Mit is csinálunk tuningoláskor, mi is az a vdroop, PWM szabályozás, processzordegradáció problémák és megoldások!

Mostanában többször találkoztam olyan esetekkel, mikor felmerültek a számítógépekben a videokártya valamint a processzor tápfeszültségének szabályozására szolgáló PWM áramkör működésével kapcsolatos kérdések problémák. Mivel a téma alaposabb kitárgyalására nem alkalmasak a topikok ezért (és mivel egyesek jelezték hasznos lenne)gondoltam írok egy cikket, amelyben megpróbálom részletesen és mindenki számára érthetően ”konyhanyelven” leírni ezen áramkörök működését és a velük kapcsolatos problémákat és azok lehetséges megoldását

Többször használom a cikkben a záróréteg kifejezést még mielőtt komolyabban hozzáértők belekötnének megjegyzem. Nem teljesen helyes mindig a kifejezés használata mert ez tulajdonképpen a félvezető működése közben kialakult réteg (PN vagy NP rétegek között) viszont kialakulását jellemzően az adott gyártástechnológia, milyen P és N réteget milyen szennyezőanyagot használnak szabja meg. Ezeket nem kívánom részletesen ismertetni felesleges és hosszú lenne. Ezért használom az egyszerűsített záróréteg kifejezést, mert sokak számára viszonylag egyszerűen megérthető!

Rövid ismetető, hogy mit is teszünk tuningolásnál, és miért szükséges a feszültség emelése.
Ahogyan emeljük a processzor órajelét, arra kényszerítjük a benne lévő sokmilliónyi tranzisztort, hogy adott időegység alatt többször nyissanak zárjanak.(vezet,nem vezet)Ehhez időre van szükségük és van egy határ ahol már adott idő alatt nem képes a tranzisztor zárórétege átbilleni a két állapot között. Ilyenkor szükséges a nagyobb feszültség, melynek a hatásárára ismételten képes lesz a rövidebb idő alatti változásra a tranzisztor. Természetesen mind az adott feszültség nagysága mind az időegység csökkentése egy felső korlátba ütközik melyet átlépve (főleg feszültség) már károsodik az alkatrész. 1Ghz=1000000000Hz azaz ilyen frekvencián ennyiszer kell 1 másodperc alatt elvégezni a fenti műveletet!!!Gondoljunk bele milyen hihetetlenül rövid időről van szó!

A későbbi esetek megértéséhez szükséges az áramkör alapvető működési elvének ismerete, ezért ezzel kezdem. A PWM a Pulse Width Modulation kifejezés rövidítése melynek magyar jelentése impulzussszélesség moduláció. Alapvetően két fajta ilyen áramkör használatos a számítógépeknél. Az egyik kifejezetten videokártyákhoz készül, mely egy bizonyos feszültség előállítására gyárilag fix alkatrészekkel beállítva működik. A másik, amely a processzorok tápfeszültségét hivatott beállítani és ún. VID-es szabályzással működik.(alkalmanként ezt is használják GPU feszszabályzónak is) A VID a voltage identity code rövidítése melynek magyar jelentése feszültség azonossági kód. Ez egy általában 5-8 bit- ből álló kódszám, aminek éppen aktuális értéke alapján állítja be a processzor feszültségét az áramkör.
Az ic-n minden bit-hez tartozik egy VID láb, amit egy tranzisztor vezérel>>x fesz=0 yfesz.=1. Tulajdonképpen ezeket a biteket állítjuk(vezéreljük) a biosban, így állítjuk a Vcore feszültséget. Itt egy kicsit előreugrottam a témában, később még szó lesz róla.
Először induljunk ki egy fázisú szabályzó alapvető működésének megismeréséből. Melyhez szükséges egy kapcsolási rajz és egy grafikus ábra.

A kékkel aláhúzott NX2114 Egy egyfázisú PWM szabályzó ic. A pirossal bekeretezett alkatrészek a a mosfet tranzisztorok, a zöld nyíl a néha (sajnos)ciripelő hangot kiadó tekercs.
A Co egy szilárd elektrolitos rendkívül kis szivárgó árammal bíró kondenzátor melyből általában fázisonként kettő darabot használnak. Gondolom az említett alkatrészek sokak számára ismerősek. A szóban forgó áramkör egyébként a Galaxy 8600GE videokártya memória tápfeszültség szabályzó áramköre.
Itt most nem részletezem a pontos működést a későbbiekhez szükséges.

Az ábrán lévő jelsorozat hossza durván kb. 0.036 ms csak, hogy fogalmunk legyen a folyamat időbeni lefolyásáról.

A vízszintes vonal az idő tengely a függőleges pedig a feszültség. A fekete vonallal jelölt négyszög impulzusok a feteken mérhető feszültség lenne ha nem lenne további áramkör. Innen ered az elnevezés mert látható hogy a növekvő feszültséghez az impulzusok szélességét változtatja az áramkör. T2>T1 A pirossal jelzett fűrészfog feszültség jelenne meg ha csak rákapcsolnánk egy elektrolit kondenzátort. A kékkel jelzett feszültség jelenik meg végül a kimeneten a fentebb említett L1 tekercs és a kondenzátor együttes hatásának köszönhetően.
Ez az ábra azt az estet kívánja szemléltetni, amikor a T2-vel jelzett impulzus kezdetekor a kimenőfeszültséget emeljük. A kékkel jelzett feszültség értéken is látható még egy pici ingadozás a gyakorlatban azonban ez csak kb: 1-2 ezred volt nagyságrendű. A jelzett ingadozások ábrázolása kicsit eltúlzott mértékű a jobb láthatóság érdekében. A GPU-nál és a processzoroknál használatos PWM-ben alkalmaznak, még un. OVP és OCP áramköröket is
(ezek a videó kártya vmodosok rettegett ”rémálmai” alaposan megnehezíti a modot) de szükség van ezekre az áramkörökre a hardver biztonságos üzemeltetése érdekében.
Az OVP egy túlfeszültség védő az OCP pedig egy túláramvédő áramkör.

Elnézést, ha egyeseknek túl száraznak vagy unalmasnak tűnik a téma, de szükséges ezek ismerete a későbbi érdekesebb dolgok megértéséhez.
És el is érkeztünk egy érdekesebb gyakorlatiasabb esetleg többeket érdeklő téma tárgyalásához.

Az újabb nagyobb teljesítményű 2-4 magos és egyre kisebb csíkszélességen 65nm>45nm-en gyártott intel processzorok esetében felvetődött 1-2 probléma és kérdés. Előzetesen megjegyezném nem rémhírterjesztésről, pánikkeltésről van szó. Valamint arról sem, hogy sorra mennének tönkre ezek a processzorok a túlhajtástól, csak elvétve 1-2 esetben előforduló ESETLEGES degradációról amit a valószinüsíthető túlfeszelés okozott. (degradáció> leromlás, csökkent tuningképesség ) Igen jól tuningolható és strapabíró processzorokról van szó de 1-2 dologra érdemes odafigyelni, hogy elkerüljük az esetleg lehetséges problémákat.
Az elmúlt időszakban több külföldi fórumon is és a napokban itt az intel cor 2 duó E 8000 széria wolfdale topikban is felmerült ezzel kapcsolatos téma, ami felvet 1-2 dolgot, aminek érdemes egy kis figyelmet szentelni. Hogy is néz ki valójában az a feszültség, amit kap a processzor. Mennyire egyenletes, mi is az a vdroop érdemes e megszüntetni, moddolni a lapunk feszszabályzóját?
És most lesz szükség az eddig tárgyalt PWM szab. felépítésének és működésének ismeretére.
A PWM szabályzó működéséből adódóan a terhelés csökkenésekor rövid időre (ms-ban mérhető) fellép egy jelentős feszültségugrás (impulzus)mivel a terhelés csökkenésekor igen rövid DE IDŐBE TELIK mire az áramkör lecsökkenti a hosszabb szélességű impulzusokat, valamint (ez nagyobb jelentőségű)a feltöltött elkó fesze a jelentősen kisebb terhelés hatására megemelkedik(mint ahogyan minden feszültségforrás feszültsége emelkedik terhelés csökkenésekor) és BIZONY IDŐ SZÜKSÉGES, hogy kisüljön kisebb feszültségre. Ami egy kicsit a szükséges alá is esik, és itt létrejön egy fokozatosan csökkenő amplitúdójú hullámzás.
Ami az alábbi grafikonon jól látható.

A pirossal kiemelt rész a szóban forgó feszültségugrás. És itt jön képbe a Vdroop. Mi is ez, amit sokan különféle modokkal próbálnak eltüntetni. Nem azért van, mert a PWM tervezők lapgyártók nem tudtak, nem akartak kiküszöbölni egy problémát. Vagy direkt beleépítették, hogy szerencsétlen usert idegesítsék. Hanem egy szükséges rossz, ami azért van, hogy az említett feszültségugrásnál sem lépje túl a feszültség a specifikációban megadott határértéket.
Nézzük meg mi is történik, ha eltüntetjük a vdroopot valamint a voffsett-el jelölt feszültségesés értékeit azaz feltoljuk a load értékét az idle magasságába, hogy örüljük hurrá megszüntettük a vdroop-ot.

Jól látható, hogy a szóban forgó feszültségugrás értéke jelentősen megnőtt a beállított alapfeszültséghez képest. Ennek a mértéke erősen PWM típus ill. alaplapfüggő akár több tized voltot is elérhet kedvezőtlen esetben.(Quad processzornál 1.4 V load beállított fesz. Mellet 1.7v os impulzust is sikerült mérni gyengébb lapnál, saját mérés)
Mi történhet ilyenkor, ha pl. a megadott specifikáció határértékére vagy netán egy kicsivel fölé (amit mások tapasztalatai beszámolói alapján még biztonságosnak tartunk) állítjuk a processzor feszültségét. A terhelés megszűnésekor illetve csökkenésekor ez a feszültségcsúcs jelentősen túllépi mind a specifikációt mind az általunk még biztonságosnak tartott értéket.
Ilyenkor fordulhat elő, azaz eset, hogy (az user TUDTA nélkül jelentős túlfeszt. kap a proci ) és látszólag értehetetlen módon bekövetkezik egy rejtélyes procihalál vagy degradáció.
Természetesen ez nem következik be mindig, sőt szerencsére igen ritkán, de néha szerencsétlen esetben bekövetkezhet.
Egyes újabb típusú lapoknál beépítettek egy load line calibration nevű funkciót ami kikapcsolja a vdroopot azonban ez előhozza a fentebb említett jelenséget. Ezzel kapcsolatban van még egy grafikon

Jól látható hogy a funkció bekapcsolt állapotában 20W-al többet vesz fel a processzor teljes terhelésen ugyanazon körülmények között, mintha nem használnánk az említett alkalmazást.
A fentebb leírtak alapján mindenki döntse el, hogy akarja e használni vagy sem. Mindenesetre figyelembe kell venni, hogyha megszüntetjük a vdroopot és úgy üzemeltetjük pl: 1.30 V-on a processzort akkor közel olyan terhelést kap a processzor mintha vdrooppal használnánk kb:1.38 V-on.
Tehát ha jól átgondoljuk a Vdroop eltüntetésével nem nyertünk semmit viszont, ha fentieket nem tudjuk vagy nem vesszük figyelembe és azonos feszültséget tekintünk megbízhatónak mint a droop meglétekor akkor esetleg kellemetlen meglepetés érhet minket.
Ezzel kapcsolatban olvastam, hogy de ha kikapcsolom, akkor ugyanolyan vagy egy feszültséglépcsővel fentebb is instabil a processzor ugyanazon frekvencián. Ha a fentebb írtakat figyelmesen elolvassa valaki akkor ennek oka, és megoldása egyértelműen kiderül. Az elsődleges kérdés nem is az, hogy használjuk-e?,hanem az, hogy feltétlen vegyük figyelembe MÁS FESZÜLTSÉGET TEKINTHETÜNK BIZTONSÁGOSNAK a használat mellett vagy nélküle. A Vdroop mértékére a PWM szabályzókban létezik egy áramköri megoldás ami szabályozza annak mértékét és (elvileg) a gyártó optimális szintre állítja be. Arról is említést kell tenni, hogy a terhelésváltozásnál bekövetkező feszültségugrás jelentősen teljesítményfüggő. Azaz nagyobb áramfelvételű processzoroknál sokkal NAGYOBB. Ezért az optimális szintet ”belőni” nagyon nehéz. Ezekkel a problémákkal kerülünk szembe akkor is ha a neten fellelhető satírozós (grafitos) stb. modokat alkalmazzuk amivel a PWM Vdroop szabályzását változtatjuk meg és így tüntetjük el.

Külön említést kell tenni amikor amikor az un. Kondi modot csináljuk. Amikor a PWM kimenetére utólag az eredetivel párhuzamosan + kondenzátorokat forrasztunk, és örömmel vesszük tudomásul és döngetjük a mellünket, hogy nincs Vdroop-unk.
Na ezzel okozunk igazán( meggondolatlanul anélkül, hogy tudnánk mit is csinálunk) VESZÉLYES helyzetet magunknak és processzorunknak. SEMMIKÉPPEN NE CSINÁLJUK!!!
Mivel a megnövelt kapacitás által jelentősen megnövekszik a kondenzátorokban tárolt energia mennyisége és ezzel szintén megnő a terhelésváltozáskor fellépő feszültségcsúcs nagysága és ideje is mivel a nagyobb kapacitás lényegesen lassabban veszít energiájából feszültségéből. Ha valaki megcsinálta a fentebb említett dolgokat és hosszú idő óta stabil a processzora magas órajelen az örüljön a szerencséjének de semmi esetre se buzdítson másokat nem biztos, hogy mindenki olyan szerencsés lesz!!! Nem egyformák a processzorok és tűrőképességük sem!

A már sokszor említett feszültségimpulzusokat sem, multiméterrel sem szoftveres méréssel mérni nem lehet, mivel rövid de esetleg sűrűn is előforduló impulzusokról van szó. Kizárólag oszcilloszkóppal lehetséges megjeleníteni !!! Az említett jelenség nem csak teljes terhelés nullára csökkenésekor jelentkezik, hanem minden terhelésváltozásnál természetesen annak mértékétől függően kisebb nagysággal.

Még egyet szeretnék határozottan leszögezni ez a jelenség nem processzorfüggő és nem most jelent meg. Egyértelműen a PWM szabályzás működésének egyik hiányossága, mint ahogyan az a fentebb leírt működésből egyértelműen kiderül. Azonban ez az áramkör még így is a jelenleg legstabilabb leghatékonyabb megoldás. Ez a jelenség régebben is jelen volt, csak most a magok szaporodásával nő a teljesítményigény>nől az impulzus nagysága. Ezzel párhuzamosan csökken a processzorok csíkszélessége 65nm>45nm vékonyabbá és sebezhetőbbé válik a processzorban lévő tranzisztorok zárórétege>kicsit óvatosabbnak kell lennünk. Egyébként intel a következő architektúránál készül alkalmazni egy újabb típusú ellenállóbb záróréteget, ami valószínűleg csökkenti ezeket a veszélyeket.

Természetesen a gyártók is léptek ezen jelenségek kiküszöbölésére. Egyik és legjobb eredményekkel kecsegtető megoldás a minél többfázisú PWM áramkörök alkalmazása.
Ezek az áramkörök amellett, hogy nagyobb terhelést képesek elviselni jelentősen csökkentik a kiugró feszültséghullámzásokat. De sajnos csak csökkenteni lehet teljes mértékben kiküszöbölni nem.

A fenti ábrán egy 7 bites VID-es vezérlésű 3 fázisú működésre alkalmas azonban jelen esetben csak kétfázisú módban használt PWM áramkör kapcsolási rajza látható. Mivel ez a kapcsolás az Nvidia 9600GT tipusú videokártyáján található.

Itt látható a fenti rajzon szereplő ic a VID lábakkal ahova a 7 bit-ből álló bináris számkód kerül melynek alapján beállítja a processzor feszültségét

Itt pedig az említett számkód ami az adott áramkörhöz tartozik. Jól látható, hogy egy 7 bites kóddal igen pontos 0,0025 V-os lépcsőkben állíthatjuk a feszültséget. Ezeket csak érdekességként, és némi tájékoztatásként raktam ide. Azért nem még többfázisút, mert bonyolultsága nagysága miatt átláthatatlan lenne. Minden egyes számkódot egy tranzisztor állít elő durván fogalmazva, vezet, nem vezet kód 0 , 1. Ezeket a tranzisztorokat szabályozzuk a biosból így állítjuk a feszültséget.

A modernebb alaplapokon ennél jóval több 6-8 de akár 12 fázisú szabályzókat találhatunk.
Elmondhatjuk, hogy egy áramkör annál jobb minél többfázisú a működése, de ezen kívül még sok egyéb áramköri megoldás is befolyásolja annak stabilitását működését.Röviden erről is írnék, hogy hogyan is müködik.A többfázisú PWM szabályzókba belekerül egy un. gyűrűoszcillátornak nevezett áramkör, ami az általában 200-300MHZ es jelet fáziseltolással szétosztja és azzal vezérlik a különböző fázisokat.Egyszerre csak 1 fázis működik és sorban következnek egymás után.Így kisebb terhelés jut egy fetre ezáltal jobban terhelhető az áramkör, valamint több kisebb részre osztódik egy vezetési impulzus ezáltal gyorsabb lesz a reakcióideje az áramkörnek.Így kisebb szűrőkapacitások lesznek szükségesek, ami által jelentősen csökken az említett kiugró feszültségimpulzus nagysága! A kapcsoláson belül még számtalan áramkör gondoskodik a minél pontosabb kimeneti feszültségről.PL:
A kimenetről visszacsatolt jellel működik egy, un. hibajelerősítő (FB) amely adott beállításon a kimeneti feszültséggel ellentétesen szabályozza azt>kiment növekszik>áramkör csökkenti és ugyanígy fordítva. Így igyekszik nagyon pontos értéken tartani. Van még egy biztonsági túlfeszültségvédő áramkör>OVP amely egy(az adott áramkörben változtatható) beállított biztonsági értéknél(amellyel esetlegesen eltér a kimenő fezsültség a beállítottól) egyszerűen letilt és a kimeneti feszültség 0 lesz. Ez természetesen úgy van beállítva, hogy csak extrém esetekben lépjen működésbe a hardverkárosodás megelőzése érdekében.( nem lenne jó, ha menet közben csak úgy kikapcsolna sz.gépünk minden pici változásra) Van egy hasonló elven működő túláramvédő kapcsolás az OCP amelynek hatása hasonló csak az áramfelvételt figyeli.
Ezen kívül még több apróbb folyamatosan fejlesztett áramköri megoldásokkal igyekeznek minél stabilabbá egyenletesebbé biztonságosabbá tenni ezt a szabályzást.
De mint a fentebb leírtakból látszik számtalan buktató van, amit nem könnyű vagy egyszerűen lehetetlen teljes mértékben kiküszöbölni.
Többek között a számtalan LELEMÉNYES USER :) :) akik, néha nem megfelelő modolásokkal ”tönkreteszik” ezeket a védelmi megoldásokat vagy egyéb káros beavatkozásokat végeznek.

A fentiken kívűl még számos egyéb feszültség, amit az alaplapon (biosban) állíthatunk: FSB, PLL, MCH stb. is jelentősen befolyásolja a tuning sikerességét, amire most nem kívánok részletesen kitérni. A hazai és külföldi topikokban számos információt megtalálhatunk erről. Valamint a netről letölthetjük egy adott processzor datasetjét ami tartalmazza a processzorok javasolt beállításait és határértékeit.Még annyit megemlítenék, hogy a processzorok különböző egyedi alap VID feszültséggel rendelkeznek.Sokan igyekeznek a szerint választani processzort hogy az minél kisebb VID feszültséggel rendelkezzen.Ez tulajdonképpen jogos is, mert a VID ilyen esetben azt jelenti,hogy a processzornak (elvileg) azt az alapfeszültséget
állítja be az alaplap és azon teljesíteni tudja a specifikációban lévő értékeket.Tehát valószínűleg kisebb feszültségen fog nagyobb frekvencián működni tuningnál.Itt felvetődik egy feltételezés (ami nem 100%) csak valószínűsithető, hogy esetleg kisebb lesz ezen processzorok max. feszültségtűrése is.De ez sem fog gondot okozni mert kisebb feszültségen is tudni fogja teljesíteni az elvárásokat.

Egy rövid ”zárszó”: Mint látszik legtöbbször nem is a processzorokkal van a baj, hanem, hogy megfelelő tájékozottság nélkül és elégséges információ hiányában fogunk ( főleg újabb rövid ideje forgalomban lévő) processzorok tuningolásához. És rögtön rekord eredményekre törekszünk. Valamint olyan dolgokat csinálunk aminek nem tudjuk a hatásait következményeit. Mondhatnám, hogy ilyenekre is szükség van így derülnek ki olyan dolgok információk, amiből a többiek tanulnak.
Amit tanácsolhatok, hogy aki mindennapos hétköznapi használatra, lehetőleg hosszú távon biztonsággal akarja használni számítógépét. Az lehetőleg tartsa be a határértékeket. Az esetek többségében igen szép tuning eredményeket és teljesítményt lehet úgy is elérni.
És mielőtt egyesek MEGKÖVEZNÉNEK . Akik rekorderedmények bench-ek érdekében extrém tuningot csinálnak (néha én is, lásd Galaxy 8600GE tuning) azok is vegyék figyelembe a fentebb leírt információkat és ( nagyrészük ennek tudatában van) számolni kell azzal, hogy ilyen esetben a hardver könnyen károsodhat, ami miatt csakis kizárólag magunkat hibáztathatjuk.(nem a gyártót és másokat, x y azt mondta...) Valamint az ilyen kísérletekhez EXTRÉM hűtésre van szükség.
Amit még megtehetünk a fenti problémák elkerülésére. Ha ezután kívánjuk összeállítani gépünket lehtőleg minél többfázisú szabályzással rendelkező alaplapot válasszunk (mindenre ez sem garancia) és figyeljük a hazai és külföldi fórumokat mely típusoknál fordulnak elő sűrűbben ezek a problémák és eszerint válasszunk.

Egy kis segítség a kevésbé hozzáértőknek.Ez egy 3 fázisú lap.A pirossal bekeretezett tekercseket kell számolni.

Ez pedig egy 6 fázisú.

Nem kell sem mosolyogni sem... A fórumokban nagyon sokszor felteszik a kérdést, hogy honnan tudom hány fázisú egy alaplap.Senki sem processzorral a kezében születtett,és a köldöküknél sem sata kábel lógott. Az egész cikket igyekeztem úgy írni, hogy kevésbé hozzáértők is megértsék, de a nagyobb tudásúak részére is tartalmazzon új és figyelemfekeltő hasznos adatokat.

Cikkemben egy két ábrát és alapgondolatot innen vettem, melyet a saját tapasztalom és elméleti tudásom alapján kiegészítettem. Azok kialakulásának okát és, hogy melyik alkatrész és miért okozza, igyekeztem megfejteni és érthetően elmagyarázni.Egy pár egyéb témával kibővíteni. .

Remélem többeknek sikerült hasznos és érdekes információval szolgálnom, ami hasznukra válik. És szeretném, ha egy rövid beszélgetés is kialakulna a hozzászólók között, ahol a kérdéseket, tapasztalatokat egymással megosztanánk, közösen megbeszélnénk, hogy ezzel még tovább segítsük egymást.
(Még csendben annyi kérésem lenne, hogy a minden tudást nélkülöző beszólásokat egymás sértegetését ha lehet mellőzzük)

Tisztelettel: SZ. ZS. Azaz kroky3.