Скальпирование Kaby Lake: в погоне за 5 ГГц

Процессоры Intel Kaby Lake, которыми микропроцессорный гигант «порадовал» пользователей персональных компьютеров в начале этого года, уже удостоились пары материалов на нашем сайте. В них мы подробно познакомились со старшими LGA1151-чипами в обновлённых сериях Core i7 и Core i5. И главный вывод таков: называть Kaby Lake свежим процессорным дизайном можно с большой натяжкой. По сути это – всего лишь новый степпинг ядра, который Intel выпустила благодаря внедрению в старый 14-нм техпроцесс серии улучшений. Фирменные трёхмерные транзисторы (3D Tri-gate) в Kaby Lake получили, с одной стороны, более высокие кремниевые рёбра каналов, а с другой – увеличенные промежутки между затворами, что фактически означает меньшую плотность полупроводниковых устройств на кристалле. В результате Kaby Lake по сравнению с Skylake стали энергоэффективнее и приобрели возможность работать на более высоких частотах, но никаких изменений на уровне микроархитектуры при этом не произошло.

Впрочем, если учесть, какими темпами в последнее время развиваются x86-процессоры, даже оптимизации в зависимости «напряжение питания – частота», которые сделаны в Kaby Lake, способны стать достаточной причиной для положительного отношения к ним. В конце концов, это ведь означает, что у новинок улучшился разгонный потенциал, а такими подарками Intel нас не радовала уже очень давно. Например, если вспомнить основные вехи в развитии процессоров для настольных систем: Conroe, Sandy Bridge, Ivy Bridge, Haswell и Skylake, то окажется, что лучшими оверклокерскими свойствами в этой последовательности обладали процессоры поколения Sandy Bridge, которые были представлены в далёком 2011 году. В ту пору при определённом везении можно было найти экземпляр процессора, способный работать на 5-гигагерцевой частоте с воздушным охлаждением, но никакие чипы, выпущенные Intel впоследствии, на подобные подвиги были уже не способны. По крайней мере до тех пор, пока на арене не появился Kaby Lake.

Теперь же, кажется, праздник вновь возвращается на улицу оверклокеров. Оптимизированный техпроцесс 14+ нм, который Intel приспособила к производству Kaby Lake, вернул надежду на получение 5 ГГц на воздухе. И хотя нам в 3DNews пока не попалось ни одного экземпляра Core i7-7700K, который бы мог брать такую частоту «из коробки» (а мы в общей сложности проверили уже пять процессоров из разных партий), уверенность в возможности этого дают отчёты коллег по цеху, некоторым из которых всё-таки достались образцы Kaby Lake, разгоняющиеся до 5-гигагерцевой отметки.

Вообще же, по сообщениям сотрудников из лабораторий производителей материнских плат, разгоняться до 5 ГГц при воздушном охлаждении способны примерно 10-15 процентов процессоров из числа всех Kaby Lake, относящихся к разблокированной K-серии. А частота примерно половины CPU может быть доведена до вожделенной отметки с использованием появившейся в Kaby Lake возможности автоматического снижения множителя при исполнении AVX-инструкций.

Однако если уповать не на одно лишь везение, то шанс на успех в разгоне можно заметно увеличить. Дело в том, что первая проблема, с которой приходится сталкиваться при подъеме частоты Kaby Lake выше номинала – резкий рост температуры процессорных ядер. Но связано это явление отнюдь не с непомерным тепловыделением полупроводникового кристалла, а с тем, что выделяемое им тепло очень плохо отводится. Узкое место находится между медной никелированной процессорной крышкой (IHS) и спрятанным под ней чипом. Небольшой промежуток между ними заполнен специальным полимерным термоинтерфейсом (TIM), теплопроводящие качества которого уже не первый год вызывают у энтузиастов серьёзные вопросы.

С выходом же Kaby Lake ситуация заметно обострилась. Дело в том, что обновлённый техпроцесс 14+ нм снизил токи утечки и взаимное влияние транзисторов. И в теории частоту теперь можно повышать куда серьёзнее, чем раньше. Но более высокая частота означает и более высокое тепловыделение, поэтому для того, чтобы снять тепло с небольшого кристалла Kaby Lake, площадь которого составляет порядка 125 мм², требуется, чтобы мостик из термопасты под крышкой пропускал через себя весьма существенный тепловой поток. А он на это, как показывает практика, не способен. В результате разгон Kaby Lake значительно чаще упирается в банальный перегрев процессорных ядер, чем в частотный потенциал полупроводникового кристалла.

К счастью, путь решения этой проблемы давно известен – это так называемое скальпирование. Энтузиасты давно научились отделять от процессоров крышку и менять интеловский термоинтерфейс на более эффективные термопасты. Особой популярностью в таких случаях пользуется жидкий металл – его тепловодность приближается к той, которую обеспечивает бесфлюсовая пайка процессорного кристалла к крышке. Данный метод использовался Intel при сборке процессоров Sandy Bridge, и они разгонялись лучше последователей, где пайка уже не применялась. Поэтому кажется вполне логичным, что если внутри Kaby Lake заменить термоинтерфейс, то его оверклокерские качества должны заметно улучшиться. Проверим?

⇡#Описание тестовой системы

Все испытания разгона, проведённые для этой статьи, выполнялись в системе, построенной из следующих комплектующих:

• Процессор: Intel Core i7-7700K (Kaby Lake, 4 ядра + HT, 4,2-4,5 ГГц, 8 Мбайт L3).
• Процессорный кулер: Noctua NH-U14S.
• Термопаста: Arctic MX-4.
• Материнская плата: ASUS Maximus IX Hero (LGA1151, Intel Z270).
• Память: 2 × 8 Гбайт DDR4-2666 SDRAM, 15-15-15-35 (Corsair Vengeance LPX CMK16GX4M2A2666C16R).
• Видеокарта: NVIDIA GeForce GTX 1080 (8 Гбайт/256-бит GDDR5X, 1607-1733/10000 МГц).
• Дисковая подсистема: Kingston HyperX Savage 480 GB (SHSS37A/480G).
• Блок питания: Corsair RM850i (80 Plus Gold, 850 Вт).

⇡#Тестовый процессор: Core i7-7700K

Для тестов в одном из розничных магазинов мы приобрели совершенно обычный серийный процессор Core i7-7700K. Это – флагманский интеловский четырёхъядерник поколения Kaby Lake для платформы LGA1151. Такой процессор имеет паспортную частоту 4,2 ГГц, но благодаря Turbo Boost может увеличивать её до 4,5 ГГц, поддерживает технологию Hyper-Threading и обладает кеш-памятью третьего уровня объёмом 8 Мбайт.

Батч (FPO) доставшегося нам экземпляра — L650D048, то есть данный CPU произведён в Малайзии в период с 12 по 18 декабря прошлого года. Процессор достаточно свежий: в обзорах на большинстве сайтов обычно фигурируют CPU, датируемые концом лета или началом осени.

Номинальное напряжение (VID) данного экземпляра оказалось установленным на отметке 1,184 В, то есть на первый взгляд нам достался достаточно средний процессор с точки зрения разгонного потенциала.

Впрочем, как показывает практика, серийные процессоры поколения Kaby Lake различаются по параметру VID не так сильно, как Skylake. Однако качество полупроводниковых кристаллов, аккуратность сборки и параметры термоинтерфейса при этом могут расходиться очень заметно. Различие в предельной частоте при воздушном охлаждении двух внешне похожих CPU может доходить до 500-600 МГц. Поэтому выбрать разгоняемый Kaby Lake можно только экспериментальным путём. К сожалению.

Первая же проверка процессора, которую мы провели для оценки его температурного режима при работе на паспортных частотах, показала, что греется он неслабо. Для отвода тепла в тестировании использовался производительный башенный кулер под 140-миллиметровый вентилятор Noctua NH-U14S и термопаста Arctic MX-4, но тем не менее максимальные температуры при тестировании в LinX 0.7.0 достигали 80 градусов.

20-градусный запас до включения троттлинга остаётся, но для серьёзного разгона это – очень мало. Совершенно очевидно, что при увеличении частоты и напряжения V_CORE температурный предел будет достигнут очень быстро.

Следующая таблица показывает параметры, которые оказались необходимы для работы данного процессора на той или иной частоте, а также максимальную температуру, зафиксированную при тестах стабильности в случае того или иного разгона. Кроме того, для справки приводится и полное пиковое потребление системы, измеренное на выходе из блока питания.

Хорошая новость заключается в том, что VID у нашего экземпляра Core i7-7700K оказался выбран с большим запасом. Как оказалось, для беспроблемной работы на номинальной частоте его напряжение можно понизить до 1,1 В. В предельной температуре при этом удаётся отыграть 6 дополнительных градусов.

Плохо же при этом то, что это всё равно не делает процессор удачным в плане оверклокерского потенциала. Его разгон хотя бы до 4,6 ГГц требует повышения напряжения питания до 1,24 В, и такое, вообще говоря, не слишком значительное увеличение частоты заставляет процессор прогреваться до температур, близких к предельным. Всё это наглядно отображено на графике.

Разгон до 4,7 ГГц по понятным причинам оказался уже невозможен. И это значит, что попавший в наши руки экземпляр Core i7-7700K стоит отнести к числу неудачных. Максимальный разгон до 4,6 ГГц – это типичный уровень Skylake, произведённый же при помощи оптимизированного техпроцесса Kaby Lake должен, по идее, разгоняться сильнее. Однако всё упирается в высокие температуры, что хорошо видно по скриншоту, снятому при тестировании стабильности Core i7-7700K в его максимальном разгоне.

Если бы не близость температурного предела, Core i7-7700K наверняка можно было бы разогнать гораздо сильнее. Частота 4,6 ГГц была взята при увеличении напряжения питания всего лишь на 4 процента выше номинального VID. Очевидно, что абсолютно безопасным для процессорного кристалла было бы и более существенное повышение напряжения. Об этом можно судить хотя бы потому, что 14-нм процессоры Skylake у многих пользователей долговременно работают на напряжениях порядка 1,35-1,4 В без каких-либо проблем. Однако чтобы вывести на такой уровень напряжений наш экземпляр Kaby Lake, необходимо что-то делать с теплоотводом, и начинать нужно, очевидно, с замены внутреннего термоинтерфейса.

Стоит отметить, что подобная ситуация с высокими температурами – не единичный случай, свойственный лишь конкретному экземпляру CPU, а систематическое явление. При разгоне Kaby Lake мы раз за разом сталкиваемся с тем, что температуры могут зашкаливать и без серьёзного повышения напряжения. Поэтому если вы планируете раскрыть весь заложенный в Kaby Lake частотный потенциал, то скальпирование, похоже, это один из необходимых этапов процесса разгона.

⇡#Скальпирование Kaby Lake

Ранее для снятия теплораспределительной крышки с процессоров Intel применялось два основных метода: крышка либо срезалась тонким лезвием, либо она отрывалась силой от процессорной платы путём её сдвига в тисках. С выходом Skylake от лезвия пришлось отказаться – плата, к которой приклеивается металлический теплорассеиватель, стала гораздо тоньше, верхний слой дорожек находится в ней очень неглубоко, и вероятность повредить CPU неаккуратным движением режущей кромки стала слишком высока.

В новых CPU поколения Kaby Lake никаких принципиальных конструктивных изменений в процессорной сборке по сравнению со Skylake не произошло. Металлическая крышка обрела характерные наплывы сверху и снизу и немного увеличила площадь соприкосновения с подошвой кулера, но процессорная плата вновь слишком тонкая и хрупкая, и рисковать, срезая теплораспределитель, мы бы категорически не советовали. По фото ниже можно оценить, какую толщину имеет плата на этот раз. Слева – Haswell, в середине – Skylake, справа – Kaby Lake.

Кажется, что Kaby Lake стал даже немного тоньше своего предшественника. Однако это – иллюзия, на самом деле толщина процессорной платы, как и раньше, составляет около 0,8 мм.

Поэтому более безопасным остаётся метод силового сдвига крышки в тисках. Традиционная процедура элементарна. Процессорная плата упирается ребром в одну губку тисков, кромка крышки – в другую, и тиски аккуратно зажимаются до тех пор, пока процессор не распадётся на две части.

Однако и такой метод не лишён проблем. Усилие, которое приходится развивать для разрыва клеевого соединения, скрепляющего теплорассеивающую крышку и процессорную плату, может быть весьма значительным. А поскольку вектор приложения силы из-за особенностей конструкции тисков получается не полностью параллелен плоскости текстолита, существует ненулевая вероятность повреждения платы процессора. В сети можно встретить массу трагических историй о том, как пользователи ломали и Skylake, и Kaby Lake в процессе скальпирования тисками.

Фото пользователей форума overclock.net

К счастью, от подобного исхода можно застраховаться. Сообщество энтузиастов разработало целый ряд приспособлений, которые позволяют организовать процедуру скальпирования так, чтобы сила, которая должна сорвать крышку, была направлена строго параллельно процессорной плате. Наиболее «раскрученным» в этом плане является специальный инструмент Delid-Die-Mate 2, разработанный немецким оверклокером der8auer.

Эта штука представляет собой специализированный винтовой зажим, который по своей конструкции подогнан именно для скальпирования. Движущиеся части в нём имеют выемки для процессорной платы и крышки, и в процессе работы они под действием винта смещаются по направляющим в разные стороны параллельно друг другу. Никакого пространства для казусов при такой постановке процесса не остаётся. Расстраивает лишь дороговизна устройства – оно стоит €30 и, очевидно, может окупиться, только если заниматься скальпированием в промышленных масштабах.

К счастью, существует и другой, куда более бюджетный вариант. Для безопасного скальпирования в тисках можно использовать формы, распечатанные на 3D-принтере. Энтузиастами подготовлен целый ряд свободно распространяемых проектов таких форм, которые можно воспроизвести без какой-либо предварительной подготовки. Например, мы можем рекомендовать данный вариант – его с успехом используют многие оверклокеры-экспериментаторы по всему миру.

Собственно, этим устройством мы и решили воспользоваться для облегчения скальпирования Core i7-7700K. Здесь важно упомянуть о том, что редакция 3DNews, как и многие наши читатели, не располагает собственными 3D-принтерами. Но это – не проблема. Существует масса сервисов (в том числе и полностью онлайновых), которые могут распечатать на заказ любую модель по готовому проекту, и воспользоваться каким-либо из таких предложений не составляет никакого труда. В итоге изготовление приспособления для скальпирования из обычного ABS-пластика обошлось нам примерно в 650 рублей.

Принцип работы этого устройства очень прост. В основную часть формы укладывается процессор – в ней по форме процессорной крышки сделана выемка.

Кромка процессорной платы выходит за край формы, и с этой стороны на приспособление надевается «бегунок», который упирается в текстолит своим дном. Именно к нему будет впоследствии прикладываться усилие, которое должно будет «сдвинуть» плату с процессорной крышки.

Вот как выглядит приспособление в сборе. Обратите внимание, детали подогнаны друг к другу по размеру так, чтобы процессор, заключённый в такую «коробочку», не имел никакой возможности для люфта или изгиба.

Затем устройство вставляется в тиски и зажимается.

Поскольку край процессорной платы упирается в бегунок, а теплопроводящая крышка жёстко зафиксирована в форме, при сжатии губок тисков получается тот же самый сдвиг. Приспособление здесь играет роль направляющих. Оно обеспечивает приложение усилия чётко по нужной линии и предохраняет процессорную плату от какой-либо деформации.

Ну а дальше – по накатанной. Если постепенно наращивать усилие, закручивая тиски, клей-герметик, который удерживает металлическую крышку на текстолите, рано или поздно поддастся. Этот момент пропустить невозможно – обычно он сопровождается хорошо различимым ударом.

Разбираем устройство и видим, что теплорассеиватель оторван и съехал с процессора.

Теперь можно оценить и внутренний мир Kaby Lake. Здесь нас встречает пресловутая фирменная интеловская термопаста, из-за которой нам пришлось идти на весь этот эксперимент.

Выглядит термоинтерфейс не слишком здорово. В лучшем случае он похож на обычную термопасту, однако в нашем процессоре Core i7-7700K теплопроводящий состав был явно пересушен и не размазывался, а крошился. Хотя Intel утверждает, что формула термопасты по сравнению с Skylake не менялась, в этом возникают определённые сомнения.

Дальше следует утомительная процедура по отчистке процессора от пасты и остатков клеевого состава. Немного усердия, и процессор приобретает весьма презентабельный вид.

Остаётся поместить между крышкой и процессорным кристаллом новый эффективный термоинтерфейс и собрать процессор обратно. Конечно, в теории можно было бы оставить процессор и без теплорассеивателя, однако его эксплуатация в таком состоянии сразу вызовет целый ряд затруднений. Его будет невозможно зафиксировать стандартным механизмом LGA1151, при установке кулеров потребуется модифицировать крепление из-за изменившейся высоты CPU, да и к тому же повредить открытый процессорный кристалл – проще простого. 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. Поэтому крышку рекомендуется возвратить на место – она решает целый букет проблем, а при использовании хорошего термоинтерфейса, её влияние на эффективность теплоотвода почти незаметно.

Лучше всего подходит для использования в качестве внутрипроцессорного термоинтерфейса жидкий металл. Мы обычно используем состав Coollaboratory Liquid Pro или Ultra с теплопроводностью около 82 Вт/(м·К), но сейчас на рынке доступны и другие подобные продукты.

Однако именно жидкий металл марки Coollaboratory Liquid Pro и Ultra доказал свою долгосрочную совместимость с процессорными внутренностями. Интеловские никелированные процессорные крышки с ним в реакцию не вступают и не корродируют по крайней мере в течение двух-трёх лет, за которые у нас уже накопилась порядочная статистика.

Пара хитростей: отчищать интеловский клей-герметик лучше всего каким-нибудь деревянным или пластиковым скребком вроде скульптурной стеки. А непосредственно перед нанесением на кристалл и теплорассеиватель жидкого металла не забудьте их тщательно обезжирить. Для этого хорошо подходит не только ацетон или уайт-спирит, но и, например, банальная жидкость для снятия лака.

После нанесения слоя жидкого металла остаётся собрать процессор обратно. В последнее время для этой цели мы используем суперклей на базе цианоакрилата. Помимо очевидных плюсов вроде быстроты образования прочного соединения, он имеет и ещё одно важное преимущество – при нагревании до 70-80 градусов клеевой шов становится пластичным. Это гарантирует ровную в горизонтальной плоскости усадку крышки после установки процессора в гнездо и его включения, а также лёгкость обратной разборки процессора, если такая необходимость возникнет. Утрата же соединением прочности в то время, когда процессор находится под нагрузкой, волновать не должна – в разъёме LGA1151 его крышка надёжно удерживается механизмом сокета.

Остаётся лишь напомнить о том, что важно не забыть оставить в клеевом шве разрыв для отвода горячего воздуха при нагревании процессора во время работы.

Весь описанный в этом разделе опыт подталкивает к выводу, что распечатанное на 3D-принтере приспособление облегчает процесс скальпирования и делает его более безопасным. Однако опытные и аккуратные пользователи вполне могут обойтись и одними тисками без каких-либо дополнительных механизмов. Буквально месяц назад мы скальпировали другой образец Kaby Lake по старинке и в очередной раз смогли убедиться, что подогрев процессора техническим феном с горячим воздухом температурой порядка 350 °С приводит к тому, что крышка отделяется от текстолита с приложением минимальных усилий.