Skylake-X: Der aktuelle Stand seiner Probleme
Nach der Einführung von Skylake-X und den enttäuschenden Ergebnissen unserer Übertaktungsversuche haben wir uns viele Gedanken über die Leistungs- und Wärmeprobleme gemacht, die Intels High-End-Desktop-CPUs plagen. Diese Hindernisse reduzieren sich auf ein paar hervorstechende Punkte, die wir so ausführlich wie möglich untersuchen möchten:
(1) Skylake-X mit seinen Standardeinstellungen kann im normalen Betrieb kaum gekühlt werden. Dies liegt daran, dass der Stromverbrauch in einigen Situationen extrem hoch ist und die Wärmeleitpaste verhindert, dass die Abwärme effektiv abgeführt wird.(2) Es gibt kaum Platz für Enthusiasten zum Übertakten. Außerdem schränken viele Motherboards Skylake-X-CPUs aufgrund schlechter Designentscheidungen, wie z. B. unzureichender VRM-Kühlung, weiter ein. Diejenigen, die nach hohen Übertaktungen suchen, müssen sich nicht bewerben.
Testausrüstung & Setup
Um beide Punkte herauszufinden, entschieden wir uns, eines der einfacheren LGA 2066-Motherboards zu nehmen, einen Tisch zu bauen, der den vertikalen Betrieb unterstützt, und den Core i9-7900X durch weitere Tests laufen zu lassen.
Unsere Experimente gingen in zwei Richtungen. Zuerst untersuchten wir die Messwerte der Wärmesensoren und wo sie Wärme meldeten. Zweitens haben wir unsere Infrarot-Temperaturmessungen um die LGA-Schnittstelle des Motherboards und die VRMs verglichen, um die Plausibilität der Sensoren zu überprüfen. So konnten wir auch die Aufwärmphase und die Wärmeverteilung per Zeitraffer-Videos dokumentieren.
Schließlich interessiert uns, ob und wie andere Onboard-Komponenten von den prozessorbedingten Hotspots betroffen sind.
Wir verwenden die aktuellste Version des BIOS unseres Motherboards, um zuverlässige Sensormesswerte sowie einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Aus den gleichen Gründen wurde die neue Beta-Version von HWiINFO (v5.53-3190) ausgewählt.
Die CPU-Stromversorgung des Motherboards nutzt insgesamt 5+1 Phasen, realisiert durch einen Dual-Loop-Buck-Controller IR35201 von International Rectifier. Es unterstützt offiziell Intels VR12.5 Rev 1.5 und anscheinend auch VR13. Kudos, wenn Sie mehr Reglerschaltungen gezählt haben; Die Verdopplung von fünf Phasen ermöglicht zwei Stromkreise pro Phase, wodurch die Last jedes VRM reduziert und Hotspots gleichmäßiger verteilt werden.
Jeder Stromkreis hat seine eigene 60A IR3555 PowIRstage. Diese hochintegrierten Chips vereinen die erforderlichen Gate-Treiber, High- und Low-Side-MOSFETs und Schottky-Dioden in einem Gehäuse. Im Gegensatz zu den meisten MOSFETs ist der IR3555 in der Lage, analoge Werte für den eingebauten Temperatursensor auszulesen. Wie ist es also möglich, ohne eine IR-Kamera auch die Temperatur von Hot-Spots auf der Leiterplatte zu bestimmen?
MSI verwendet den Super-I/O-Chip NCT6795D von Nuvoton, der eine Vielzahl von Sensormesswerten erfassen und melden kann. Einer dieser Messwerte stammt von einem Thermistor (siehe Bild unten), der zwischen den PowIRstage-Chips platziert ist. Aus diesem Grund haben wir die Stelle direkt unter diesem Thermistor auf der Rückseite des Motherboards als Ort für unsere videobasierten Messungen ausgewählt.
Darüber hinaus prüfen wir die Temperaturen an den Drosseln und Kondensatoren der Reglerschaltungen sowie die Platinentemperaturen bis hin zur CPU.
Frequenzdrosselung und Notabschaltung
Es ist wichtig zu verstehen, dass Motherboard-Hersteller ihren Designs absichtlich bestimmte Sicherheitsmechanismen hinzufügen. Ein Beispiel unserer Testplattform ist, dass die Taktrate eines Skylake-X-Prozessors auf genau 1,2 GHz drosselt, wenn der Thermistor eine Temperatur von 105 °C oder mehr meldet (siehe die MOS-Linie im Bild unten). Diese Frequenz wird beibehalten, bis die Temperatur unter 90°C fällt. Erst dann stellt er die volle Geschwindigkeit des Prozessors wieder her.
Obwohl der Flammpunkt (FR4) des Plattenmaterials deutlich über 105 °C liegt, liegen die empfohlenen Maximaltemperaturen für den Dauerbetrieb zwischen 95 und 105 °C. Andernfalls kann es zu Austrocknung, Verbiegung oder Haarrissen in den Leiterbahnen der Hauptplatine kommen. Dieses Sicherheitsbewusstsein ist sicherlich ein willkommener Trend.
Enthusiasten, die Intels Extreme Tuning Utility (XTU) verwenden, finden diese Einstellung unter Thermal Throttling: Ja, in Gelb. Aber was ist mit anderen Einstellungen, wie Motherboard VR Throttling?
Zuerst ein bisschen Hintergrund. Ohne die entsprechenden MOSFETs mit Temperatursensorausgang (meistens als Spannung) liefert der Abwärtsregler IR35201 seine eigenen Temperaturmesswerte. Vor langer Zeit war es angeblich möglich, Spannungswandlertemperaturen als VRM1 und VRM2 für Grafikkarten mit bestimmten PWM-Controllern auszulesen. Allerdings wurden die Temperaturwerte nicht durch Temperatursensoren ermittelt, sondern durch den Chip selbst gemessen, da die verwendeten MOSFETs keine Sensoren im Inneren hatten.
In unserem Fall erhalten wir die gemeldeten Werte aus der PowIRstage. Immerhin sind die Werte unter VR T1 und VR T2 deutlich höher als wir erwarten würden.
Der PWM-Controller kann nur dann eine stabile und sichere Stromversorgung gewährleisten, wenn alle Komponenten innerhalb seiner technischen Spezifikationen bleiben. Dies bedeutet, dass eine maximale Temperatureinstellung erforderlich ist. Hier sind das 125°C. Bei und über 125 °C wird die Einstellung „XTU Motherboard VR Throttling: Yes“ gelb und die CPU-Frequenz wird auf 1,2 GHz gedrosselt. Bei 135 °C schaltet sich das Motherboard einfach ab, um Hardwareschäden zu vermeiden.
Die CPU schützt sich auch. Es schätzt die Temperaturen für seine Kerne und Gehäuse basierend auf Messwerten von verschiedenen integrierten digitalen Temperatursensoren (DTS). Die Genauigkeit dieser Schätzungen nimmt zu, wenn die Sensoren heißer werden. Unter 40°C sind ihre Messungen bedeutungslos. Sie sind jedoch über 80 °C sehr genau, worauf es ankommt. Wenn die Kern- oder Gehäusetemperatur zu hoch wird, kommt es zum Throttling.
Die Gehäusetemperatur beinhaltet die Leckströme des integrierten Spannungsreglers. Das IVR ist dafür verantwortlich, Subsystemen innerhalb der CPU unterschiedliche Spannungen bereitzustellen. Hohe Übertaktungen und manuelle Spannungserhöhungen können dazu führen, dass die Temperaturgrenze unerwartet überschritten wird. Tools können diesen Effekt möglicherweise nicht zuverlässig erfassen, was bedeutet, dass die CPU möglicherweise ohne für den Benutzer sichtbaren Grund gedrosselt wird.
Beobachtung Nr. 1: Es ist bekannt, dass die CPU ihre Taktrate aufgrund zu hoher Kern- oder Gehäusetemperaturen drosseln kann. Der Super-I/O-Chip kann es jedoch auch aufgrund zu hoher VRM-Temperaturen drosseln. Schließlich kann auch der PWM-Controller bei zu hoher Erwärmung für Throttling sorgen, da dies zu einer gefährlich instabilen Stromversorgung führen könnte. Darüber hinaus ist es eine urbane Legende, dass der PWM-Controller VRM-Temperaturen melden kann.
Das Testsystem
Prüfgeräte und Umgebung
System
Intel Core i9-7900XMSI X299 Gaming Pro Carbon AC4x 4GB G.Skill Ripjaws IV DDR4-2600Nvidia Quadro P6000 (Workstation)1x 1TB Toshiba OCZ RD400 (M.2, System)2x 960GB Toshiba OCZ TR150 (Speicher, Bilder)Be Quiet Dark Power Pro 11, 850-W-Netzteil (PSU)Windows 10 Pro (Creators Update)
Kühlung
Alphacool Eiszeit 2000 Chiller + Alphacool Eisblock XPXAlphacool Eisbär 240 (All-in-One Wasserkühler)Noctua NH-D15 (Luftkühler)Thermal Grizzly Kryonaut (Verwendung beim Kühlerwechsel)
Monitor
Eizo EV3237-BK
Stromverbrauchsmessung
Direkte Strommessung an Shunts (Spannungsabfall)Direkte Strommessung an MesspunktenBerührungslose DC-Messung an externem Hilfsstromversorgungskabel2x Rohde & Schwarz HMO 3054, 500MHz Digitales Mehrkanal-Oszilloskop mit Speicherfunktion 4x Rohde & Schwarz HZO50 Stromzange (1mA – 30A, 100kHz, DC) 4x Rohde & Schwarz HZ355 (10:1 Tastköpfe, 500MHz) 1x Rohde & Schwarz HMC 8012 Digitalmultimeter mit Speicherfunktion
Thermische Messung
1x Optris PI640 80Hz Infrarotkamera + PI Connect Echtzeit-Infrarotüberwachung und Aufzeichnung von Bildern und Emissionsvideos
