Улучшаем Core i7-6700K: скальпирование и разгон

Напоминаем, что попытки повторить действия автора могут привести к потере гарантии на оборудование и даже к выходу его из строя. Материал приведен исключительно в ознакомительных целях. Если же вы собираетесь воспроизводить действия, описанные ниже, настоятельно советуем внимательно прочитать статью до конца хотя бы один раз. Редакция 3DNews не несет никакой ответственности за любые возможные последствия.

Анонс процессоров Skylake, которому мы уже посвятили два полновесных материала (с результатами тестов и с рассказом про новую микроархитектуру), всё ещё оставляет после себя ощущение некоторой недосказанности. Дело в том, что уж слишком незначительным кажется практический эффект от тех грандиозных преобразований, которые заложены в этой новинке. Посудите сами: прогрессивный технологический процесс с 14-нм нормами, переработанная микроархитектура и усовершенствованная платформа с поддержкой DDR4-памяти в сумме дают улучшение производительности лишь в пределах единиц процентов. Как такое вообще возможно?

Именно поэтому к тестам новинок хочется вернуться ещё раз: кажется, что от нашего внимания ускользнуло нечто важное. В первоначальном обзоре процессоров Skylake было сделано предположение, что не слишком значительное улучшение в удельной производительности по сравнению с предшественниками компенсируется ростом оверклокерского потенциала. И в данном материале мы решили взглянуть на эту сторону новинок несколько подробнее. А именно — взять один из серийных образцов CPU нового поколения и провести подробный анализ его частотного потенциала с использованием всех доступных средств, включая удаление процессорной крышки и замену штатного интеловского термоинтерфейса.

⇡#О разгоне Skylake: вводные замечания

Вывод об улучшении частотного потенциала Skylake по сравнению с предшественниками изначально был сделан исходя из того, что полученные нашей лабораторией инженерные образцы новых процессоров продемонстрировали свою способность к стабильному функционированию на частотах 4,5-4,6 ГГц, причём такой разгон не требовал ни применения каких-то высокоэффективных систем охлаждения, ни особых ухищрений по настройке параметров UEFI BIOS. Безусловно, подобные частоты были достижимы и ранее – с процессорами серии Devil’s Canyon, однако на их покорение могли претендовать далеко не все экземпляры CPU прошлого поколения, а со Skylake мы получили такой результат у первых же случайно выбранных предсерийных экземпляров.

Уверенности в превосходстве Skylake над предшественниками с точки зрения оверклокерских свойств добавили и изменения в платформе LGA1151, многие из которых были сделаны именно с прицелом на более полное раскрытие частотного потенциала.

Самое важное из этого списка – возвращение конвертера питания процессора на материнскую плату. Схема с интегрированным преобразователем питания, применявшаяся в процессорах Haswell и Broadwell, оказалась не слишком полезной и удобной в ультраэнергоэффективных применениях, поэтому в платформах на базе Skylake разработчики вновь вернулись к привычному конвертеру питания на материнской плате. Несомненную пользу это должно принести и при разгоне – интегрированный в процессор преобразователь напряжений был узлом с достаточно высоким тепловыделением, и его изъятие автоматически снижает нагрев CPU.

Кроме того, реализованный в платформе LGA1151 внешний преобразователь отвечает за подачу питания по трём независимым линиям: V_Core, V_GT и V_SA, в то время как Haswell требовал от платы единственное напряжение V_{CC_IN}. Такое распределение нагрузки уменьшает предельные значения тока по каждой линии и даёт производителям материнских плат возможности для реализации более эффективных и более стабильных силовых схем. И это тоже играет не самую последнюю роль при разгоне.

Другое значительное нововведение – отвязка частоты шин PCIe/DMI от базового тактового генератора BCLK. В результате увеличение значений BCLK больше не влечёт за собой переразгона особенно капризных к частоте шин PCI Express и DMI.

Раньше эта проблема частично решалась вводом дополнительных делителей, за счёт чего оверклокерам, помимо штатной частоты BCLK 100 МГц, были доступны также частоты 125 и 166 МГц с небольшой окрестностью этих значений. Теперь же частота шин PCI Express и DMI формируется полностью независимо, и для использования с целью разгона становится доступен полный диапазон значений BCLK.

И это значит, что Skylake, в отличие от их предшественников, можно легко запускать на частотах, превышающих номинальные, не только при помощи коэффициента умножения, но и меняя значение частоты BCLK.

Нужно отметить, что разгон при помощи увеличения BCLK доступен исключительно для процессоров Core i7-6700K и Core i5-6600K, относящихся к оверклокерской серии и имеющих свободный коэффициент умножения. Все прочие представители линейки Skylake такой возможности лишены. В них частота шин PCI Express и DMI, как и раньше, жёстко привязана к базовой частоте, и поэтому разгон «по шине» даже при небольшом отклонении BCLK от номинальных 100 МГц натыкается на непреодолимые препятствия. А поскольку в неоверклокерских процессорах блокируется на повышение и множитель для тактовой частоты, никаких иных подходящих для разгона объектов, помимо Core i7-6700K и Core i5-6600K, в семействе Skylake не существует.

Нельзя не упомянуть и третье нововведение – более гибкий и податливый двухканальный контроллер памяти. В нём не просто есть поддержка двух стандартов памяти – DDR3L и DDR4, кроме этого, он способен тактовать память на впечатляюще высоких частотах вплоть до DDR4-4133. И более того, набор делителей для частоты памяти в Skylake теперь расширен, и её изменение стало возможно с вдвое меньшим, чем ранее, шагом – 100/133 МГц.

Иными словами, архитектурных решений, которые могли бы сделать Skylake очень удачными с точки зрения разгона, действительно немало. Однако накопленная к настоящему моменту статистика показывает, что наши предположения об улучшении реального разгонного потенциала этих процессоров по сравнению с Haswell и Devil’s Canyon оказались чересчур оптимистичными. Хотя Skylake и производятся по более современному техпроцессу, а также имеют примерно на 30 процентов меньшее по площади ядро по сравнению с Haswell, их тепловыделение и рабочие температуры остались примерно на том же уровне, что и у предшественников. Связано это отчасти с тем, что в старших моделях Skylake инженеры Intel несколько увеличили напряжение питания процессорных ядер.

Итогом же стало то, что разгоняются серийные LGA1151-процессоры в среднем до 4,5-4,6 ГГц, то есть лишь чуть лучше, чем их предшественники. И самое неприятное, что препятствия на пути к покорению более высоких частот встают те же самые, что и раньше. Для достижения стабильности при разгоне требуется дополнительное увеличение напряжения питания, это приводит к росту тепловыделения, и в результате процессор начинает перегреваться. То есть всё выглядит таким образом, будто бы частотный потенциал Skylake не удаётся полностью раскрыть из-за проблем с эффективным снятием тепла с процессорного кристалла.

И проблемы эти действительно существуют. Кристалл у Skylake стал меньше, плотность теплового потока возросла, но Intel не внесла в фирменный термоинтерфейс под процессорной теплораспределительной крышкой никаких изменений. Он остался таким же, как в Devil’s Canyon, – это не припой на основе галлия или индия и даже не жидкий металл, а полимерная термопаста с достаточно сомнительными теплопроводящими свойствами. То есть традиционное узкое место в теплоотводе десктопных процессоров в Skylake никуда не делось, оно продолжает располагаться непосредственно под процессорной крышкой.

Учитывая всё сказанное выше, в очередном тестировании мы решили посмотреть, на что будет способен типичный оверклокерский Skylake в том случае, если его внутренний термоинтерфейс получит более высокую теплопроводность. Иными словами, мы провели скальпирование Core i7-6700K (снятие с него металлической теплорассеивающей крышки) и замену штатной интеловской термопасты материалами с лучшими характеристиками — и теперь готовы поделиться полученными результатами.

⇡#Тестовый процессор: Core i7-6700K

Для тестов был приобретён совершенно обычный серийный процессор Core i7-6700K. Стоит напомнить, что это – флагманский интеловский четырёхъядерник для новой платформы LGA1151.

Intel Core i7-6700K

Такой процессор имеет паспортную частоту 4,0 ГГц, но благодаря Turbo Boost может увеличивать её до 4,2 ГГц, поддерживает технологию Hyper-Threading и обладает кеш-памятью третьего уровня объёмом 8 Мбайт. Батч (номер партии) доставшегося нам процессора — L525B514, то есть CPU был произведён в Малайзии в период с 14 по 20 июня этого года.

Номинальное напряжение (VID) данного экземпляра оказалось установленным на отметке 1,296 В, то есть, по поверхностной оценке, нам достался достаточно средний процессор с точки зрения разгонного потенциала. Собственно, это тут же легко подтвердилось при натурном эксперименте – максимальной частотой, при которой этот Core i7-6700K смог предложить стабильную работу без риска перегрева, оказались 4,6 ГГц. Судя по всему, именно такое значение частоты является наиболее вероятным разгоном «из коробки» для оверклокерских Skylake, если при их охлаждении не используются никакие специальные методы.

Все оверклокерские тесты проводились на материнской плате ASUS Maximus VIII Ranger. Методика испытаний состояла в последовательном увеличении множителя, начиная с номинальных 4,0 ГГц, параллельно с которым при потере системой стабильности увеличивалось и напряжение V_Core. Опция Load-Line Calibration на протяжении тестов была установлена в положение Level 4 – именно в таком состоянии обеспечивается минимальное отклонение напряжения от выбранного уровня при росте нагрузки. Устойчивость разгона проверялась утилитой LinX 0.6.5, в основе которой лежит математический пакет Linpack 11.3.0.006. На каждой итерации тестирования фиксировалась максимальная температура, до которой разогревался CPU при прохождении проверки на стабильность, а также максимальное энергопотребление системы.

При первоначальном тестировании, результаты которого отображены в таблице и на графике ниже, за охлаждение процессора отвечали башенный кулер под 140-миллиметровый вентилятор Noctua NH-U14S и термопаста Arctic MX-2.

Как видно из таблицы, до частоты 4,4 ГГц процессор разгоняется вообще без какого-либо повышения напряжения, но затем каждый шаг требует прибавки к V_Core. Впрочем, дальнейший разгон быстро заканчивается: для покорения высоты в 4,6 ГГц напряжение на процессорных ядрах приходится повышать до 1,4 В, и это приводит к разогреву процессора под нагрузкой до 91 °С. Естественно, после этого рост частоты оказывается невозможным: дальше повышать напряжение нельзя из-за приближения температуры к границе включения троттлинга, которая у Skylake проходит на 100 °С, а с таким уровнем V_Core стабильности за пределами 4,6 ГГц уже нет.

Вполне естественным выходом в такой ситуации кажется замена кулера более эффективной моделью. Но сработает ли данный подход в случае со Skylake? Проверим: следующий тестовый прогон мы выполнили с более эффективной системой охлаждения типа «двухсекционная башня» Noctua NH-D15.

Определённое улучшение в температурном режиме заметно, но принципиально ничего не поменялось. Выше 4,6 ГГц разогнать процессор не получилось даже с одним из лучших воздушных кулеров: следующий шаг в тактовой частоте требует повышения V_Core примерно до уровня 1,48 В, однако с отводом тепла при таких рабочих параметрах Noctua NH-D15 не справлялся – процессор перегревался и сваливался в троттлинг. Тем не менее на частоте 4,6 ГГц этот высокоэффективный двухбашенный охладитель оказался способен обеспечить не только 5-градусное снижение температуры по сравнению с односекционной башней Noctua NH-U14S, но и стабильность процессора при немного более низком напряжении на его ядрах.

Символическое снижение температуры при переходе на заведомо более эффективную систему охлаждения даёт чёткое указание на то, что нужно делать для улучшения оверклокинга дальше. Ведь по результатам проведённого эксперимента хорошо понятно, что процессорные ядра перегреваются вовсе не из-за недостаточной производительности системы охлаждения, снимающей тепло с теплораспределительной крышки. Корни неблагоприятного температурного режима разогнанного Skylake следует искать глубже в буквальном смысле – в передаче тепла от процессорного кристалла к закрывающей его крышке. То есть именно несостоятельность мощнейших кулеров и является самым наглядным аргументом в пользу того, что внутренний термоинтерфейс лучше заменить.

⇡#Скальпирование Skylake: проблемы и решения

При скальпировании процессоров Haswell обычно применяется два различных метода: силовой сдвиг крышки с поверхности процессорной платы при помощи слесарных тисков либо аккуратное её срезание тонким лезвием. Мы, например, предпочитаем первый метод, поскольку он кажется более безопасным, и с его помощью в нашей лаборатории было успешно демонтировано уже порядка десятка теплорассеивающих крышек с различных LGA1150-процессоров семейств Haswell, Devil’s Canyon и Broadwell. Подобный подход мы намеревались применить и по отношению к Skylake, однако, как оказалось, корпус LGA1151-новинок имеет важные конструктивные отличия, из-за которых алгоритм действий пришлось несколько пересмотреть. Дело в том, что в Skylake миниатюризация затронула не только полупроводниковый кристалл: тоньше стал и текстолит, на котором монтируется кристалл CPU.

Слева – Skylake; справа - Haswell

Толщина процессорной платы уменьшилась до менее чем 0,8 мм, что почти вдвое меньше толщины платы Haswell.

А вы помните, как пользоваться штангенциркулем со шкалой-нониусом?

Продольная прочность столь тонкого слоя текстолита вызывает серьёзные сомнения. Кажется, что при приложении усилия на сдвиг крышки первым сдаться может отнюдь не клеевой состав, удерживающий её на процессоре, а сама процессорная плата. Опасения эти подтверждаются и заметным числом случаев повреждений новых CPU, о которых пользователи, прибегающие к скальпированию тисками, с горечью сообщают в форумах. Платы процессоров Skylake гнутся, ломаются и скалываются.

Не слишком безболезненно и срезание крышки лезвием. Дорожки внутри тонкой процессорной платы Skylake проходят совсем неглубоко, и их очень легко повредить при первых же попытках просунуть лезвие между металлической крышкой и текстолитом. Поэтому вероятность успеха при такой методике избавления процессора от теплорассеивателя тоже очень далека от ста процентов.

Неужели изменившаяся конструкция новых процессоров способна сделать скальпирование очень опасной для их здоровья и потому малопопулярной процедурой? К счастью, нет! На самом деле существует приём, позволяющий при сдвиге крышки тисками обойтись без приложения значительной силы, которая могла бы повредить текстолит процессора. Его суть заключается в том, что применённый Intel для сборки десктопных Skylake клеевой состав почти полностью утрачивает свои соединительные свойства при нагреве. Иными словами, если основным инструментом при скальпировании сделать не тиски, а технический фен, то опасность повреждения процессора снижается на порядок.

Наш опыт показал, что нужно лишь совсем слегка поджать процессор в тисках, уперев одну их губку в кромку печатной платы, а другую – в край теплорассеивающей крышки.

Чтобы не повредить края текстолита, между губками и процессором лучше проложить упругий материал

Всё же остальное с лёгкостью доделает фен. После непродолжительного – в районе 10-20 секунд – обдува находящегося в таком состоянии процессора горячим воздухом с температурой порядка 350 °С крышка должна отскочить сама. По крайней мере именно так и произошло в нашем случае.

Прогрев – ключ к успеху

Под крышкой же обнаруживается привычная картина – заложенная туда Intel термопаста действительно очень похожа на термоинтерфейсный материал NGPTIM (Next-Generation Polymer Thermal Interface Material), который мы уже встречали в процессорах Devil’s Canyon.

По теплопроводности интеловская термопаста близка к КПТ-8

Это не ужасная пересохшая субстанция, которую мы видели в Haswell двухгодичной давности, а нечто похожее по своей консистенции на более-менее нормальную термопасту. Однако теплопроводность подобного по виду состава вызывала не слишком лестные отзывы ещё в Devil’s Canyon, и, следовательно, его замена способна дать положительный эффект и в процессорах поколения Skylake.

⇡#Меняем термоинтерфейс: Arctic MX-2 против жидкого металла

Давайте теперь посмотрим, что произойдёт, если расположенный под процессорной крышкой штатный интеловский термоинтерфейс поменять на распространённые термопасты с лучшей теплопроводностью.

Наш подход к скальпированию предполагает, что после очистки процессора и его теплорассеивающей крышки от старой термопасты и клеящего состава мы наносим на процессорный кристалл новый термоинтерфейс и вновь собираем его обратно.

Core i7-6700K со снятым теплорассеивателем

Конечно, никто не запрещает эксплуатировать разобранный Skylake со снятым теплорассеивателем, но это влечёт за собой сразу несколько серьёзных проблем, и опасность повреждения хрупкого полупроводникового кристалла подошвой кулера – только меньшая из них. Помимо этого, придётся отказаться от штатного крепления кулера, снять металлическую прижимную рамку с процессорного гнезда и к тому же спилить верхнюю часть углов разъёма LGA1151, которые имеют большую высоту, чем кристалл Skylake. Но и это ещё не всё. Проблемы возникнут и из-за толщины и хлипкости процессорной платы, которую обязательно нужно прижимать в процессорном разъёме не только в центре, но и по контуру, иначе она деформируется и не обеспечит соединения с контактами LGA1151, расположенными по периметру разъёма. Использование же Skylake в сборе все эти проблемы решает одним махом, при этом, как показывают эксперименты, металлическая крышка между процессорным кристаллом и кулером увеличивает температуру ядер CPU всего лишь на пару-тройку градусов. Иными словами, реального практического смысла в том, чтобы после замены термоинтерфейса не собирать процессор обратно, не слишком много.

После замены внутреннего термоинтерфейса мы собираем процессор обратно

Итак, в первую очередь мы решили посмотреть, как проявит себя тестовый Core i7-6700K в разгоне, если расположенный под крышкой штатный термоинтерфейсный материал заменить достаточно средней по современным меркам термопастой Arctic MX-2 c теплопроводностью 5,6 Вт/(м·К).

То, что Arctic MX-2 имеет заметно лучшую теплопроводность, чем та термопаста, которую кладёт под процессорную крышку Intel, не вызывает никаких сомнений. В частности, когда под процессорной крышкой была проложена Arctic MX-2, при разгоне до 4,6 ГГц процессор под максимальной нагрузкой оставался на 6 градусов холоднее. И более того, MX-2 позволила отодвинуть предел разгона на 100 МГц: с этой термопастой наш экземпляр CPU стабильно работал при частоте 4,7 ГГц, которая до скальпирования была вообще недоступна. Причём максимальная температура нашего Core i7-6700K на такой частоте не превышала 92 градусов, хотя его напряжение питания и было увеличено до 1,48 В.

Результат неплохой, но останавливаться здесь нельзя. В большинстве случаев конечной целью скальпирования является замена штатного термоинтерфейсного материала жидким металлом, который по своей теплопроводности наиболее близок к легендарному припою, использовавшемуся в процессорах поколения Sandy Bridge. Лишь такой термоинтерфейс, теплопроводность которого на порядок лучше теплопроводности любых термопаст, может обеспечить действительно эффективную передачу всего выделяемого кристаллом Skylake тепла на металлический теплорассеиватель. И в этом случае оверклокинг сможет, наконец, не упираться в перегрев процессорных ядер, а будет определяться частотным потенциалом самого чипа.

Процессор с термоинтерфейсом из жидкого металла

В следующей таблице и на графике можно увидеть, как разгоняется наш Core i7-6700K в том случае, если между процессорным кристаллом и теплорассеивающей крышкой проложен термоинтерфейс Coollaboratory Liquid Pro с теплопроводностью около 82 Вт/(м·К). Важно подчеркнуть, что между поверхностью процессорной крышки и кулером мы при этом продолжаем прокладывать слой Arctic MX-2. Дело в том, что в состав Coollaboratory Liquid Pro входит галлий, который агрессивен по отношению к большинству металлов, ускоряя их окисление и образуя с ними соединения – галлиды. Поэтому использование этого термоинтерфейса в месте контакта двух металлических поверхностей приводит к их быстрой коррозии. Ну а поскольку площадь контакта между процессорной крышкой и подошвой кулера примерно в семь раз больше, чем площадь контакта между крышкой и кристаллом, использование высокоэффективного термоинтерфейса в этом случае не даёт столь же выраженного эффекта.

Применение жидкого металла изменило ситуацию в корне. С этим термоинтерфейсом Core i7-6700K действительно перестал страдать при разгоне от какого бы то ни было перегрева. Замена штатной термопасты на Coollaboratory Liquid Pro под процессорной крышкой при работе CPU на частоте 4,6 ГГц позволила опустить температуру аж на 20 градусов. Это очень впечатляющее достижение, которое к тому же открыло дорогу к покорению более высоких частот. В частности, наш Core i7-6700K смог разогнаться ещё на 200 МГц – до 4,8 ГГц, частоты, которая более характерна для Sandy Bridge, чем для современных чипов. Для этого, правда, пришлось повысить напряжение V_Core до 1,56 В, иначе система не проходила тестирование на стабильность, но даже в этом случае предельная температура не выходила за пределы 81 градуса, то есть находилась очень далеко от своей верхней границы.

Кстати, столь невысокий нагрев процессора при разгоне до 4,8 ГГц оставляет пространство и для дальнейшего увеличения частоты. Однако мы на него не пошли из-за необходимости слишком сильно поднимать напряжение питания процессора. Согласно спецификации, максимальное допустимое напряжение при длительной эксплуатации десктопных Skylake составляет 1,52 В, и забираться существенно выше этого значения Intel настоятельно не советует.

Таким образом, мы пришли к той ситуации, к которой и стремились. Благодаря скальпированию и замене штатной интеловской термопасты под процессорной крышкой жидким металлом, возросшее тепловыделение и перегрев процессорного кристалла перестали играть роль ограничивающих разгон факторов. Частотный потенциал Skylake раскрылся полностью, и мы смогли убедиться, что на самом деле Core i7-6700K может работать на частотах вплоть до 4,8 ГГц. Причём для охлаждения процессора в этом случае не требуются никакие специальные методы – с отводом тепла вполне могут справиться и воздушные кулера.

Нужно подчеркнуть, что столь оптимистичный результат получен нами для первого попавшегося серийного процессора с достаточно высоким уровнем VID. А если процесс скальпирования предварить отбором более удачных по этому параметру экземпляров, то, скорее всего, результаты разгона окажутся ещё более впечатляющими.