Исследование зависимости производительности различных версий процессоров Pentium 4 от температуры

Введение

В одной из наших последних статей мы изучали вопрос зависимости процессора Pentium 4 с частотой 3.06 ГГц от температуры. Полученные результаты немного отличались от тех, которые мы ожидали увидеть. Прежде всего, в памяти многих из пользователей ещё живёт видеоролик, снятый сотрудниками сайта TomsHardware, в котором процессор Pentium 4 с частотой 1.6 ГГц продолжал работать даже после того, как с него был снят штатный кулер, то есть практически без охлаждения. С другой стороны, различные публикации в сети говорили о ступенчатом регулировании скорости процессора системой Thermal Control Circuit, но никак не о плавном. Кроме того, существовало мнение, что процессор Pentium 4 вообще не должен иметь нижнего предела регулировки производительности системой Thermal Control Circuit, и при необходимости производительность процессора может быть снижена чуть ли не в десять раз. Чтобы не пытаться молоть воду в ступе, нами было принято решение провести экспериментальное исследование работы Thermal Monitor и Thermal Control Circuit на различных моделях процессоров Pentium 4.

Но прежде всего, поговорим о системах Thermal Monitor и Thermal Control Circuit. Тем нашим читателям, которые никогда не слышали про эти две технологии, я предлагаю прочитать статью «Исследование зависимости производительности Pentium 4 от температуры». Остальным нашим читателям я вкратце напомню, что же такое Thermal Monitor и Thermal Control Circuit.
В процессорах Pentium 4 компания Intel применила технологию, защищающую ядро процессора от перегрева. Эта технология получила название Thermal Monitor. Принцип её работы основан на показаниях одного из термодатчиков (всего их два), установленного в наиболее горячей точке ядра процессора, и работе схемы Thermal Monitor, связанной с этим датчиком. Схема Thermal Monitor в реальном времени сравнивает значение температуры из этого датчика с некоторым пороговым значением температуры, специально задаваемым для каждого процессора. При превышении температурой ядра этого порогового значения системная логика начинает выдавать особый сигнал PROCHOT#, по которому запускается логика Thermal Control Circuit, модулирующая внутреннюю тактовую частоту процессора. Эта логика определяет, сколько тактов должен простаивать процессор, то есть, задаёт длину холостых циклов – тех циклов, за которые процессор не выполняет команды. В результате внутренняя частота блоков процессора падает, что приводит к снижению энергопотребления и, как следствия, тепловыделения. Благодаря такому снижению эффективной частоты процессора (числа «нехолостых» циклов в секунду), удаётся остановить рост температуры процессора и более того – удерживать её на постоянном уровне.
Система Thermal Control Circuit, реализованная в процессорах Pentium 4, может сослужить как хорошую, так и плохую услугу. Дело в том, что Thermal Control Circuit, бесспорно, значительно повышает стабильность работы процессора, наделяя его иммунитетом к внешним воздействиям. К примеру, если компьютер используется в жарком помещении, или процессор установлен в корпусе с плохой вентиляцией, он всё равно будет работать, даже не смотря на высокую температуру, но при этом будет работать медленнее, хотя программы диагностики процессора, такие как WCPUId, по-прежнему будут показывать «номинальную» частоту процессора – ту, которая получается путём умножения системной шины на множитель процессора. А так как стабильность работы – основополагающий фактор, на который рассчитывают покупатели процессора, то здесь Thermal Control Circuit выполняет неоценимую услугу.
С другой стороны, пользователь может и не догадываться о существовании систем Thermal Monitor и Thermal Control Circuit и не обращать внимание на температуру процессора. Поэтому если «ни с того, ни с сего» с наступлением летней жары компьютер начнёт «тормозить», все камни полетят в огород Intel и её «тормозных» процессоров. И если не знать о регулировке производительности процессора в зависимости от температуры, то можно долго обливать грязью Pentium 4 за его низкие скоростные показатели. А ведь причина могла быть в том, что с наступлением летней жары установленного на процессор кулера стало не хватать, и температура ядра процессора превысила некоторое пороговое значение (для разных процессоров оно разное и, как было выяснено экспериментальным способом, находится в интервале 70-75 градусов Цельсия), после чего процессор снизил свою внутреннюю частоту, продолжая тем не менее, работать стабильно. И простая замена кулера, или установка дополнительного вентилятора в корпус компьютера могла бы решить проблему, вернув процессору реальную производительность, но чтобы сделать это, надо знать о том, что производительность Pentium 4 может зависеть от температуры в том случае, если эта температура превысила некоторое пороговое значение.
Как уже было сказано, в процессоре Pentium 4 установлено два термодатчика. Один из них является частью схемы Thermal Monitor, он установлен в наиболее горячей точке ядра, и с помощью этого датчика Thermal Monitor сравнивает температуру ядра процессора с пороговым значением, при котором выдаётся сигнал PROCHOT#. Этот датчик недоступен для программ аппаратного мониторинга, и прочитать его показатели невозможно. Ещё один термодатчик так же установлен в ядре процессора, но где именно, нам неизвестно. Показания этого датчика доступны для BIOS материнской платы и программ аппаратного мониторинга. Между этими двумя датчиками существует некоторое расстояние, и можно предположить, что температура процессора возле каждого из них будет различна. Но так как процессоры, используемые в нашем обзоре, имеют очень высокое тепловыделение (несколько десятков Ватт, см. таблицу в конце обзора) и малую площадь ядра, то можно считать, что градиент температур между двумя термодатчиками будет минимален. Кроме того, можно предположить, что два термодатчика имеют погрешность относительно друг друга и даже при одинаковой температуре будут передавать различные значения системе Thermal Monitor и материнской плате. Но проверить это практически невозможно, поэтому будем считать, что в процессорах Pentium 4 оба термодатчика показывают одинаковую температуру, и температура, показываемая программой аппаратного мониторинга, соответствует температуре датчика системы Thermal Monitor.
Рассмотрим, как работают Thermal Monitor и Thermal Control Circuit на различных процессорах Intel Pentium 4.

Конфигурация тестовой системы

Кулер: стандартный кулер от Intel, поставляющийся в коробочках с процессорами Pentium 4
Материнская плата: Asus P4PE
Память: 256 Мб PC2100
Видеокарта: GeForce4 MX440-8x
Винчестер: IBM DTLA 15 Гб, 7200 об./мин.
Звуковая карта: SoundBlaster Live! Value
CD-ROM 24x
Дисковод
Корпус: InWin J-536
Операционная система: Windows XP Professional

На этой тестовой конфигурации проверялась зависимость производительности различных процессоров Pentium 4 от температуры.

Методика тестирования

Так как нам необходимо выяснить, изменяет ли Thermal Control Circuit производительность процессора плавно, или делает это ступенчато, нам нужно плавно повышать температуру процессора, одновременно следя за показателями его производительности. Отключать или снимать кулер с процессора не годится, поскольку в этом случае температура процессора будет расти слишком быстро, что не даст нам реальной картины, как работает Thermal Control Circuit. Чтобы плавно повышать температуру процессора, нами была разработана специальная методика. Прежде всего, вентилятор кулера, устанавливаемого на процессор, искусственно затормаживался с помощью регулятора Zalman FanMate.


Частота вращения пропеллера вентилятора была занижена с номинальных 2500 оборотов в минуту до 1383 оборотов в минуту. Это дало нам возможность снизить эффективность охлаждения процессора настолько, чтобы его температура максимально выросла и остановилась на некотором значении. Если бы мы полностью отключили вентилятор или вообще сняли кулер, то температура процессора продолжала бы быстро расти до тех пор, пока встроенная защита от катастрофического перегрева не отключила бы компьютер. Но так как температура процессоров в конечном итоге останавливалась на некотором значении, нужно было каким-либо способом продолжать плавно повышать её. Ещё сильнее тормозить скорость вращения пропеллера процессора нельзя, поскольку на очень низких оборотах эффективность охлаждения кулера уже не будет столь прямолинейно зависеть от частоты вращения лопастей пропеллера, и температура ядра процессора будет расти не так плавно, как нам надо. Намного проще пойти другим путём. Температура процессора при постоянной нагрузке и одном и том же кулере будет находиться практически в линейной зависимости от температуры воздуха в корпусе компьютера, а та, в свою очередь, зависит от температуры окружающего воздуха. То есть, температура процессора прямо пропорциональна температуре окружающего воздуха. Плавно повышая температуру окружающего воздуха, мы сможем плавно повышать температуру процессора.


Для плавного изменения температуры окружающего воздуха применялся медицинский инкубатор MIR-253 производства компании SANYO. Данный инкубатор представляет собой шкаф размерами 162x50x70 см. Внутренний объём MIR-253 равен 254 литрам. Этого объёма вполне достаточно, чтобы поместить внутрь инкубатора системный блок, собранный в корпусе формата ATX. Через специальное отверстие в стенке инкубатора к системному блоку подводились кабели питания, клавиатуры, мыши и монитора. Инкубатор совмещает в себе холодильный агрегат и нагреватель; потребляемая мощность MIR-253 составляет 220 Вт, инкубатор позволяет изменять температуру внутри себя от -10 до +50 градусов Цельсия с точностью 0.1 градуса Цельсия. Установив внутрь этого шкафа системный блок, мы помещаем его в термически изолированную среду, в которой температура воздуха не зависит от температуры в помещении и может задаваться нами в указанных пределах. Правда, как выяснилось в процессе тестирования, высокую точность установки внутренней температуры в инкубаторе достигнуть не удаётся. Дело в том, что компьютер представляет собой мощный нагревательный элемент, стремящийся постоянно увеличивать температуру окружающего воздуха. Поэтому температура воздуха в инкубаторе постоянно колеблется в пределах 0.5-1.0 градусов Цельсия. В принципе, такой точности нам более чем достаточно для проверки работы технологии Thermal Control Circuit.


С помощью инкубатора MIR-253 мы получили возможность изменять температуру окружающей среды для компьютера с точностью до 1 градуса Цельсия, в результате чего температура процессора должна будет увеличиваться пропорционально увеличению температуры внутри MIR-253.
Тестирование процессоров проводилось в два этапа. На первом этапе производительность процессора отслеживалась в реальном приложении – игре Unreal Tournament 2003. Для этого игра запускалась одновременно с программой FRAPS, отображающей в реальном времени число кадров в секунду практически в любом Direct3D приложении. Мы не стали использовать встроенные в Unreal Tournament 2003 средства для измерения скорости, поскольку бенчмарки отображают значения скорости лишь по результатам пройденных тестов, а те значения, которые выводятся в реальном времени, пишутся слишком мелким шрифтом. При запуске программы в маленьком окошке, этот мелкий шрифт будет нечитаем. Программа FRAPS так же потребляет ресурсы процессора, но нам это не столь важно, поскольку для нас большее значение имеют не абсолютные показатели скорости, а их изменение в зависимости от температуры. Настройки игры Unreal Tournament изменялись таким образом, чтобы максимально снизить нагрузку на видеокарту, поставив производительность в наибольшую зависимость от центрального процессора. Игра запускалась в окне, в разрешении 320x240 при 16-битной глубине цвета. В игре запускался режим «Instant Action», выбирался уровень DM-Asbestos, все боты отключались, чтобы не влиять на скорость рендеринга. После запуска игры выбиралось место, где число отображаемых кадров в секунду было постоянным, и сцена была видна как можно лучше, чтобы увеличить нагрузку на процессор. В этом месте главный герой останавливался, и с этого момента ни мышь, ни клавиатура не трогались, чтобы не изменить положение экрана в игре. Таким образом, мы получили скорость рендеринга одной и той же сцены реального игрового приложения, и значению этой скорости предстояло изменяться в зависимости от температуры процессора. Так как игра была запущена «в окне», мы могли наблюдать температуру процессора параллельно с помощью запущенной программы аппаратного мониторинга Asus PC Probe, поставляющейся вместе с материнской платой, без прерывания тестов. Всё, что оставалось сделать после запуска Unreal Tournament 2003 – это повышать температуру внутри инкубатора. В процессе тестирования мы снимали два показателя: число кадров в секунду в игре и температуру процессора. При изменении любого из этих показателей записывались оба, таким образом мы можем видеть, как падала скорость в игре при постоянной температуре процессора и наоборот – как температура росла, а скорость оставалась прежней. На этом этапе мы могли получить температурный порог, при котором Thermal Monitor выдаёт сигнал PROCHOT#, и Thermal Control Circuit начинает влиять на внутреннюю частоту блоков процессора. Так же на этом этапе мы получали температурный порог, при котором Thermal Control Circuit перестаёт снижать производительность процессора, а так же график с двумя линиями: температурой CPU и скоростью в игре, построенный с максимально возможной в нашем случае точностью.
На втором этапе нам предстояло выяснить, как изменяется производительность процессора при быстром нагреве. Для этого мы использовали тестовый пакет CPU RightMark 2 RC3, а точнее его модуль CPU OverClocking, который так же в реальном времени изменяет производительность процессора. При запуске этого теста вентилятор на кулере процессора останавливался, после чего температура ядра Pentium 4 начинала быстро расти, а производительность – снижаться. На этом этапе мы могли отчётливо видеть, на сколько может снизиться производительность процессора. К сожалению, при столь быстром нагреве очень трудно сопоставить падение скорости с увеличением температуры, поэтому CPU RightMark давал нам только кривую падения производительности процессора, не более того.

Pentium 4 1.6 ГГц

Один из первых процессоров формата Socket 478. Этот Pentium 4 имеет ядро Willamette с 256 килобайтами КЭШа второго уровня и работает на 400 МГц системной шине. Процессор имеет степпинг 2, ревизию D0.


Посмотрим, как зависит его производительность от температуры на примере Unreal Tournament 2003. Должен сказать, что данная диаграмма строилась по двум значениям: по числу кадров в секунду и по температуре процессора. Временной характеристики здесь, как и в последующих диаграммах Unreal Tournament 2003, нет!


Ну что же, температурный порог, при котором срабатывает Thermal Monitor, и за дело берётся Thermal Control Circuit, составляет для процессора Pentium 4 1.6 ГГц на ядре Willamette целых 74 градуса Цельсия. Начиная с этой температуры, процессор начинает сбавлять производительность. Как видно из диаграммы, в процессе тестирования, Thermal Monitor позволил температуре вырасти на три пункта: с 74 до 77 градусов Цельсия, за это время производительность упала на 36 пунктов: с 77 до 41 кадра в секунду, то есть, в 1.8 раза. После того, как температура достигла 77 градусов Цельсия, производительность процессора больше не снижалась, не смотря на то, что рост температуры продолжался. Проверим максимальные пределы регулирования производительности при помощи программы CPU RightMark.
На примере этой диаграммы мы видим, что производительность процессора при нагреве его ядра плавно снизилась в 1.9 раз. То есть, количество холостых циклов, выполняемых процессором по требованию системы Thermal Control Circuit даже не составляет и половины от числа эффективных циклов. И это – максимальный результат, которого мы добились от Thermal Control Circuit в данном процессоре. После того, как процессор начал резко охлаждаться (был включен вентилятор на кулере), производительность так же резко вернулась на исходное значение.
Процессор Pentium 4 1.6 ГГц оказался мало чувствительным к повышению температуры. После того, как графики зависимости его производительности от температуры были сняты, нам предстояло узнать последнее значение: значение температуры, при которой система отключится во избежание повреждения процессора слишком высокой температурой. Это значение составило целых 110 (!) градусов Цельсия. Именно при 110 градусах процессор отключился во избежание катастрофического перегрева. Ну что же, такой высокий иммунитет к температуре заслуживает похвалы.
Посмотрим, как относятся к перегреву более поздние процессоры Intel на ядре NorthWood.

Pentium 4 1.8 ГГц

Следующим процессором, которому предстояло пройти наше тестирование, стал Pentium 4 с частотой 1800 МГц. Этот процессор построен на ядре NorthWood с 512 Кб КЭШа второго уровня. Этот процессор имел степпинг 4, ревизии B0. Он работал на номинальной частоте, на напряжении 1.5 В и на системной шине 400 МГц.


Ну что же, первые результаты: зависимость скорости в Unreal Tournament 2003 от температуры.


Как видно, измеренный нами температурный порог, при котором срабатывает Thermal Control Circuit, для Pentium 4 1.8 ГГц составляет 68 градусов; при этом значении температуры ядра процессора скорость игры начинает падать. В итоге, температура процессора была повышена на 4 пункта – с 68 до 72 градусов Цельсия, а производительность в игре Unreal Tournament упала на 49 пунктов: с 87 до 38 кадров в секунду (в 2.28 раз). После того, как температура процессора поднялась до 72 градусов Цельсия, логика Thermal Control Circuit больше не снижала производительность процессора, и температура продолжала расти при постоянном значении скорости – 38 кадров в секунду. Когда процессор нагрелся до 95 градусов Цельсия, система отключилась, чтобы исключить температурное повреждение ядра процессора.
Перейдём к результатам, полученным при быстром нагреве процессора и диаграмме, составленной CPU RightMark.
В процессе этого теста производительность процессора при нагреве плавно снизилась в 2.7 раз. После того, как вентилятор на кулере снова был включен, температура процессора резко снизилась, и производительность вернулась на прежний уровень. Ну что же, перейдём к тестированию следующего процессора.

Pentium 4 2.0 ГГц

Следующим шагом проверим работу процессора Pentium 4 с частотой 2.0 ГГц. Этот процессор построен на ядре NorthWood, он имеет степпинг 7 ревизии C1. Данный процессор работает на частоте системной шины 400 МГц и на напряжении 1.5 В.


Ну что же, посмотрим на зависимость производительности процессора Pentium 4 2.0 ГГц от температуры в Unreal Tournament 2003.


Здесь температурный порог для срабатывания Thermal Monitor и задействования Thermal Control Circuit составляет 73 градуса Цельсия. При этой температуре скорость Unreal Tournament 2003 начинает снижаться. Верхний температурный порог составляет 77 градусов Цельсия. За время увеличения температуры процессора на 4 градуса, производительность снизилась в 2.2 раза: с 92 до 41 кадра в секунду. Дальше процессор уже не сопротивлялся увеличению температуры ядра.
Проверим падение производительности Pentium 4 2.0 ГГц в тесте CPU RightMark.
Как видно из диаграммы, при отключении вентилятора на кулере процессора, его производительность плавно, но быстро снижается в 2.62 раза.
Последнее, что нам оставалось проверить – это температура, при которой система температурного мониторинга процессора выключает компьютер. Отключив вентилятор на кулере процессора, нам удалось нагреть Pentium 4 2.0 ГГц до 98 градусов Цельсия. На этом значении температуры компьютер и отключился, чтобы предотвратить смерть процессора вследствие перегрева.

Pentium 4 3.06 ГГц

Самым новым процессором семейства Pentium 4 на момент написания статьи был Pentium 4 3.06 ГГц, тестированием которого мы и завершим наше исследование.

Процессор Pentium 4 3.06 ГГц построен на ядре NorthWood. Он работает на напряжении 1.6 В, частоте системной шины 533 МГц и в отличие от всех рассмотренных выше процессоров, поддерживает технологию Hyper-Threading, благодаря которой один физический процессор определяется системой как два логических, и в итоге один процессор как бы работает «за двоих». Более подробно о технологии Hyper-Threading Вы можете прочитать здесь.


Процессор имеет степпинг 7 ревизии C1. Мы уже тестировали зависимость производительности Pentium 4 3.06 ГГц от температуры, и более подробно об этой зависимости Вы можете прочитать здесь. Рассмотрим зависимость скорости в Unreal Tournament 2003 компьютера на базе этого процессора от температуры ядра CPU.


Данный процессор в нашем тестировании имеет самую нелинейную диаграмму. Температурный порог, при котором начинает срабатывать Thermal Monitor, составляет для него 72 градуса Цельсия. Тем не менее, Thermal Control Circuit, понижая производительность процессора, позволил ему прогреться до 85 градусов Цельсия, снизив скорость в игре на 66 пунктов: со 115 до 49 кадров в секунду, то есть, в 2.3 раза. На диаграмме видно, как быстро может увеличиваться температура даже при попытках процессора сопротивляться её повышению.
Посмотрим на пределы регулирования производительности процессора при помощи теста CPU RightMark.
Как видно из диаграммы, в случае перегрева процессор может плавно снизить производительность в 2.7 раз. Так как Pentium 4 3.06 ГГц является самым «горячим» из всех протестированных процессоров, то мы видим, что при включении вентилятора на кулере процессор остывает не слишком быстро, и, как следствие, производительность восстанавливается не резко, а плавно.
Нагрев процессора до критической температуры показал, что Pentium 4 3.06 ГГц выключает систему уже при нагреве своего ядра до 94 градусов Цельсия.

Таблица результатов

Ну что же, сведём результаты тестирования в единую таблицу и посмотрим, как изменялась работа Thermal Monitor и Thermal Control Circuit от процессора к процессору, начиная с Pentium 4 1.6 ГГц и заканчивая Pentium 4 3.06 ГГц.


Как видно, самый низкий порог срабатывания Thermal Monitor у процессора Pentium 4 1.8 ГГц и составляет 68 градусов Цельсия. Больше всех нагреться процессору позволяет Thermal Control Circuit у Pentium 4 3.06 ГГц, что можно объяснить очень большим тепловыделением данной модели процессора. С момента активизации Thermal Control Circuit до того момента, как эта логика перестала снижать «обороты» процессора, его температура выросла аж на 13 градусов Цельсия. Самый высокий иммунитет к повышению температуры оказался у Pentium 4 1.6 ГГц на ядре Willamette. Мало того, что система Thermal Control Circuit позволила вырасти температуре всего на 3 градуса Цельсия, да ещё и сам процессор мог работать при температуре ядра вплоть до 110 градусов Цельсия.

Выводы

На примере тестирования четырёх процессоров Pentium 4, построенных на разных ядрах и с разными степпингами, мы можем сделать выводы о работе систем Thermal Monitor и Thermal Control Circuit. Прежде всего, ни один из протестированных процессоров не сгорел при проведении экспериментов. Так как система температурного мониторинга в Pentium 4 встроена в ядро и работает независимо от материнской платы, все процессоры успевали отключаться прежде, чем их температура достигнет критического значения, после которого процессор сгорит. С моей точки зрения, технологии Thermal Monitor и Thermal Control Circuit лучше всего реализованы в Pentium 4 1.6 ГГц, так как процессор начинает затормаживаться при температуре, меньшей, чем максимально допустимая по спецификации Intel. Кроме того, из-за работы Thermal Control Circuit, этот процессор очень хорошо сопротивляется нагреву – с момента срабатывания Thermal Monitor до момента, когда процессор перестал замедляться, температура его ядра увеличилась всего на 3 градуса Цельсия.
Работа Thermal Monitor и Thermal Control Circuit на новейшем процессоре Pentium 4 с частотой 3.06 ГГц, судя по графикам, немного отличается от более старых процессоров, так как на некоторых участках Pentium 4 3.06 ГГц позволяет расти температуре, очень слабо снижая свою производительность. Ну и, конечно же, интервал температур, в которых работает Thermal Control Circuit, здесь так же сильно впечатляет: система температурной регулировки производительности слишком слабо сопротивляется повышению температуры, позволяя ей подниматься с порогового значения в 72 градуса Цельсия до 85 градусов Цельсия, то есть, почти на 19%.
Наши тесты доказали, что при остановке вентилятора на кулере процессоров Pentium 4, компьютер ещё сможет работать стабильно в течение некоторого времени, которого может вполне хватить для сохранения открытых документов и выключения компьютера. Кроме того, даже если пользователь не успеет сделать это, процессор сам отключится при слишком высокой температуре и останется при этом в исправном состоянии. Теперь мы можем утверждать, что максимально допустимая температура работы ядра процессора, указанная в документации Intel на процессоры Pentium 4, при кратковременном воздействии не является опасной для процессора и не приведёт к его выходу из строя. Компания Intel в этом плане перестраховывается, и у Pentium 4 есть большой запас температуры, при которой процессор будет продолжать работать стабильно.
Очень интересными оказались значения температур, при которых процессор отключается во избежание катастрофического перегрева. Дело в том, что судя по документации Intel для процессоров Pentium 4, температура, при которой процессор подаёт сигнал THERMTRIP# на отключение себе питания, составляет примерно 135 градусов Цельсия. Ближе всего к этой температуре смог подойти Pentium 4 1.6 ГГц, отключившись при 110 градусах Цельсия. Остальные процессоры были отключены при температуре, меньшей 100 градусов Цельсия. Почему процессоры отключаются при этом значении температуры, а не хотя бы при 120 градусах, я не могу сказать. Но это лучше, чем если бы они вообще не отключались при перегреве.
Честно говоря, теперь я сомневаюсь, может ли вообще процессор Pentium 4 выйти из строя из-за перегрева, или нет? Но даже если и может, то наши эксперименты показывают, что термозащита у Pentium 4 работает отлично, и вероятность выхода из строя этих процессоров по причине перегрева сведена к минимуму.