Hot topics:
News su Black Friday 2017
23 minuti

Analisi problemi Skylake-X, fra pasta termica e consumi

Temperature, consumi, pasta termica: analizziamo a fondo le problematiche di Skylake-X emerse durante il test del Core i9-7900X.

Analisi problemi Skylake-X, fra pasta termica e consumi

Analisi Skylake-X, lo stato dei problemi

In scia al debutto di Skylake-X e ai risultati deludenti dei nostri overclock, abbiamo deciso di approfondire il tema che riguarda i problemi termici e di consumo che affliggono le ultime CPU desktop di fascia alta di casa Intel. Possiamo riassumere tutto in due punti salienti che esploreremo con maggiore attenzione:

(1) Skylake-X a impostazioni stock (di default) può essere raffreddato a malapena durante il normale funzionamento. Questo è dovuto al consumo energetico che sale in modo estremo in alcune situazioni e alla sua pasta termica che impedisce al calore disperso di essere dissipato in modo efficace.

(2) Non c'è quasi margine di overclock per gli appassionati. Molte motherboard frenano le CPU Skylake-X a causa di alcune scelte sbagliate in fase di progettazione, come un raffreddamento insufficiente dei VRM.

Equipaggiamento di test e configurazione

Per fare luce sui due punti abbiamo deciso di prendere una delle motherboard LGA 2066 più semplici in circolazione e costruire un banchetto di prova capace di supportare il funzionamento in verticale, in modo da testare il Core i9-7900X in modo approfondito.

I nostri test sono andati in due direzioni. Per prima cosa abbiamo esaminato le letture del sensore termico e dove riportavano il calore. In secondo luogo abbiamo confrontato le nostre rilevazioni termiche all'infrarosso nei pressi dell'interfaccia LGA della motherboard e dei VRM per verificare la plausibilità di quanto indicato dal sensore. Questo ci ha anche permesso di documentare la fase di riscaldamento e la diffusione del calore tramite video in time-lapse.

Infine, eravamo interessati a sapere se e come altri componenti sulla scheda fossero influenzati dai punti caldi imposti dal processore.

analisi skylakex 01

Per le prove abbiamo usato il BIOS più recente disponibile per la nostra motherboard in modo da garantire una lettura affidabile del sensore, oltre che un funzionamento altrettanto stabile. Per le stesse ragioni abbiamo usato la versione beta di HWiNFO (v5.53-3190).

La sezione di alimentazione della CPU sulla motherboard è formata da un totale di sei fasi, ottenute con un controller buck dual-loop International Rectifier IR35201. Ufficialmente supporta la specifica VR12.5 Rev 1.5 di Intel e, apparentemente, anche VR13. Se avete contato 12 circuiti di regolazione, vi facciamo i nostri complimenti; il raddoppiamento permette due circuiti per fase, cosa che riduce il carico su ogni VRM e facilita la diffusione dei punti caldi in modo più omogeneo.

analisi skylakex 02

Ogni circuito ha il proprio PowIRstage 60A IR3555. Questi chip altamente integrati combinano i gate driver, MOSFET high e low side e un diodo Schottky in un unico package. Come la maggior parte dei MOSFET, l'IR3555 è privo di un sensore di temperatura integrato. In che modo possiamo determinare la loro temperatura senza l'aiuto di una videocamera a infrarossi?

MSI usa un chip NCT6795D Super I/O di Nuvoton, che è in grado di collezionare e riportare un'ampia varietà di letture dai sensori. Una di queste letture arriva da un termistore - immagine sotto - posto tra i chip PowIRstage. Questo è il motivo per cui scegliamo il punto appena sotto questo termistore, sul lato posteriore della motherboard, come posizione delle nostre rilevazioni video.

analisi skylakex 03

Inoltre, terremo sott'occhio le temperature di induttori e condensatori dei circuiti di regolazione, oltre alle temperature della scheda fino alla CPU.

Throttling della frequenza e spegnimento d'emergenza

È importante capire che i produttori di motherboard aggiungono deliberatamente determinati meccanismi di sicurezza ai rispettivi progetti. Ad esempio, sulla nostra piattaforma la frequenza del processore Skylake-X scende esattamente a 1,2 GHz quando il termistore riporta una temperatura di 105 °C o più - la voce MOS nell'immagine sotto. Quella frequenza si mantiene fino a quando la temperatura scende sotto 90 °C. Solo quando avviene la frequenza del processore ritorna sui livelli tradizionali.

analisi skylakex 04

Anche se il punto d'infiammabilità (FR4) del materiale che compone la motherboard è nettamente maggiore di 105 °C, la temperatura massima consigliata per il funzionamento continuo è tra 95 e 105 °C. Altrimenti la motherboard potrebbe iniziare a soffrire di fratture sui percorsi conduttivi.

Chi usa Extreme Tuning Utility (XTU) di Intel può trovare questa impostazione sotto Thermal Throttling: Yes, in giallo. Ma che cosa fanno le altre impostazioni, come ad esempio Motherboard VR Throttling?

Per prima cosa un po' di contesto. Non molte persone realizzano che il controller buck IR35201 fornisce le proprie letture di temperatura. Le etichette assegnate a quelle rilevazioni da HWiNFO senza dubbio confondono. Dopotutto i valori sotto VR T1 e VR T2 sono molto più alti di quelli che ci aspetteremmo. Tempo fa si pensava fosse possibile leggere le temperature dei convertitori di tensione come VRM1 e VRM2 per le schede video con determinati controller PWM, usati di solito da AMD. Tuttavia i valori di temperatura non erano determinati dai sensori di temperatura, ma dalla rilevazione del chip stesso.

analisi skylakex 05

Di solito il chip è posizionato vicino ai VRM, quindi i produttori provano a usarne l'uscita. Il chip produce però una buona quantità di calore disperso, diventando caldo. Sotto carico e con i fattori esterni, come una scheda che è stata riscaldata dai VRM, raggiungere alte temperature può significare superare 100°C. Questo fa sì che le letture che vedete siano la somma di diverse influenze termiche.

Il controller PWM può garantire un'alimentazione stabile e sicura solo se sta all'interno delle proprie specifiche termiche. Questo significa che è necessaria un'impostazione di temperatura massima. In questo caso è 125 °C. Oltre tale temperatura l'impostazione Motherboard VR Throttling: Yes di XTU diventa gialla e la frequenza della CPU scende a 1,2 GHz. A 135°C, la motherboard semplicemente si spegne per evitare danni all'hardware.

analisi skylakex 06

Anche la CPU protegge sé stessa. Il processore stima le temperature di core e package in base alle letture raccolte da differenti sensori di temperatura digitali integrati (DTS). La precisione di quelle stime sale quando i sensori diventano più caldi. Sotto 40 °C le loro rilevazioni non hanno significato. Tuttavia sono molto accurati sopra 80 °C, ossia dove conta. Se la temperatura di core o package diventa troppo calda, s'innesca il throttling.

La temperatura del package include le correnti disperse dal regolatore di tensione integrato. L'IVR è responsabile per fornire differenti tensioni ai sottosistemi all'interno della CPU. Alti overclock e aumenti manuali di tensione possono portare il limite di temperatura a essere superato in modo inatteso. Gli strumenti potrebbero non essere in grado di catturare in modo affidabile questo effetto, il che significa che la CPU potrebbe entrare in throttle senza alcuna ragione chiara all'utente.

Osservazione #1: è ben noto che la CPU può ridurre la propria frequenza a causa di temperature di core o package troppo alte. Tuttavia il chip Super I/O può ridurla a causa di temperature dei VRM troppo alte. Infine il controller PWM può anche causare del throttling se diventa troppo caldo, dato che potrebbe portare a un'alimentazione pericolosamente instabile. Infine, è una leggenda urbana che il controller PWM riporti le temperature del VRM.

Configurazione di prova

Configurazione di prova
Sistema Intel Core i9-7900X
MSI X299 Gaming Pro Carbon AC
4x 4GB G.Skill Ripjaws IV DDR4-2600
Nvidia Quadro P6000 (Workstation)

1x 1TB Toshiba OCZ RD400 (M.2, OS)
2x 960GB Toshiba OCZ TR150 (Archiviazione, Immagini)
Be Quiet Dark Power Pro 11, 850W
Windows 10 Pro (Creators Update)
Raffreddamento Alphacool Eiszeit 2000 Chiller + Alphacool Eisblock XPX
Alphacool Eisbär 240 (All-in-one Water Cooler)
Noctua NH-D15 (Air Cooler)
Thermal Grizzly Kryonaut (Used when Switching Coolers)
Monitor Eizo EV3237-BK

Rilevazione consumi
Direct Current Measurement at Shunts (Voltage Drop)
Direct Current Measurement at Measurement Points
Contact-free DC Measurement at External Auxiliary Power Supply Cable

2x Rohde & Schwarz HMO 3054, 500MHz Digital Multi-Channel Oscilloscope with Storage Function
4x Rohde & Schwarz HZO50 Current Probe (1mA - 30A, 100kHz, DC)
4x Rohde & Schwarz HZ355 (10:1 Probes, 500MHz)
1x Rohde & Schwarz HMC 8012 Digital Multimeter with Storage Function
Rilevazione temperature 1x Optris PI640 80Hz Infrared Camera + PI Connect
Real-Time Infrared Monitoring and Recording
Pictures and Emission Videos

Limiti di fabbrica: heatspreader, pasta termica e IVR

Una ragione legata al problema del raffreddamento è l'uso da parte di Intel di una pasta termica inadeguata - ma probabilmente meno costosa - invece della saldatura basata sull'indio. Anche se possiamo dibattere sulla durabilità della saldatura nel tempo, in particolare per quanto riguarda le CPU con piccoli die, abbiamo visto processori di differenti dimensioni operare stabilmente e senza errori per molti anni con la saldatura tra die e heatspreader.

Inoltre, le paste termiche hanno problemi di stabilità sul lungo periodo. Nel tempo, gli olii in questi materiali si separano dai solidi, introducendo vuoti d'aria tra le superfici e aumentando la resistenza termica. Questo effetto è differente in tutte le paste, ma non può essere evitato del tutto.

Perché questo è un grosso problema secondo noi? La seguente curva tratta dalla recensione del Core i9-7900X, generata con una soluzione di raffreddamento di fascia molto alta, mostra chiaramente che il calore disperso è stato dissipato in modo inadeguato dalla pasta tra il die e l'heatspreader. Ciò che funziona in modo efficace per un chip da 91W come il Core i7-7700K qui fa da collo di bottiglia termico.

test 01

Il seguente grafico mostra chiare differenze di temperatura tra la parte superiore del'heatspreader e i core sottostanti.

test 02

Anche usando una dalle soluzioni di raffreddamento più costose ed efficaci sul mercato, misuriamo fino a 71 °C di differenza tra la temperatura riportata dai core e la parte superiore dell'heatspreader. Ovviamente un raffreddamento a liquido ad anello chiuso di fascia inferiore sotto pieno carico appare piuttosto inefficace.

Osservazione #2: la dissipazione del calore disperso è ostacolata dalla costruzione della CPU e dalla decisione di Intel di usare la pasta termica tra il die e l'heatspreader. Malgrado la quantità di pressione che usate o quanto fresco potete mantenere il vostro heatsink, non realizzerete mai il potenziale di Skylake-X nel modo in cui è configurato attualmente. Intel ha applicato un freno termico, favorendo la longevità e sacrificando le prestazioni.

Potreste essere tentativi di rimuovere l'heatspreader e rimpiazzare la pasta termica di Intel con qualcosa di migliore. Non è però qualcosa di realistico per la maggior parte degli appassionati. Serve uno strumento speciale, mano ferma e tanta pratica. Inoltre, questo processo invalida la garanzia.

delid

Ancora più estremo sarebbe lasciare esposto il die e usare un buon cacciavite a coppia per minimizzare la possibilità di un danno meccanico dovuto a un carico non uniforme / eccessivo. È comunque una mossa rischiosa.

Alla fine il delidding è una soluzione a questo collo di bottiglia, anche se manca di appeal per le masse. Un certo contingente di appassionati cercherà di farlo a prescindere, e possiamo solo preoccuparci che considerino i rischi prima di farlo.

I regolatori di tensione integrati di Skylake-X

Le architetture Haswell e Broadwell offrono un Fully Integrated Voltage Regulator, ossia l'erogazione dell'alimentazione su package/die. Il FIVR serviva a semplificare il layout delle motherboard tramite il consolidamento di 5 regolatori di tensione in uno. L'implementazione creò alcuni problemi agli overclocker.

Skylake-S (Core di sesta generazione) non implementa un FIVR. Con Skylake-X Intel ha integrato un regolatore di tensione, anche se si tratta di una soluzione lineare e non switching.

Che cosa significa? Bene, i convertitori di tensione esterni della motherboard non forniscono la Vcore, come con Kaby Lake-X, ma piuttosto una tensione intermedia (VCCIN, o eventualmente CPU input voltage) come input per l'IVR di Skylake-X. Se guardate l'immagine sotto, potete vedere il punto in cui misurare VCCIN per Skylake-X o Vcore per Kaby Lake-X. La CPU determina quale tensione è fornita dal VRM, e può essere tra 1,6V e un massimo di 2,55V.

Per la cronaca è stato questo approccio ibrido a portare così tante CPU morte al lancio, con appassionati che passavano da Skylake-X a 1,8V a Kaby Lake-X e applicavano una tensione troppo alta.

analisi skylakex 07

In base alla minore tensione intermedia VCCIN, fornita tramite il VRM (che fa la parte più grande del lavoro nella regolazione della tensione), l'IVR genera la tensione per i core (Vcore) e tutte le sottotensioni necessarie per last-level cache, topologia mesh, I/O (VCCIO), system agent (VCCSA) e PIROM (VCC33).

Questa tensione intermedia VCCIN è controllata dalla CPU tramite il bus SVID (Serial Voltage ID), e il controller R35201 supporta anche l'ultima specifica Intel VR13.0 PWM. Questa tensione basata su VID è simile alla precedente loadline per Vcc delle CPU più vecchie.

Overclock massimo ed estremo di Skylake-X

Anche se Intel indica un TDP di soli 140W per le CPU Skylake-X esistenti, la corrente massima è un incredibile 190A, che fissa un limite ammissibile di 297W. I test con valori più alti portano la motherboard a spegnersi a 365W.

Osservazione #3: il consumo per VCCIN oltre 300W non ha niente a che fare con un overclock realistico, dato che la CPU è caricata oltre la sua propria specifica termica ben prima di arrivare a quel punto. Per la stabilità a lungo termine, un valore massimo fino a 250W è più realistico (anche se è comunque piuttosto alto).

Continua a pagina 2
AREE TEMATICHE
Vuoi ricevere aggiornamenti su #CPU?
Iscriviti alla newsletter!