Phenom II X2 555.

Не меньше сюрпризов преподносит и второй график, на котором показано изменение токов по основным питающим материнскую плату линиям.

Во-первых, хочется напомнить, что для питания процессора в LGA1156-системах используется не только выделенная специализированная 12-вольтовая линия. К ней подключены лишь вычислительные ядра CPU. Подача питания на второй процессорный кристалл, содержащий контроллер памяти, осуществляется посредством 12-вольтовой линии, подключающейся к материнской плате через 24-контактный разъём. Именно поэтому ток, проходящий через эти две линии питания, существенно возрастает при разгоне процессора. Причём, весьма любопытно, что в LGA1156-системе в ряде ситуаций, например, при работе процессора в штатном режиме, максимальная нагрузка ложится не на процессорную линию питания. Это — уникальная особенность новых интеловских систем, оснащённых процессорами семейства Clarkdale. К сожалению, использование «распределённой» схемы питания в LGA1156-системах не даёт нам возможности чётко ответить на вопрос о процессорном энергопотреблении в чистом виде. Тем не менее, даже беглый взгляд на график позволяет говорить о том, что при разгоне Core i3-540 с 3,07 до 4,2 ГГц происходит не менее чем двукратный рост энергопотребления CPU.

Core i7-860

Тестирование энергопотребления платформы LGA1156 не ограничилось одним лишь двухъядерным процессором Core i3-540. Для этого процессорного разъёма компания Intel предлагает не только двухъядерные, но и чрезвычайно популярные четырёхъядерные CPU семейства Lynnfield. Эти CPU не были обойдены нашим вниманием, и в число объектов тестирования попал Core i7-860. Данный процессор также как и Core i3-540 принадлежит к микроархитектуре Nehalem, но при этом основывается на монолитном кристалле, производимом по 45-нм технологическому процессу. Причём этот кристалл вмещает не только четыре вычислительных ядра, но и L3-кэш объёмом 8 Мбайт, двухканальный контроллер памяти и контроллер графической шины PCI Express x16. Выбранная нами модель Lynnfield, Core i7-860, относится к числу предложений из верхней части средней ценовой категории, а потому она поддерживает технологии Hyper-Threading и Turbo Boost. В результате, хотя номинальная частота этого CPU установлена равной 2,8 ГГц, в зависимости от нагрузки он может саморазгоняться до 3,46 ГГц.

Вкратце, суть технологии Turbo Boost заключается в том, что частоту процессора можно безболезненно повышать, если его тепловыделение при этом гарантированно не выходит за расчётную величину TDP, которая для рассматриваемого Core i7-860 установлена равной 95 Вт. Однако при нагрузке на все ядра частота этого CPU ограничена величиной 2,93 ГГц.

К сожалению, мы не можем сказать, сколько потребляет в реальности Core i7-860 при полной нагрузке, так как его схема питания имеет те же особенности, что и схема питания остальных LGA1156-процессоров. Но полное потребление платформы с этим процессором во время наших измерений не переваливало за 155-ваттную границу. Но это явно больше, чем потребляла протестированная нами LGA775-система с четырёхъядерным процессором, что вселяет подозрения о достаточно высоком энергопотреблении процессоров Lynnfiled.

Тестируя Core i7-860 на разгон, мы в первую очередь отключали Turbo Boost, так как инициируемые им плохо контролируемые изменения процессорного множителя снижают максимальные стабильные частоты. Зато при отключении этой технологии множитель Core i7-860 можно повысить на единицу выше номинальной величины. Эта возможность использовалась при разгоне, но в дальнейшем мы прибегали к изменению частоты базового генератора. Без повышения напряжения питания процессора выше штатных 1,125 В максимальная частота, при которой тестовый процессор смог стабильно работать при полной нагрузке, составила всего 3,4 ГГц. Впрочем, к счастью, ядро Lynnfield позитивно реагировало на рост напряжения, в результате чего разгон удалось довести для типичных для 45-нм ядер 4,0 ГГц. Набор параметров, использованных нами при разгоне до различных пределов, традиционно приводится в таблице.

Все остальные, не указанные в таблице напряжения в системе оставались на их штатных значениях. При этом следует понимать, что привёдённые значения не являются каким-то универсальным рецептом. Процессорные кристаллы отличаются друг от друга по параметрам, поэтому для разгона других экземпляров могут потребоваться немного другие настройки.

Рост общего потребления тестовой платформы при увеличении частоты процессора приведён на графике.

Картинка получилась очень наглядной. До 3,4 ГГц энергопотребление платформы растёт по чуть-чуть, примерно на 4—6 Вт на каждые 200 МГц, это ещё раз подтверждает наш тезис о том, что разгон без увеличения напряжения питания не наносит существенного ущерба экономичности системы. Однако дальше, после 3,4 ГГц, картина в корне меняется. Там каждые 200 МГц прироста частоты выливаются в 30—40-ваттную прибавку к энергопотреблению. И дело лишь в том, что на каждом шаге всего лишь на 0,1 В приходится увеличивать напряжение питания процессора для обеспечения стабильности.

Ещё более яркую картинку можно увидеть, если обратить внимания на значения токов.

При разгоне до 4 ГГц потребление Core i7-860 только по выделенной 12-вольтовой линии питания доходит до 180 Вт! А ведь этот процессор часть питания получает и по другой 12-вольтовой линии. Иными словами, по потреблению в разгоне процессоры Lynnfiled вполне могут потягаться с Phenom II X4 965 — здесь мы тоже видим значения токов, превышающие 15 А.

Core i7-950

Для верхней ценовой категории Intel позиционирует ещё одну платформу — LGA1366. Процессоры для этой платформы базируются на той же микроархитектуре Nehalem, однако имеют ряд особенностей. Именно наличие этих особенностей и стало причиной их включения в тесты энергопотребления при разгоне. Для тестов была взята модель со сравнительно невысокой ценой — Core i7-950. Этот процессор основывается на 45-нм ядре Bloomfiled, которое, пожалуй, следует отнести к первой версией воплощения Nehalem «в кремнии». Core i7-950, как и другие процессоры для LGA1366 (за исключением новейшего Core i7-980X), имеет четыре вычислительных ядра, встроенный трёхканальный контроллер памяти и контроллер шины QPI, по которой происходит общение с набором системной логики. Следует отметить, что, в отличие от LGA1156-систем, в платформе LGA1366 контроллер графической шины PCI Express находится в более традиционном месте — северном мосту чипсета, а не в процессоре.

Если же говорить конкретно о Core i7-950, то этот процессор имеет номинальную тактовую частоту 3,07 ГГц, но благодаря технологии Turbo Boost при неполной нагрузке может разгоняться до 3,33 ГГц. Поддерживается процессором и технология Hyper-Threading. Каждое из четырёх ядер имеет собственный L2-кэш объёмом 256 Кбайт, размер же разделяемого между ядрами L3 кэша равен 8 Мбайтам.

Сразу же бросается в глаза, что напряжение нашего тестового Core i7-950 установлено равным 1,2 В, что выше, чем напряжение аналогичного с точки зрения микроархитектуры Core i7-860. Выше оказалось и напряжение встроенного в процессор северного моста: 1,2 В вместо 1,1 В. И эти отличия не случайны: установленная Intel для LGA1366-процессоров величина типичного тепловыделения равна 130, а не 95 Вт, так что производитель явно принимает во внимание более высокие напряжения. Естественно, это отражается и на энергопотреблении LGA1366-систем. При работе в штатном режиме в системе с Core i7-950 было зафиксировано потребление на уровне 190 Вт, что позволяет отнести платформы LGA1366 к наиболее «прожорливым» конфигурациям.

Несмотря на столь высокое потребление и тепловыделение Core i7-950 отнёсся к разгону весьма благосклонно. Мы смогли добиться устойчивой работы этого процессора на частоте 4,2 ГГц, причём до частоты 3,6 ГГц он разогнался вообще без повышения каких-либо напряжений. Для построения графиков зависимостей энергопотребления и токов от частоты, как и ранее, была проведена серия измерений с шагом 200 МГц. Установки параметров при снятии показателей приводятся в таблице.

Заметьте: коэффициент умножения у Core i7-950 зафиксирован, поэтому разгон выполняется путём увеличения частоты базового тактового генератора. Однако благодаря технологии Turbo Boost существует возможность установки множителя, на единицу превышающего штатный.

Зависимость энергопотребления системы от частоты при полной загрузке процессора, обеспечиваемой утилитой LinX, имеет характерные очертания.

Надо сказать, что LGA1366-платформу отличает высокое потребление не только в штатном режиме. При разгоне ситуация сильно усугубляется, что, впрочем, не является никакой неожиданностью, так как для достижения стабильности на высоких частотах приходится увеличивать процессорные напряжения питания. В результате, работая на частоте 4,2 ГГц, Core i7-950 потребляет на 127 Вт больше, чем в штатном режиме. Причём следует заметить, что при тестировании в разгоне мы изменяли только параметры работы процессора, так что почти весь прирост энергопотребления следует отнести именно на его счёт.

В подтверждение этого можно привести и график изменения токов, поступающих на материнскую плату.

Ток, проходящий по выделенной на процессор 12-вольтовой линии питания, при разгоне увеличивается более чем вдвое. При этом не следует забывать, что часть питания, потребляемого встроенным северным мостом, процессор забирает с материнской платы, так что рост потребления по 5-вольтовой линии следует, по всей видимости, отнести также на его счёт. И кстати, как бы катастрофически не выглядело увеличение потребление разогнанного 4,2-гигагерцового Core i7-950, до частоты 3,8 ГГц токи по линиям питания растут не столь рьяно. Так что и при разгоне в LGA1366-системе основной прирост энергопотребления происходит лишь тогда, когда дело доходит до увеличения напряжений.

Энергопотребление в реальных приложениях

После знакомства с теми процессорами, которые мы выбрали для проведения тестов, и с особенностями поведения их потребления при разгоне, мы переходим ко второй части тестов — измерению энергопотреблению систем во время реальной работы. Тестирование производилось в нескольких типичных состояниях:

Состояние покоя, в котором находится тестовая система при отсутствии возлагаемой на неё нагрузки. В данном случае задействуются энергосберегающие технологии, поэтому реальное энергопотребление процессора оказывается минимальным.
Состояние максимальной процессорной нагрузки. В данном состоянии все процессорные ядра загружаются работой по максимуму, для чего используется пакет Linpack 64-bit в оболочке LinX 0.6.4.
Состояние максимальной нагрузки на систему целиком. В паре с утилитой LinX 0.6.4, генерирующей максимальную процессорную загрузку, запускается тест Furmark 1.8.0, один из режимов которого предназначается для стресс-тестирования графической подсистемы.
Работа в графическом редакторе. В этом состоянии на тестовой платформе запускался графический редактор Adobe Photoshop CS4, в котором выполнялся заскриптованный процесс ретуширования нескольких 10-мегапиксельных фотографий.
Двухпроходное перекодирование HD MPEG2 видео-ролика в разрешении 1280х720 с битрейтом 4Мбит/с в формат H.264 при использовании кодека x264.
Финальный рендеринг 3D-модели в Autodesk 3ds max 2010 в разрешении 1920х1080.
Игровая нагрузка, для создания которой мы в течение примерно пяти минут играли в популярный трёхмерный шутер Far Cry 2. Игра запускалась в разрешении 1920x1200 с 4xAA при максимальных настройках качества.

Каждый из тестовых процессоров мы подвергли испытаниям в трёх наиболее интересных режимах:

В штатном режиме, когда процессор работает на номинальной частоте, активированы все энергосберегающие технологии, а для процессоров с микроархитектурой Nehalem — и технология Turbo Boost;
При разгоне без поднятия напряжения питания. Как показали наши предварительные прикидки, именно такой разгон оказывается наиболее интересным для тех энтузиастов, которые задумываются не только о достижении максимальной производительности, но и беспокоятся об экономии электроэнергии.
Максимальный разгон, достижимый при использовании воздушной системы охлаждения и сравнительно безопасном повышении напряжения порядка 0,1—0,2 В.

Следует отметить, что при разгоне процессоров для проведения этой серии тестов, мы пользовались исключительно увеличением частоты тактового генератора, и оставляли процессорный множитель в значении по умолчанию. Необходимость именно такого подхода к разгону обуславливается тем, что при принудительной установке множителя исключается возможность работы технологий Enhanced Intel SpeedStep и Cool’n’Quiet, в основе которых лежит интерактивное изменение множителя. По аналогичным причинам при установке процессорных напряжений мы использовали опции относительного, а не абсолютного изменения этих величин — в этом случае энергосберегающие технологии сохраняют возможность снижения питающего напряжения при простое CPU. Для участвовавших в тестировании процессоров Core i3 и Core i7 в разгоне отключалась технология Turbo Boost, поскольку, как известно из наших предыдущих исследований, она снижает максимальную стабильную частоту, на которой могут функционировать процессоры.

В итоге, при тестировании энергопотребления систем в реальных задачах мы использовали наборы установок, приведённые в таблице.

На диаграммах ниже, если не указано иное, приведены усреднённые значения энергопотребления полной системы (включающей материнскую плату, процессор, память, видеокарту, жёсткий диск и процессорный кулер с вентилятором) при том или ином типе нагрузки на тестовые системы.

Состояние простоя

Энергопотребление системы во время простоя без нагрузки представляет интерес в первую очередь потому, что современные компьютеры находятся в таком режиме достаточно продолжительное время. Например, в данный момент, когда вы читаете эту статью, если на экран не попадают flash-баннеры, система, скорее всего, находится именно в таком состоянии. Большинство времени компьютер простаивает и при работе в тех приложениях, где какие-то события происходят только в ответ на действия пользователя. Типичным примером таких приложений являются, в частности, офисные пакеты. Иными словами, пусть потребление системы в моменты бездействия никоим образом не определяет требования к системе охлаждения и к блоку питания, но зато оно прямо влияет на суммы, наблюдаемые в счетах за электроэнергию.

Если не принимать во внимание разгон процессора, то с точки зрения экономичности в режиме простоя вырисовывается достаточно прозрачная зависимость. Наименьшее энергопотребление демонстрируют системы с процессорными разъёмами LGA775 и LGA1156, немного худший результат могут предложить платформы на процессорах AMD, но система, базирующаяся на дорогом LGA1366-процессоре, переплёвывает их результаты более чем в полтора раза. В целом, это же соотношение результатов сохраняется и при разгоне. Особым образом себя ведут только четырёхъядерные процессоры с микроархитектурой Nehalem: Core i7-950 и Core i7-860. Энергопотребление платформ на их основе, измеренное без нагрузки, увеличивается при разгоне несколько сильнее, чем во всех остальных случаях.

Редактирование изображений

Создаваемая при редактировании изображений в Photoshop нагрузка интересна с точки зрения тестирования энергопотребления в первую очередь своей разнородностью. Фильтры и операции, которые используются для ретуши цифровых фотографий, оптимизированы под многоядерные процессоры совершенно по-разному, а кроме того, с совершенно различной интенсивностью загружают шину памяти. Поэтому, загрузка вычислительных ядер и системы в целом во время работы с этим графическим редактором сильно скачет, что инициирует не только систематические переходы процессорных ядер в различные энергосберегающие состояния, но и постоянную работу Turbo Boost у процессоров Intel с поддержкой этой технологии.

При нагрузке такого типа энергопотребление остаётся сравнительно невысоким. Даже разогнанные системы с процессорами верхней ценовой категории не вылезают за границу в 200 Вт. Самый же лучший с точки зрения экономии электроэнергии результат показывает платформа, основанная на процессоре семейства Clarkdale. Это и неудивительно, ведь для производства таких CPU используется самая современная технология с 32-нм нормами. Впрочем, не следует забывать, что двухъядерные процессоры не могут соперничать с точки зрения производительности с процессорами четырёхъядерными. Так что, одновременно с Core i3-540, внимание следует обратить и на Core 2 Quad, который может похвастать низким энергопотреблением при разгоне, несмотря на наличие четырёх вычислительных ядер.

Перекодирование видео

Как известно из тестов производительности, перекодирование видео относится к тем видам нагрузки, которая хорошо масштабируется с ростом числа вычислительных ядер в системе. Более того, характер этой нагрузки таков, что она провоцирует достаточно серьёзный нагрев и энергопотребление CPU.

Учитывая сказанное, совершенно неудивительно, что потребление разогнанных систем существенно превышает потребление систем неразогнанных. В предварительных тестах потребления при полной нагрузке мы видели, что при разгоне ток, требуемый CPU, может возрастать более чем вдвое. Поэтому прирост потребления на уровне 30—40 Вт всего лишь от увеличения частоты CPU с небольшой коррекцией его напряжения питания — это вполне нормально. Выпадают же из этой картины лишь четырёхъядерные Nehalem: Core i7-860 и Core i7-950. В системах, базирующихся на этих CPU, разгон вызывает куда более значительное увеличение энергопотребления, достигающее 80—90 Вт.

Рендеринг

С точки зрения процессорной нагрузки финальный рендеринг в пакетах трёхмерного моделирования похож на перекодирование видео. Эта задача также хорошо распараллеливается и также достаточно сильно загружает процессор, заставляя его энергопотребление и тепловыделение приближаться к предельным значениям.

Вполне закономерно, что полученные при измерении потребления результаты очень похожи на те, что наблюдались во время перекодирования видео. Отметить стоит разве только то, что в данном случае энергопотребление оказывается всё-таки немного ниже, чем в предыдущих тестах.

Проведённые нами предварительные тесты показали, что существенное увеличение энергопотребления при разгоне возникает лишь в том случае, когда для достижения стабильности работы системы приходится прибегать к увеличению напряжений питания на процессоре. В данном случае мы видим подтверждение этого вывода на примерах из реальной жизни. Разгоняя процессор при сохранении штатного напряжения, мы прибавляем к энергопотреблению системы максимум 10 Вт. При попытках же выжать из процессора максимум по частоте, сопровождаемых установкой повышенных напряжений Vcore и Vtt, рост полного энергопотребления системы может легко достигать несколько десятков ватт. Причём, наибольшее увеличение прожорливости наблюдается, как ни удивительно, у процессоров с большим числом процессорных ядер, среди которых особенно «жадными» оказываются Core i7-860 и Core i7-950, относящиеся к поколению Nehalem.

3D-игры

До сих пор мы рассматривали приложения, создающие нагрузку в первую очередь на процессор, но не на видеоподсистему. Конечно, видеокарта использовалась для вывода изображения, но речь шла лишь о работе в 2D-режиме, в котором использовавшийся нами ускоритель ATI Radeon HD 5870 ведёт себя чрезвычайно экономично, потребляя не более 25 Вт. Другое дело — работа тестовых систем в 3D, где существенный вклад в итоговое энергопотребление системы вносит не только центральный, но и графический процессор. Именно для проверки того, насколько сильное влияние оказывает разгон на потребление геймерских систем, мы и включили в тесты популярный 3D-шутер.

Среднее энергопотребление процессора по сравнению с рендерингом или кодированием видео тут значительно ниже. Зато существенно выше потребление видеокарты. Результат такого перераспределения — уменьшение относительного влияния разгона CPU на итоговые показатели энергопотребления. Да, разогнанные геймерские системы в играх требуют электроэнергии больше. Но при сравнении полученных данных между собой выясняется, что даже увеличение напряжений питания процессора вносит не более чем 20-процентный вклад в общее энергопотребление под игровой нагрузкой. В целом же, среднее потребление разогнанных систем (с одной современной видеокартой) в процессе игры оказывается порядка 200—250 Вт.

Высокая нагрузка на CPU

Приложения вроде систем трёхмерного моделирования или программы для перекодирования и редактирования видео, безусловно, создают высокую процессорную нагрузку. Однако в природе существуют и более «тяжёлые» для CPU задачи. Примером такой задачи является Linpack –программная библиотека для решения систем линейных алгебраических уравнений. На её базе создана тестовая утилита LinX, используемая нами для создания нами наиболее высокой (с энергетической точки зрения) процессорной нагрузки.

Потребление в этом тесте, действительно, оказывается сравнительно высоким. Так, разогнанные системы, основанные на наименее экономичных четырёхъядерных процессорах Phenom II X4 965, Core i7-860 и Core i7-950 демонстрируют энергопотребление на уровне 250-350 Вт. И это — очень большие числа, выглядящие особенно внушительно на фоне 100-ваттного энергопотребления неразогнанных платформ, использующих двухъядерные процессоры Core i3-540 и Core 2 Duo E7600.

Высокая нагрузка на CPU и GPU

Результаты, полученные в LinX, высоки, однако это всё ещё не максимальное энергопотребление, поскольку эта утилита загружает работой лишь процессор. Чтобы параллельно с CPU создать нагрузку и на GPU, одновременно с LinX мы использовали ещё один графический тест, Furmark, вызывающий резкое повышение энергопотребления видеокарты — больше, чем в любых существующих реальных играх. Усреднённые показатели энергопотребления в таком искусственно созданном окружении выглядят так.

Комментировать особо нечего: в целом, наблюдается та же самая картина, что и на предыдущем графике. Лишь подросли абсолютные цифры, что неудивительно — свой немалый вклад внесла видеокарта. Но, несмотря на то, что в этом несколько искусственном тесте нам удалось добиться существенного увеличения энергопотребления тестовых платформ по сравнению с результатами при более реальной нагрузке, производители блоков питания будут явно расстроены. Даже самая прожорливая LGA1366 система потребляет в среднем не более 500 Вт, потребление же всех остальных платформ и вовсе не превышает 350—400 Вт.

Абсолютное максимальное энергопотребление

Хотя в предыдущих тестах мы и пытались воссоздать максимальную нагрузку, основываться на их результатах во время рассуждений необходимой мощности блоков питания всё-таки нельзя. Дело в том, что до сих пор мы оперировали усреднёнными результатами, которые даже при использовании специализированных программ, максимально задействующих ресурсы CPU и GPU, не совпадают с предельными. Это происходит главным образом из-за существенной неравномерности энергопотребления графической подсистемы, тратящей разное количество энергии во время рендеринга кадра и во время его вывода на экран. Поэтому к уже приведённым диаграммам мы добавили ещё одну — на которой приводится абсолютное максимальное значение энергопотребления платформы, зафиксированное на протяжении всей тестовой сессии. Именно по этим числам можно строить выводы о том, какой мощности блок питания требуется для разогнанного компьютера в том или ином случае.

Современные системы, основанные на неразогнанных процессорах и использующих одну одночиповую видеокарту, в большинстве случаев вполне могут довольствоваться качественным 300-400-ваттным блоком питания. Причём, мощность 400 Вт необходима лишь в системах с наиболее прожорливыми четырёхъядерными процессорами типа Core i7 или Phenom II X4. 400-ваттных блоков может быть достаточно и при разгоне процессора, когда дело не доходит до повышения его напряжения питания. Однако если вы помышляете о более существенном увеличении производительности системы через разгон, то мощная система питания просто необходима. Причём, как отчётливо видно по полученным данным, в этом случае не хватить может даже 500-ваттного блока: так, при разгоне до 4,2 ГГц процессора Core i7-950 максимальное энергопотребление достигло величины 530 Вт. И это, кстати, тоже не максимум, так как в рамках данного исследования мы не прибегали к разгону видеокарты, который также может внести осязаемый вклад в прирост энергопотребления.

Энергетическая эффективность

Говоря о том, что различные процессоры, работающие на разных тактовых частотах, демонстрируют различное энергопотребление, не следует забывать и о том, что их производительность также различается. Например, процессор может быть крайне экономичен, но и при этом настолько медленен, что решение самых элементарных задач в системах на его основе будет затягиваться на неопределённый срок. Именно поэтому производители CPU активно лоббируют комплексную величину «производительность на ватт», характеризующую то, насколько ценным для общего быстродействия системы оказывается каждый ватт затраченной энергии.

Оценка энергетической эффективности системы при разгоне — также весьма интересная тема. Ведь разгон увеличивает не только быстродействие, но и, как мы могли воочию убедиться, весьма серьёзно сказывается на энергопотреблении. Поэтому мы не стали обходить стороной и этот момент. Но вместо искусственной характеристики «производительность на ватт» избрали объектом своего исследования другую, более понятную величину — количество электрической энергии, необходимой для проведения одного и того же объёма вычислений разными системами. Иными словами, мы взялись за измерение расхода ватт-часов при прохождении типовых тестов, продолжительность работы которых прямо зависит от скоростных характеристик CPU. Следует отметить, что величины «расход электрической энергии» и «производительность на ватт» связаны между собой обратной зависимостью, то есть, на основании наших результатов вполне можно будет делать выводы и об отношении быстродействия и энергопотребления.

Редактирование изображений

Неожиданно, не правда ли? Оказывается, несмотря на то, что при разгоне энергопотребление процессора увеличивается, зачастую мы не проигрываем, а даже выигрываем с точки зрения затрат электроэнергии. Ведь разгон увеличивает не только потребление, но и скорость работы. В результате, один и тот же объём операций разогнанная система может выполнить быстрее, чем неразогнанная, что становится залогом неожиданной экономии. Но не следует забывать, что если во главу угла поставлена именно экономичность системы, разгоном не стоит слишком увлекаться. Увеличение напряжения питания процессора вызывает резкий скачок энергопотребления, который, как хорошо видно по результатам, уже не компенсируется ростом производительности. То есть, при получении счетов от энергетической компании в выигрыше оказываются не все оверклокеры, а лишь те, кто отнёсся к разгону с осторожностью и не стал увеличивать процессорное напряжение и отключать энергосберегающие технологии.

Перекодирование видео

Изменение типа нагрузки на процессор не приводит к изменению тех неожиданных закономерностей, которые были выявлены при измерении расхода электроэнергии во время ретуширования фотографий в графическом редакторе. Несмотря на то, что Photoshop CS4 далеко не всегда загружает все процессорные ядра, а видеокодеки, напротив, создают достаточно тяжёлую процессорную нагрузку, соотношение между результатами разогнанных и неразогнанных процессоров остаётся таким же.

И не стоит удивляться такому положению дел. При увеличении частоты процессора с постоянным напряжением потребление системы растёт линейно, причём с достаточно низким коэффициентом пропорциональности. Время, затрачиваемое на выполнение вычислительных задач, при увеличении частоты процессора уменьшается тоже линейно. Однако за счёт того, что в рост потребления системы при разгоне процессора вносит вклад лишь он сам, в то время как остальные компоненты платформы не изменяют своих энергетических свойств, скорость увеличения производительности оказывается выше скорости роста потребления. Результат оказывается вполне закономерным: если при увеличении частоты процессора его напряжение не меняется, оставаясь на номинальном уровне, разгон оказывается выгоден с точки зрения минимизации затрат энергии.

Финальный рендеринг

Абсолютно такая же картина наблюдается и при финальном рендеринге. Разгон процессора без увеличения напряжения питания позволяет сэкономить на энергетических затратах. Более агрессивный разгон, при котором напряжение питания процессоров подвергается увеличению, напротив, приводит к перерасходу электроэнергии, несмотря на ускорение вычислительных процессов.

Обратите внимание, четырёхъядерные процессоры практически всегда оказываются выгоднее (с точки зрения расхода электроэнергии), чем двухъядерные. Да, эти CPU обладают более высокой производительностью на ватт, но это верно лишь в задачах, оптимизированных под многоядерные системы. Одновременно с этим безусловными лидерами по энергетической эффективности оказываются процессоры Intel ,причём как относящиеся к предыдущему поколению и основанные на микроархитектуре Core, так и некоторые более новые CPU с микроархитектурой Nehalem, среди которых можно выделить процессоры семейств Clarkdale и Lynnfield, но не более старые Bloomfield. Всё-таки платформы LGA1366 и в особенности Socket AM3 — далеко не лучшие варианты с точки зрения «коэффициента полезного действия».

3D-игры

3D-игры — совершенно иной тип нагрузки. Здесь разгон процессора не приводит к уменьшению продолжительности работы вычислительных процессов, так как время прохождения игры зависит лишь от умений игрока, но никак не от количества кадров в секунду. Поэтому, зависимость между разгоном и потреблением электроэнергии происходит по другим законам.

Разгон процессора, напротив, может вызвать в игре увеличение числа fps, то есть количества кадров, которое CPU передаёт на рендеринг видеокарте. В результате, растёт не только процессорное энергопотребление, но и потребление видеокарты, так как на неё возлагается дополнительная нагрузка. Именно поэтому разгон геймерских систем, вне зависимости от условий, по которым он проводится, — это всегда увеличение энергетических затрат. Так что сэкономить за счёт разгона можно лишь в тех случаях, когда время работы процессора над поставленной задачей явно связано с его производительностью. Игры к таким случаям не относятся, так что разгон здесь может быть интересен лишь как средство улучшения визуальной привлекательности и уменьшения времени отклика на действия игрока.

Выводы

В наших материалах мы постоянно говорим о разгонном потенциале процессоров и даже зачастую проводим тесты разогнанных систем. Однако следует понимать, что разгон процессора — это не только доступный метод увеличения производительности системы без необходимости вложения дополнительных инвестиций. Несмотря на то, что разгон опустился до потребительского уровня и теперь не требует от пользователя никаких специальных знаний и умений, за простым изменением настроек в BIOS Setup могут скрываться многочисленные подводные камни. В этой статье мы попытались обнажить один из таких камней, с которыми приходится сталкиваться энтузиастам: при разгоне процессора происходит рост его энергопотребления. Причём, вывести энергопотребление процессора далеко за расчётные параметры не стоит особых усилий, и к такому стечению обстоятельств нужно быть готовым заранее. Система охлаждения процессора должна позволять рассеивать значительные количества тепла. Схема питания процессора на материнской плате должна иметь более чем двукратный «запас прочности» по току. А блок питания компьютера должен обладать мощностью, примерно в полтора раза превышающей максимальное потребление системы, работающей в номинальном режиме.

Получается, что без дополнительных затрат при разгоне обойтись всё же нельзя. Более того, они должны быть сделаны заранее, ещё на этапе приобретения комплектующих. И, к сожалению, пренебречь ими практически невозможно: с ростом энергопотребления при разгоне мы сталкиваемся всегда, вне зависимости от того, какая платформа и процессор с какой микроархитектурой лежит в основе компьютера. Впрочем, нам бы не хотелось излишне драматизировать рост потребления при разгоне. Ведь, как показало практическое тестирование, всегда есть возможность отделаться «малой кровью».

Если посмотреть на график роста энергопотребления при разгоне практически любого процессора, то нетрудно заметить, что он состоит из двух характерных участков: сравнительно пологая и неспешно растущая прямая вдруг резко меняет угол наклона и устремляется ввысь. Перелом на этой линии наступает не случайным образом, а во вполне определённый момент — когда дело доходит до повышения напряжения питания на процессоре. Иными словами, безудержного роста энергопотребления процессора при разгоне можно не опасаться до тех пор, пока для достижения стабильности на повышенных частотах не приходится увеличивать системные напряжения. Разгон же при сохранении номинальных напряжений хотя и не даёт достичь столь же высокого уровня производительности, зачастую оказывается не таким уж бесперспективным мероприятием. Например, в наших тестах сразу несколько процессоров заработали на 3,6—3,8 ГГц при штатном напряжении. И, кстати, такой разгон не только не накладывает на системы охлаждения и питания какие-то чрезмерно высокие требования, но и позволяет ощутимо сэкономить на затратах электроэнергии при решении ресурсоёмких вычислительных задач.

В заключение хочется подчеркнуть, что разные процессоры при разгоне до примерно одних и тех же пределов по частоте показывают совершенно разное энергопотребление. Вполне очевидно, что четырёхъядерные модели оказываются при разгоне более «прожорливыми». Но кроме этого, прослеживаются и другие зависимости: в частности, наиболее экономично в разгоне ведут себя процессоры под платформу LGA775, также достаточно скромными аппетитами отличаются процессоры Athlon II. Нельзя не выделить и испытывавшийся нами Core i3-540. Это — единственный в тестировании процессор, при производстве которого частично применяется самый современный 32-нм технологический процесс, что не могло не отразиться на результатах. Он совершенно закономерно продемонстрировал минимальное энергопотребление и при работе на положенной частоте, и во время разгонных экспериментов.

Лидерами же в энергопотреблении (в плохом смысле) оказались процессоры семейств Phenom II и Core i7. Их разгон приводит к гораздо более существенному увеличению полного энергопотребления, чем в других случаях. И речь идёт не только об абсолютных значениях. Даже в относительных величинах разгон таких процессоров может приводить к росту потребления полной системы на 40—50 %. Так что при выборе блока питания для оверклокерской системы мы советуем закладывать именно такой запас по мощности.

Другие материалы по данной теме

Энергопотребление компьютеров: так сколько нужно ватт?
Нужен ли нам PhysX? Тестирование EVGA GeForce GTX 275 CO-OP PhysX Edition: уровень энергопотребления
Игры миллионеров: ATI Radeon HD 5970 CrossFireX и NVIDIA GeForce GTX 295 SLI: измерение энергопотребления: