Скальпирование и разгон Intel Core i7-8700K: 5 ГГц — это не предел

Несколько дней тому назад мы опубликовали обзор нового процессора Intel Core i7-8700K – старшего представителя нового семейства Coffee Lake. С его выпуском компания Intel решительно ввела в массовый сегмент чипы с шестью вычислительными ядрами, чем сделала старшую новинку обновлённого модельного ряда крайне желанным решением для энтузиастов. Действительно, шестиядерный Core i7-8700K не только оказалсянамного (в среднем на 35 %) быстрее флагманского четырёхъядерного Kaby Lake, но и смог предложить лучшую производительность по сравнению с конкурирующими восьмиядерниками серии AMD Ryzen 7. Поэтому совершенно неудивительно, что прогрессивная часть компьютерного сообщества с нетерпением встречает все новости, связанные с Coffee Lake. Тем более что реальных владельцев таких процессоров совсем немного: официальные продажи Coffee Lake только начались, и их поставки в магазины пока носят эпизодический характер.

Поэтому мы решили продолжить исследование имеющегося в нашей редакции образца процессора Core i7-8700K и уделить дополнительное внимание его разгону. Причин «второго подхода к снаряду» две. Во-первых, компания Intel снабдила нас новым образцом процессора. Это значит, что, сопоставив результаты разгона двух экземпляров CPU, мы сможем получить более полную статистику частотного потенциала. Во-вторых, в рамках первоначального обзора проверка оверклокерских возможностей Coffee Lake делалась с немодифицированным процессором. Но давно известно, что значительно улучшить результаты разгона интеловских чипов можно при помощи скальпирования. Поэтому расширить старый опыт за счёт более основательного подхода к процессу оверклокинга – вполне логичный следующий шаг.

⇡#Тестовый Intel Core i7-8700K

В принципе всё, что следует знать о Core i7-8700K, мы рассказали в основном обзоре – никаких важных дополнительных сведений о новинке после анонса нам не открылось. Поэтому ограничимся лишь повторением её базовых спецификаций в сравнении с характеристиками его предшественника, Core i7-7700K:

Как следует из этой небольшой таблички, Core i7-8700K стал немного дороже, чем прошлый флагманский LGA1511-процессор, но зато он теперь предлагает в полтора раза больше вычислительных ядер и, что немаловажно, более высокие турбочастоты. Таким образом, Coffee Lake воплощает идеальный вариант увеличения многопоточности процессора. Добавление в этот процессор дополнительных параллельных вычислительных мощностей не обернулось ни значительным увеличением тепловыделения, ни падением производительности при одно- и двухпоточной нагрузке.

И даже больше того, реальные рабочие частоты Core i7-8700K всегда выше, чем у Core i7-7700K, без какого бы то ни было разгона. Компания Intel решила не сообщать подробности о работе технологии Turbo Boost 2.0 для процессоров поколения Coffee Lake, а зря. Дело в том, что при разной нагрузке она всегда готова вывести Core i7-8700K на более высокую частоту, чем мог обеспечить в аналогичной ситуации Kaby Lake. Наглядно это видно по следующей таблице.

Главное, чтобы Core i7-8700K хватало охлаждения: если его температура остаётся в приемлемых рамках, он действительно может работать на частоте 4,3 ГГц при нагрузке на все ядра без какого-либо разгона. И да, это верно даже для приложений, которые задействуют наиболее энергоёмкие инструкции AVX 2.0.

Именно поэтому разгон Core i7-8700K, который мы получили при подготовке прошлого обзора, показался не слишком результативным. Частоту процессора удалось повысить с 4,3 до 4,7 ГГц, то есть всего лишь на 9 %, – стоило ли это затраченных на эксперименты усилий?

В то же время обзоры Core i7-8700K, которые можно найти на некоторых других ресурсах, в первую очередь англоязычных, утверждают, что этот процессор легко разгоняется до 5,0 ГГц и даже выше, что совершенно не сходится с нашими выводами. Поэтому мы взяли другой экземпляр CPU и повторили тестирование.

Впрочем, никаких принципиально иных результатов замена процессора не дала. Даже без всякого разгона, в номинальном режиме, второй Core i7-8700K вновь продемонстрировал подозрительно высокий нагрев. Даже с весьма производительным воздушным кулером Noctua ND-U14S максимальные температуры Core i7-8700K под нагрузкой в LinX 0.8.0 (данная утилита основана на математической библиотеке Intel Math Kernel Library) достигали отметки в 84 градуса, при том что предельно допустимое значение температуры для ядер Coffee Lake – 100 градусов.

Напомним, прошлый побывавший в наших руках экземпляр Core i7-8700K в аналогичных условиях разогревался до 88 градусов, то есть новый процессор оказался получше, но не так чтобы кардинально. Иными словами, Core i7-8700K – весьма горячий CPU, и это – непреложный факт, который вряд ли нуждается в каких-либо дополнительных подтверждениях.

Неудивительно, что разгон такого процессора вновь оказался ограничен высокими температурами. Новый образец удалось вывести на частоту 4,8 ГГц, что на 100 МГц лучше, чем позволял прошлый экземпляр, но проверка стабильности в таком состоянии приводила к близкому к критическому разогреву процессорного кристалла. Максимальные температуры при тестировании в LinX 0.8.0 достигали 95 градусов.

Напряжение для стабильной работы на частоте 4,8 ГГц пришлось повысить до 1,3 В. Потребление процессора при таком разгоне по его собственной оценке, выросло с 135-140 Вт под максимальной нагрузкой в номинальном режиме до 165-170 Вт.

Каким образом в таких условиях некоторым обозревателям удаётся добиться работы Coffee Lake на частотах порядка 5,0 ГГц? Всё очень просто: дело в критериях стабильности. В то время как мы требуем от процессора беспроблемной работы и отсутствия троттлинга в абсолютно любых ситуациях, в том числе и при AVX/AVX2-нагрузке, многие наши коллеги не столь щепетильны и считают достаточным, чтобы разогнанный процессор проходил тесты в простых бенчмарках вроде Cinebench или wPrime, нагрузка в которых носит гораздо более щадящий характер. Более того, даже известные магазины уровня caseking.de или overclockers.co.uk, предлагающие предварительно отобранные процессоры с гарантией разгона, пользуются для проверки чипов отнюдь не современными средствами, а утилитой Prime95 старой версии 26.6 (актуальная версия Prime95 имеет номер версии 29.3), которая не поддерживает векторные инструкции AVX/AVX2.

Иными словами, оверклокинг, о котором говорим в этой статье мы, принципиально отличается тем, что он гарантированно применим в совершенно любых условиях: в играх, в ресурсоёмких приложениях и даже в специализированных тестах. Улучшить же такой «железобетонный» разгон Core i7-8700K до близких к пятигигагерцевой отметке частот возможно лишь сделав что-то для улучшения эффективности отвода выделяемого процессором тепла. И рецепт, как этого добиться, давно и хорошо известен. Помогает скальпирование и замена штатного интеловского термоинтерфейса материалом с более высокой теплопроводностью, который мог бы обеспечить более эффективный отвод тепла от разогнанного процессорного кристалла.

⇡#Скальпирование Coffee Lake

Итак, имеющийся процессор Core i7-8700K в своём исходном состоянии способен разгоняться до 4,8 ГГц с увеличением напряжения до 1,3 В. Но если говорить о его частотном потенциале и температурном режиме в более широком смысле, то свойства этого экземпляра можно обрисовать следующей температурной картой, построенной в LinX 0.8.0 с использованием кулера Noctua ND-U14S.

При напряжениях питания V_CC менее 1,1 В процессор не способен поддерживать стабильность на частоте хотя бы 4,0 ГГц, а при увеличении напряжения выше 1,375 В такая частота оказывается недостижима из-за перегрева кристалла под нагрузкой. В интервале между 1,1 и 1,375 В оптимальным с точки зрения раскрытия разгонного потенциала оказывается напряжение 1,3 В, однако очевидно, что результаты разгона можно улучшить, поскольку он упирается в достижение процессором предельных температур.

Собственно, резкое снижение максимально достижимой частоты при увеличении напряжения V_CC выше 1,3 В и указывает на то, что сдерживает разгон Core i7-8700K именно проблема с теплоотводом. Выделяемая полупроводниковым кристаллом тепловая энергия попросту не успевает отводиться, и это приводит к перегреву. Впрочем, это было понятно и без всяких экспериментов. Ещё в процессорах поколения Ivy Bridge компания Intel отказалась от пайки теплораспределительной крышки CPU на процессорный кристалл и стала применять в качестве термоинтерфейса между кристаллом и крышкой полимерную термопасту. Именно она из поколения в поколение выступает узким местом на пути теплового потока, не только сдерживая разгон, но и приводя к повышенным температурам процессора при нормальной эксплуатации в номинальном режиме.

Готовя к выпуску процессоры поколения Coffee Lake, компания Intel ввела в строй новую версию технологического процесса с нормами 14 нм, которая условно называется 14++ нм. Благодаря применению несколько ослабленных производственных параметров и совершенствованию профиля трёхмерных транзисторов в ней декларируется лучшее масштабирование частоты без роста энергопотребления. Так, Intel говорит об увеличении шага затворов транзисторов с 70 до 84 нм, что снижает негативное влияние токов утечки на общую стабильность полупроводникового устройства. В результате Coffee Lake должны быть способны работать на частотах, превышающих частоты Kaby Lake на 10-15 %, – так говорит теория.

Однако реальный опыт с теорией не сходится, поскольку возможность роста частоты блокируется недостаточной эффективностью применённого под процессорной крышкой теплоотвода. Попробуем избавиться от этого препятствия и заменить интеловский термоинтерфейс чем-то более эффективным.

Процесс скальпирования Core i7-8700K вряд ли нуждается в подробном описании. Конструктивно Coffee Lake не отличаются от своих предшественников: они не только используют тот же, что и раньше, процессорный разъём LGA1151, но и имеют абсолютно аналогичные размер и форму платы и теплораспределительной крышки. Не изменился и метод их сопряжения – они склеены герметиком, как и в Kaby Lake. Всё это позволяет использовать при снятии крышки с процессоров поколения Coffee Lake точно такие же подходы и приспособления, что и при скальпировании Kaby Lake.

Как показывает опыт, наиболее простой и безопасный метод – это силовой сдвиг теплораспределительной крышки с процессора в тисках или в специальном устройстве. Именно этим методом мы и воспользовались для разборки Core i7-8700K, но с одним важным дополнением. В нашем распоряжении осталось напечатанное на 3D-принтере вспомогательное приспособление для скальпирования процессора в тисках, которое мы делали для Core i7-7700K, им же мы решили воспользоваться и в этот раз.

О том, как работает это приспособление, подробно уже рассказывалось. Суть в том, что оно обеспечивает правильное распределение усилий при силовом сдвиге крышки относительно процессорной платы и предохраняет её от излома.

Сам процесс демонтажа теплораспределительной крышки вряд ли стоит описывать детально – на нашем сайте можно найти сразу несколько подробных материалов по этой теме. Процессор просто вставляется в приспособление, к нему применяется усилие (надо заметить, достаточно серьёзное), и крышка оказывается оторванной от платы, к которой припаян процессорный кристалл.

В этот момент нетрудно убедиться, что Intel не отказалась от своей фирменной термопасты. Ненавистная плотная субстанция серого цвета заполняет промежуток между кристаллом и крышкой и в Core i7-8700K. То есть, даже несмотря на то, что ядер в процессоре стало больше, Intel продолжает считать, что эффективности полимерного термоинтерфейса вполне достаточно. Впрочем, ничего другого и не ожидалось. Пайка теперь не используется даже в премиальных многоядерных процессорах Intel серий Skylake-X и Skylake-SP, чего уж тогда ждать от массовых Coffee Lake.

Если очистить процессорную плату и кристалл от пасты и герметика, то можно оценить размеры кристалла Coffee Lake. Он стал больше, чем кристалл Kaby Lake, но ненамного. Площадь Coffee Lake оценивается в 150 мм², в то время как у Kaby Lake эта величина примерно равнялась 126 мм² .

Заменять интеловскую термопасту лучше какими-то материалами на основе жидкого металла – индия или галлия. На сегодняшний день производители термоинтерфейсов предлагают богатый выбор соответствующих составов. Мы традиционно пользуемся продукцией компании Coollaboratory, но аналоги можно найти, например, в ассортименте Thermal Grizzly. Причём, судя по данным независимых тестов, жидкометаллический термоинтерфейс Thermal Grizzly Conductonaut несколько выигрывает по теплопроводности у вариантов Coollaboratory Liquid Pro и Ultra.

Тем не менее, в Core i7-8700K мы решили испытать жидкий металл Coollaboratory Liquid Ultra, который по сравнению с применяемым нами ранее в скальпированных процессорах термоинтерфейсом Coollaboratory Liquid Pro получил несколько улучшенную теплопроводность и стал более прост в использовании за счёт лучшего сцепления с поверхностями. Однако не стоит забывать о том, что перед тем, как начинать наносить жидкий металл на процессорный кристалл и крышку, поверхности необходимо тщательно очистить и обезжирить.

После нанесения нового теплопроводящего состава остаётся последнее – приклеить обратно на процессор медно-никелевую теплораспределительную крышку. Она, в отличие от внутреннего термоинтерфейса, сохранила качественное исполнение и превосходно решает возложенные на неё задачи – предохраняет от повреждений процессорный кристалл и распределяет поступающее на неё тепло по большей площади.

В том, что весь описанный процесс имеет огромный практический смысл, убедиться элементарно просто: достаточно сравнить коэффициенты теплопроводности разных термоинтерфейсных материалов. Так, коэффициент теплопроводности жидкого металла Coollaboratory Liquid Ultra – 38,4 Вт/(м∙К), в то время как теплопроводность интеловской термопасты оценивается величиной 4-5 Вт/(м∙К). Поэтому каждый раз, когда мы проделывали процедуру скальпирования, температуры CPU как в номинальном режиме, так и при разгоне заметно снижались. Давайте посмотрим, что произошло на этот раз.

⇡#Разгон скальпированного Core i7-8700K

Эффект от скальпирования Core i7-8700K виден сразу. Даже в номинальном режиме предельные температуры тут же упали на 13 градусов. То есть теперь, даже при максимальной и самой жёсткой для процессора нагрузке нагрев ядер не превышает 71 градуса.

Ещё более весомое улучшение температурного режима прослеживается при разгоне. Например, при выборе для процессора настроек частоты, которые изначально были предельными и приводили к нагреву Core i7-8700K до критических температур, теперь стал отчётливо виден доступный и нераскрытый частотный потенциал.

При выборе частоты 4,8 ГГц с напряжением 1,3 В температуры процессорных ядер не превышают 78 градусов. То есть здесь скальпирование позволило выиграть целых 17 градусов. Но что ещё важнее, оно открыло путь к дальнейшему оверклокингу.

Понемногу повышая напряжение дальше, мы смогли добиться работы тестового Core i7-8700K на частоте 5,0 ГГц. Причём речь идёт об абсолютно стабильном разгоне, в котором процессор способен проходить любые испытания, включая и тестирование в LinX 0.8.0 с задействованием AVX/AVX2-инструкций.

Для обеспечения работоспособности процессора на частоте 5,0 ГГц его напряжение пришлось повысить до 1,4 В, но температуры ядер, фиксируемые при работе c AVX-алгоритмами, не превышали 89 градусов. Иными словами, частота 5,0 ГГц для скальпированного Core i7-8700K – вполне подходящий режим, который можно без каких-либо колебаний ставить «на постоянно».

Здесь стоит отметить одну немаловажную деталь. В качестве тестовой платформы в экспериментах по разгону мы пользовались материнской платой ASUS Strix Z370-F Gaming. И несмотря на то, что на ней реализован фирменный четырёхканальный стабилизатор питания Digi+ на ШИМ-контроллере ASP1400BT с удвоителями фаз, на данный момент эта плата не может обеспечить стабильное напряжение на процессоре даже при включении максимального, седьмого уровня Load-Line Calibration. Как можно судить по данным мониторинга, под нагрузкой напряжение проседает почти на 0,1 В – до 1,312 В. Но несмотря на это, никаких претензий к стабильности работы Core i7-8700K на частоте 5,0 ГГц у нас не возникло, и в нашем случае явно дефектная реализация Load-Line Calibration на плате ASUS Strix Z370-F Gaming разгонный потенциал никак не ограничила. Тем не менее на других платах, где данная функция работает без проблем, частоту 5,0 ГГц можно было бы получить и при более низком напряжении V_CC. Насколько более низком – мы обязательно проверим, как только другие платы доберутся до нашей лаборатории.

Более полно картину того, насколько значительный эффект даёт скальпирование Core i7-8700K при разгоне, можно оценить по температурной карте, составленной для этого процессора после замены термоинтерфейса. Приведённые на ней значения температур – это максимум, который был зафиксирован при прохождении тестирования в LinX 0.8.0.

Представленная таблица ясно даёт понять, что замена интеловской термопасты жидким металлом, который имеет на порядок лучшую теплопроводность, серьёзно снижает рабочие температуры и буквально отодвигает предел разгона. То есть штатный интеловский термоинтерфейс искусственно сдерживает частотные возможности кристаллов Coffee Lake в составе процессоров Core восьмого поколения, и на самом деле они способны на гораздо большее.

Правда, нужно учитывать и ещё один момент – безопасность долговременной эксплуатации разогнанного процессора. Считается, что от длительной работы при повышенных частоте и напряжении полупроводниковый кристалл может деградировать. И в этом есть доля истины: такое действительно случается. Поэтому на оверклокерских форумах для 14-нм процессоров обычно рекомендуют останавливаться на максимальных значениях напряжений порядка 1,35-1,4 В – они у оверклокеров-практиков считаются сравнительно безопасными.

Тем не менее инженеры из числа разработчиков материнских плат говорят, что эта рекомендация – не слишком корректная. Дело в том, что деградация полупроводниковой структуры процессора происходит не столько от напряжения, сколько от высоких токов, поэтому безопасный уровень напряжения питания зависит от изначального качества полупроводникового кристалла, и его нужно определять не в виде абсолютной величины, а через фактическое энергопотребление каждого конкретного экземпляра CPU при его разгоне. Общая рекомендация звучит так: повышать напряжение V_CC безопасно до тех пор, пока потребление процессора под нагрузкой превышает изначальный уровень энергопотребления, наблюдаемый при номинальной частоте и штатном VID, не более чем вдвое.

Поэтому попутно с температурой мы проанализировали и то, как растёт потребление разогнанного Core i7-8700K. Для этого было выполнено измерение тока, проходящего через разъём EPS 12V на материнской плате, от которого питается процессорный VRM, при разгоне CPU до различных частот с различным напряжением. Результаты представлены в следующей таблице.

Подумать только, разгон приводит к тому, что потребление 95-ваттного (формально) процессора Core i7-8700K может переваливать за 250 Вт! Но стоит иметь в виду, что реальное потребление старшего Coffee Lake при максимальной нагрузке в номинальном режиме составляет далеко не 95 Вт. В реальности при работе с AVX/AVX2-инструкциями этот процессор расходует существенно больше электроэнергии – на уровне 135-140 Вт. Поэтому 250 Вт при разгоне – вполне допустимый режим, который не должен внушать опасения по поводу быстрой деградации полупроводникового кристалла.

До этого момента мы говорили об оверклокинге, имея в виду полную стабильность процессора в программах, которые активно работают с AVX/AVX2-инструкциями. Среди игровых и офисных приложений таких встречается очень немного, но современные творческие программы, в первую очередь связанные с обработкой изображений или видео, векторные инструкции задействуют достаточно активно. Однако пользуются такими программами далеко не все, поэтому в дополнение к проделанному тестированию мы решили посмотреть, насколько разгонится скальпированный Core i7-8700K, если его стабильность проверять не в LinX 0.8.0, а более поверхностно – в Prime95 29.3 с отключённой поддержкой AVX/AVX2.

Ослабленные требования к стабильности, естественно, позволили получить более высокую частоту. При выставленном в BIOS материнской платы напряжении 1,45 В процессор смог проходить часовое тестирование в Prime95 на частоте 5,2 ГГц.

Температура ядер не превышала 90 градусов, потребление процессора, по данным системного мониторинга, оставалось в пределах 170-175 Вт.

Этот результат позволяет применить для скальпированного процессора Core i7-8700K комбинированный разгон со снижением частоты при активации AVX/AVX2-инструкций. Соответствующая опция поддерживается в BIOS материнских плат на базе набора логики Intel Z370, поэтому «плавающий» разгон до 5,0-5,2 ГГц – вполне допустимый рабочий режим для скальпированного Core i7-8700K.

А это значит, что без каких-либо дополнительных финансовых затрат в наших руках оказался аналог процессоров Core i7-8700K Ultra Edition, которые распространяет немецкий энтузиаст Der8auer через магазин caseking.de.

В частности, для Core i7-8700K Ultra Edition обещается стабильная работоспособность на частоте 5,2 ГГц в приложениях без поддержки AVX, и это ровно то же самое, что получилось после скальпирования имеющегося в нашей лаборатории образца Core i7-8700K. Конечно, нужно понимать, что успех разгона того или иного экземпляра CPU зачастую зависит от везения. Но очень похоже, что Coffee Lake, если ему обеспечить должный теплоотвод, действительно может предложить на 100-200 МГц лучший разгон по сравнению с Kaby Lake, несмотря на увеличенное в полтора раза количество вычислительных ядер. И это значит, что на покорение символической 5-гигагерцевой вершины может рассчитывать практически любой оверклокер, способный смириться с утратой гарантии на процессор и готовый решиться на скальпирование процессора и вживление в него эффективного термоинтерфейса на основе жидкого металла.