Разгон Haswell по-взрослому: снятие крышки и замена термоинтерфейса


Напоминаем, что попытки повторить действия автора могут привести к потере гарантии на оборудование и даже к выходу его из строя. Материал приведен исключительно в ознакомительных целях. Если же вы собираетесь воспроизводить действия, описанные ниже, настоятельно советуем внимательно прочитать статью до конца хотя бы один раз. Редакция 3DNews не несет никакой ответственности за любые возможные последствия.

Выход процессоров нового поколения Haswell — одно из самых ярких событий этого лета. Однако стали они притчей во языцех совсем не из-за микроархитектурных улучшений и роста производительности, а из-за проблем с разгоном. Описанию случившегося казуса мы уже посвятили отдельную статью, суть которой сводится к тому, что разгонный потенциал Haswell оказался хуже, чем у Ivy Bridge, и существенно хуже, чем у Sandy Bridge. В результате многие энтузиасты приняли решение пока не переходить на новую платформу LGA1150 и повременить с приобретением процессоров Core четвёртого поколения, так как почти не уступающую Haswell производительность вполне можно получить и в системах со старыми процессорами, использующими предыдущие версии дизайна Core.

Проблемы с низким частотным потенциалом Haswell при разгоне возникли не на пустом месте, они унаследованы от процессоров Ivy Bridge, но теперь им удалось отравить жизнь оверклокерам гораздо серьёзнее, чем раньше. Внедрение технологического процесса, использующего трёхмерные транзисторы и 22-нм нормы, привело к существенному уменьшению геометрических размеров полупроводниковых кристаллов. Например, при переходе от Sandy Bridge к Ivy Bridge кристалл процессора уменьшился по площади на четверть, и это неминуемо вылилось в увеличение плотности выделяемого новыми процессорами при своей работе теплового потока. Однако вместо того, чтобы позаботиться об эффективном теплоотводе, Intel сделала шаг в обратную сторону и в Ivy Bridge изменила используемый при сборке процессоров внутренний термоинтерфейс. Если в Sandy Bridge процессорная крышка припаивалась к полупроводниковому кристаллу с применением специального припоя с высокой теплопроводностью на основе индия, то в 22-нм процессорах Ivy Bridge и Haswell между кристаллом и крышкой проложена термопаста, причём с достаточно посредственными характеристиками. Поэтому при разгоне, сопряжённом с увеличением напряжений на процессорных ядрах, рабочие температуры современных процессоров Intel зашкаливают.

TIM (Thermal Interface Material) — камень преткновения в отводе тепла от кристалла Haswell

Причём бороться с этим явлением очень сложно, так как «бутылочное горлышко» в цепочке передачи тепла от кристалла CPU к кулеру оказалось в недоступном для пользователя месте — внутри процессорной сборки. И если с Ivy Bridge негативный эффект плохого внутреннего термоинтерфейса проявлялся ещё не слишком сильно, то теперь, с выходом очередного поколения процессоров, он стал настоящей проблемой. Носители дизайна Haswell выделяют больше тепла, нежели их предшественники, из-за перемещения внутрь процессорного кристалла преобразователя напряжения, и в результате без применения специальных методов охлаждения разогнать их удаётся лишь до скромных 4,2–4,4 ГГц, а дальше приходится сталкиваться с перегревом и троттлингом.

Однако сколько не говори «халва», во рту слаще не станет. Очевидно, что от сетований на изменения в технологии сборки процессоров Intel надо переходить к делу и как-то решать возникшую проблему. Один из путей преодоления искусственно созданных трудностей с разгоном кроется в увеличении эффективности охлаждения: замене традиционных воздушных кулеров на производительные системы жидкостного охлаждения или даже на системы фазового перехода. Но это сложно, дорого и вообще не всегда применимо по целому ряду причин. Поэтому в центре нашего внимания оказался второй путь — замена термоинтерфейса внутри процессорной сборки. Тем более что демонтаж крышки процессора стал в определённых кругах весьма популярным средством улучшения разгонного потенциала Haswell, и наши читатели просили обратиться к этой теме.

⇡#Готовимся к операции: суть метода

Совершенно очевидно, что для улучшения теплоотвода от полупроводникового кристалла в процессоре, у которого под крышкой проложен низкоэффективный тепловой интерфейс, крышку придётся снять. Однако что делать после удаления старой, находящейся под крышкой термопасты, — вопрос уже не столь очевидный. Стоит ли проложить новый интерфейс и собрать процессор в исходном виде, или же лучше просто установить кулер на полупроводниковый кристалл?

Наша рекомендация заключается именно в замене термоинтерфейса и обратной сборке процессора. Эксплуатация процессора без крышки имеет право на жизнь — например именно в таком виде процессоры вполне нормально работают внутри ноутбуков. Но в высокопроизводительных десктопах идея использования процессора без крышки наткнётся на несколько серьёзных препятствий. Во-первых, сразу же придётся демонтировать стандартное крепление процессора в гнезде, так как его рамка окажется выше поверхности кристалла. Во-вторых, для кулера потребуется новое специальное крепление, так как крышка имеет достаточно большую толщину и добавляет к высоте процессора как минимум пару миллиметров. В-третьих, открытый кремниевый кристалл хрупок, поэтому за прижимом подошвы кулера и отсутствием её перекосов придётся тщательно следить, причём без права на ошибку. И, в-четвёртых, при правильном подходе процессорная крышка для охлаждения не вредна. Напротив, она играет роль теплорассеивателя, равномерно распределяя тепло по поверхности полупроводникового кристалла и не допуская его точечного перегрева.

Поэтому гораздо проще обойти все перечисленные трудности стороной и вернуть после смены термоинтерфейса процессорную крышку на законное место. Так что главный вопрос заключается не в том, что делать со снятой крышкой, а в том, чем заменить штатную термопасту, чтобы добиться лучшей эффективности охлаждения.

Конечно, идеальным решением было бы соединение теплорассеивателя с процессорным кристаллом подобно тому, как это сделано в отлично разгоняющихся Sandy Bridge. Там крышка припаяна к кристаллу специальной безфлюсовой пайкой, а в качестве припоя используется легкоплавкий сплав индия с оловом. Такой сплав имеет очень высокую теплопроводность, порядка 80 Вт/(м·К), которая существующим термопастам даже и не снилась. Проблема лишь в том, что припаять крышку к кристаллу без специального оборудования вряд ли получится. Неужели придётся ограничиться сменой одной термопасты на другую, просто более эффективную?

Не совсем, ведь в арсенале у оверклокеров есть альтернативное решение — жидкий металл. Сразу несколько производителей термоинтерфейсов могут предложить субстанции, представляющие собой металлические сплавы с высокой теплопроводностью и низкой (ниже комнатной температуры) температурой плавления. Все подобные вещества в своей основе содержат галлий, который отлично подходит для замены термопасты благодаря своим физическим свойствам и, главным образом, пластичности. Самым известным поставщиком галлиевых сплавов для компьютерщиков-энтузиастов выступает компания Coollaboratory, имеющая в своём арсенале два привлекательных предложения: Liquid Pro и Liquid Ultra. Для наших целей из этой пары лучше подойдёт Coollaboratory Liquid Pro — жидкий металл с наиболее высокой теплопроводностью.

Coollaboratory не особо распространяется о составе и характеристиках своего сплава, но известно, что в Liquid Pro помимо базового компонента — галлия — входят индий, родий, серебро, цинк и олово. Теплопроводность такого сплава примерно вдвое ниже, чем у припоя на основе индия, но всё равно на порядок лучше, чем у любой термопасты. (Заметим, в Интернете можно встретить утверждения о том, что теплопроводность Coollaboratory Liquid Pro недалека от 80 Вт/(м·К), но это действительности не соответствует). Таким образом, заменив в Haswell штатную термопасту на Coollaboratory Liquid Pro, по эффективности снятия тепла с процессорного кристалла можно попытаться приблизится к Sandy Bridge. И получить в итоге процессор с более высоким разгонным потенциалом за счёт снижения типичных рабочих температур вычислительных ядер.

⇡#Пациент: бедолага Core i5-4670K

Пора переходить к практике. В качестве объекта для тестирования был взят самый обычный серийный экземпляр Core i5-4670K c номинальным напряжением под нагрузкой около 1,15 В.

В штатном состоянии в системе с односекционным воздушным кулером башенного типа Noctua NH-U14S нагрев этого процессора при тестировании в LinX-AVX 0.6.4 достигал 67 градусов.

Более слабая нагрузка реальными многопоточными приложениями, например для перекодирования видео, прогревала этот процессор до температур порядка 55 градусов.

Разгонный потенциал нашего экземпляра оказался достаточно типичным. Максимальная частота, при которой процессор сохранял полную стабильность при прохождении LinX-AVX 0.6.4, составила 4,4 ГГц.

Для обеспечения надёжного функционирования без зависаний и вылетов напряжение питания процессора пришлось поднять до 1,275 В, и в результате температуры во время тестов стабильности достигали 90 градусов, что всего лишь на 10 градусов ниже границы Tj max, при которой срабатывает троттлинг. Иными словами, дальнейший разгон ограничивается неуёмным ростом температуры при повышении частоты и напряжения. Однако, несмотря на значительный нагрев процессора, кулер на нём остаётся холодным. Это можно рассматривать как ещё одно подтверждение «застревания» теплового потока на его пути от полупроводникового кристалла к системе охлаждения.

Для того чтобы получить более обширную экспериментальную базу при оценке эффективности термоинтерфейсов до и после их смены, мы провели дополнительные тесты температурного режима Core i5-4670K в его исходном состоянии при различных уровнях напряжения и рабочей частоты. На графиках ниже приводятся зависимости температуры процессора от напряжения и частоты при перекодировании видео кодером x264 версии 2345 (с поддержкой AVX-инструкций) и при прохождении бенчмарка Linpack 11.0.5.009 (с поддержкой набора команд AVX2).

Linpack 11.0.5 нагружает процессор гораздо сильнее, чем видеокодер, это — лучший на сегодняшний день программный инструмент для прогрева. Данный бенчмарк раскаляет процессор даже на несколько градусов сильнее, чем входящая в LinX-AVX версия Linpack 10.3.10. Если использовать в тестах стабильности этот бескомпромиссный вариант, то наш экземпляр Core i5-4670K неожиданно оказывается неспособен к работе на частоте 4,4 ГГц: увеличение напряжения более чем до 1,2 В с одновременным превышением частоты 4,2 ГГц неминуемо влечёт перегрев.

Если же целью экстремального прогрева процессора не задаваться и довольствоваться стабильностью в общеупотребительных приложениях, то частота 4,4 ГГц оказывается вполне достижима при уровнях напряжения 1,25–1,3 В. Температура в кодере x264 при этом доходит до 70 градусов. Таким образом, то, что разгонный потенциал ограничивается именно проблемами с теплоотводом, очень хорошо заметно. Процессор вроде бы и может стабильно работать при напряжении выше 1,2 В, однако высокая нагрузка в этом случае сразу же приводит к перегреву. А при более низких напряжениях процессор теряет стабильность при высокой частоте.

Со стандартным термоинтерфейсом под крышкой увеличение напряжения на каждые 0,05 В отзывается ростом температуры на 3–5 градусов при перекодировании видео в x264 и на 6–8 градусов — в Linpack 11.0.5. Рост же тактовой частоты на каждые 200 МГц при сохранении постоянного напряжения увеличивает температуру на 1–2 градуса в x264 и на 3–4 градуса — в Linpack. Совершенно неудивительно, что, стартуя с 60–70 градусов в номинальном режиме, температура при разгоне быстро выходит за пределы допустимых значений.

Итак, решено — будем разбирать процессор и менять штатный термоинтерфейс на Coollaboratory Liquid Pro.

⇡#Хирургическое вмешательство

При всей кажущейся сложности и опасности мероприятия по демонтажу процессорной крышки и замене штатного термоинтерфейса, на самом деле ничего из ряда вон выходящего в этой процедуре нет. Да, гарантия на процессор в теории будет нарушена, но если всё делать не спеша и аккуратно, то риск сломать что-либо не слишком велик. Тем более что к настоящему времени энтузиасты опытным путём выявили достаточно простой способ снятия процессорного теплораспределителя, заключающийся в «сдвиге» крышки с процессора в тисках. Этот способ даёт лучшие шансы на успех, нежели срезание крышки лезвием или отбитие её молотком, так что мы пользовались именно им.

Если вкратце, суть методики заключается в приложении к процессорной плате и приклеенной к ней крышке сил, действующих в разных направлениях вдоль плоскости процессора. Практически это реализуется зажатием процессора в тисках таким образом, чтобы одна губка упиралась в торец процессорной платы, а другая — в боковую поверхность процессорной крышки.

При этом необходимо учитывать лишь один нюанс. Под крышкой, помимо собственно процессорного кристалла, находится и ряд навесных элементов, который располагается от него слева. Поэтому усилие тисков надо направлять таким образом, чтобы съехавшая крышка случайно не срезала эти элементы.

Любопытный момент: крышка на процессорах Haswell немного смещена к нижнему краю

Две минуты страха — и готово. Под возрастающим давлением слесарного инструмента крышка неминуемо отделится от процессора.

Как это происходило в динамике в нашем конкретном случае, можно посмотреть на видео: