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Analisi problemi Skylake-X, fra pasta termica e consumi

Pagina 1: Analisi problemi Skylake-X, fra pasta termica e consumi

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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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