Припой процессора || Припой процессора

⇡#Описание тестовых систем и методики тестирования производительности

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.

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.

В этот раз мы решили сравнить производительность разогнанного и модифицированного Core i5-4670K с быстродействием процессора более высокого класса, Core i7-4770K, поэтому список задействованных в тестировании аппаратных компонентов выглядит следующим образом:

• Процессоры:
  • Intel Core i7-4770K (Haswell, 4 ядра HT, 3,5-3,9 ГГц, 4×256 Кбайт L2, 8 Мбайт L3);
  • Intel Core i5-4670K (Haswell, 4 ядра, 3,4-3,8 ГГц, 4×256 Кбайт L2, 6 Мбайт L3).
• Процессорный кулер: Noctua NH-U14S.
• Материнская плата: Gigabyte Z87X-UD3H (LGA 1150, Intel Z87 Express).
• Память: 2 x 8 Гбайт DDR3-2133 SDRAM, 9-11-11-31 (G.Skill [TridentX] F3-2133C9D-16GTX).
• Видеокарта: NVIDIA GeForce GTX 780 (3 Гбайт/384-бит GDDR5, 863-902/6008 МГц).
• Дисковая подсистема: Crucial m4 256 Гбайт (CT256M4SSD2).
• Блок питания: Corsair AX760i (80 Plus Platinum, 760 Вт).

Тестирование выполнялось в операционной системе Microsoft Windows 8 Enterprise x64 с использованием следующего комплекта драйверов:

• Intel Chipset Driver 9.4.0.1017;
• Intel Graphics Media Accelerator Driver 15.31.3.64.3071;
• Intel Management Engine Driver 9.5.0.1345;
• Intel Rapid Storage Technology 12.5.0.1066;
• NVIDIA GeForce 320.49 Driver.

Описание использовавшихся для измерения инструментов:

• Бенчмарки:
  • Futuremark PCMark 8 Professional Edition 1.0.0 — тестирование в сценариях Home (обычное домашнее использование PC), Creative (использование PC для развлечений и для работы с мультимедийным контентом) и Work (использование PC для типичной офисной работы).
  • Futuremark 3DMark Professional Edition 1.1 — тестирование в сценах Cloud Gate и Fire Strike.
• Приложения:
  • Adobe After Effects CS6 — тестирование скорости рендеринга. Измеряется время, затрачиваемое системой на обсчёт в разрешении 1920×1080@30fps заранее подготовленного видеоролика.
  • Adobe Photoshop CS6 — тестирование производительности при обработке графических изображений. Измеряется среднее время одной операции в тестовом скрипте Futuremark, моделирующем набор типовых действий над изображением высокого разрешения.
  • Autodesk 3ds max 2014 — тестирование скорости финального рендеринга. Измеряется время, затрачиваемое на рендеринг в разрешении 1920×1080 с применением рендерера mental ray одного кадра стандартной сцены Space_Flyby из тестового пакета SPEC.
  • TrueCrypt 7.1a — тестирование криптографической производительности. Прогоняется встроенный в программу бенчмарк, использующий тройное шифрование AES-Twofish-Serpent.
  • WinRAR 5.0 — тестирование скорости архивации. Измеряется время, затрачиваемое архиватором на сжатие директории с различными файлами общим объёмом 1,7 Гбайт. Используется максимальная степень компрессии.
  • x264 r2345 — тестирование скорости транскодирования видео в формат H.264/AVC. Для оценки производительности используется исходный 1080p-видеофайл из теста x246 FHD Benchmark 1.0.1.
• Игры:
  • Company of Heroes 2. Настройки для разрешения 1280х800: Maximum Image Quality, Anti-Aliasing = Off, Higher Texture Detail, High Snow Detail, Physics = Off. Настройки для разрешения 1920×1080: Maximum Image Quality, High Anti-Aliasing, Higher Texture Detail, High Snow Detail, Physics = High.
  • Hitman: Absolution. Настройки для разрешения 1280х800: Ultra Quality, MSAA = Off, High Texture Quality, 16x Texture Aniso, Ultra Shadows, High SSAO, Global Illumination = On, High Reflections, FXAA = On, Ultra Level of Detail, High Depth of Field, Tesselation = On, Normal Bloom. Настройки для разрешения 1920×1080: Ultra Quality, 4x MSAA, High Texture Quality, 16x Texture Aniso, Ultra Shadows, High SSAO, Global Illumination = On, High Reflections, FXAA = On, Ultra Level of Detail, High Depth of Field, Tesselation = On, Normal Bloom.
  • Metro: Last Light. Настройки для разрешения 1280х800: DirectX 11, High Quality, Texture Filtering = AF 16X, Motion Blur = Normal, SSAA = Off, Tesselation = Off, Advanced PhysX = Off. Настройки для разрешения 1920×1080: DirectX 11, High Quality, Texture Filtering = AF 16X, Motion Blur = Normal, SSAA = On, Tesselation = On, Advanced PhysX = On. При тестировании используется сцена D6.

⇡#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.

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.

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.

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.

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

⇡#Помогло?

Итак, термоинтерфейс под процессорной крышкой заменён на Coollaboratory Liquid Pro, а сам Core i5-4670K собран в исходное состояние. Давайте посмотрим, что же получилось.

Практический эффект проведённой процедуры хорошо заметен даже в номинальном режиме. Разброс между минимальной и максимальной температурой процессора заметно сократился. И даже в LinX 0.6.4 предельная температура снизилась до 58 градусов.

Напомним, изначально процессор в аналогичных условиях нагревался на 9 градусов сильнее — до 68 градусов.

Куда более впечатляющую иллюстрацию того, что замена термоинтерфейса под процессорной крышкой чрезвычайно полезна, можно увидеть при разгоне. Со штатной термопастой при максимальном разгоне до 4,4 ГГц процессор прогревался до 90 градусов, что ставило крест на попытках дальнейшего повышения частоты. После замены её на жидкий металл максимальная температура при таких же настройках упала на 20 градусов и не превышает 70-градусной величины.

Значит, вся эпопея со снятием крышки была затеяна не напрасно: эффективность теплоотвода существенно выросла, и перед дальнейшим разгоном уже нет никаких препятствий.

Однако необходимо понимать, что смена термоинтерфейса сама по себе частотный потенциал не увеличивает. Она лишь облегчает теплоотвод, что даёт возможность выставлять на процессоре более высокие напряжения и не сталкиваться при этом с перегревом. То есть на результаты разгона, проводимого без увеличения напряжения на процессорных ядрах, смена термоинтерфейса влияет в минимальной степени, а для извлечения практической пользы из присутствия под процессорной крышкой жидкого металла требуется серьёзное поднятие питающего напряжения.

В нашем случае модернизированный Core i5-4670K легко разогнался до 4,6 ГГц, но напряжение при этом пришлось повысить до 1,4 В.

Рабочие температуры ядер при тестировании на стабильность в LinX-AVX не выходили за 81 градус, что выглядит как весьма комфортный температурный режим. Однако, к сожалению, к покорению более высоких частот наш экземпляр процессора оказался неспособен. Выбор частоты 4,7 ГГц приводил к нестабильности, которая не лечилась и увеличением напряжения вплоть до 1,5 В. Дальше же повышать напряжение питания процессора мы не стали, так как для 22-нм CPU это уже слишком.

Улучшение температурного режима, обеспечиваемое заменой термоинтерфейса, можно проиллюстрировать и графиками зависимости температуры от напряжения и частоты в видеокодере x264 версии 2345 и в алгебраическом бенчмарке Linpack 11.0.5.

Любопытно, что при кодировании видео максимальные температуры, достигаемые «улучшенным» нами процессором, работающим на частоте 4,6 ГГц и при напряжении 1,45 В, всё равно оказываются ниже, чем у того же процессора в исходном состоянии, когда он работал на частоте 4,4 ГГц и при напряжении 1,3 В. В целом же разница температур, обусловленная сменой термопасты, при прочих равных достигает 15-16 градусов.

Зато беспощадная грелка Linpack 11.0.5 демонстрирует плюсы термоинтерфейса из жидкого металла более чем рельефно. В этом бенчмарке, безжалостно разогревающем процессоры Haswell благодаря поддержке новых инструкций AVX2, выигрыш в температуре достигает внушительных 30 градусов. Причём эффект от смены термоинтерфейса виден не только при разгоне, но и в номинальном режиме, где снижение температуры составляет порядка 10 градусов.

Для наглядности приведём пару графиков, демонстрирующих зависимость температуры процессора с различными внутренними термоинтерфейсами от напряжения при фиксированной тактовой частоте 3,6 и 4,2 ГГц.

Известно, что зависимость температуры полупроводникового прибора  от напряжения— квадратичная. Однако замена штатной термопасты на жидкий металл трансформирует характер этой зависимости. Прирост температуры при увеличении напряжения замедляется, то есть внедрение в процессорную сборку эффективного теплового интерфейса из жидкого металла уменьшает температурный градиент.

Любопытно посмотреть и на связь температуры и частоты процессора при фиксированном напряжении 1,25 В.

В данном случае зависимость близка к линейной, об этом говорит и теория. Однако мы вновь наблюдаем, что эффективность внутрипроцессорного термоинтерфейса оказывает непосредственное влияние на скорость роста температуры при увеличении частоты. На основании этого можно сделать вывод и о том, что остановленный Intel рост тактовых частот современных процессоров объясняется в том числе и неудачным выбором внутреннего термоинтерфейсного материала.

Здесь наглядно видно, что замена штатной термопасты на более эффективный жидкий металл почти не отодвигает верхнюю границу разгона при фиксированном уровне напряжения на процессоре. Однако значительный выигрыш в рабочей температуре позволяет сильнее наращивать это напряжение, что, в свою очередь, влечёт за собой рост предельной частоты, при которой процессор не перегревается и сохраняет непоколебимую стабильность.

В заключение исследования давайте обратимся к тестам производительности, на примере которых попытаемся понять, насколько серьёзный практический смысл имеет проведённая хирургическая операция.

⇡#Описание тестовых систем и методики тестирования производительности

Достижимый с заменой внутреннего термоинтерфейса разгон процессора Core i5-4670K до 4,6 ГГц на самом деле даёт не слишком большой эффект, если сравнивать с работой этого же процессора на частоте 4,4 ГГц, которая доступна безо всяких хитроумных модификаций. То, что дополнительные 200 МГц частоты вряд ли могут что-то принципиально изменить, вполне естественно.

⇡#Производительность в приложениях

В ресурсоёмких приложениях эффективность замены внутреннего процессорного термоинтерфейса вновь иллюстрируется лишь небольшим преимуществом разогнанного до 4,6 ГГц Core i5-4670K над самим собой, но с частотой 4,4 ГГц. Однако суммарно оверклокинг со скальпированием процессора выливается примерно в 22-процентный прирост производительности относительно номинального режима, благодаря которому Core i5-4670K часто удаётся обойти по скорости процессор Core i7-4770K с более вместительной кеш-памятью и поддержкой технологии Hyper-Threading.

⇡#Производительность в играх

Тестирование в играх предваряют результаты синтетического бенчмарка 3DMark, который выдаёт некую усреднённую метрику игровой 3D-производительности систем.

Приведём также и диаграммы производительности в нескольких реальных игровых приложениях, которые для лучшей иллюстративности построены как для типичного Full HD-разрешения с включённым полноэкранным сглаживанием, так и для разрешения 1280х800.

Характерно, что в новых играх даже разогнанному до 4,6 ГГц Core i5-4670K далеко не всегда удаётся дотянуться до уровня Core i7-4770K. Современные игры стали качественно оптимизироваться под многопоточность, потому поддержка Hyper-Threading нередко дает заметный эффект. И, очевидно, данная тенденция будет только усугубляться, особенно в свете выбора для перспективного поколения игровых консолей восьмиядерных процессоров с низким удельным быстродействием на ядро.

Впрочем, это не значит, что скорости Core i5-4670K, тем более в разогнанном виде, может в каких-то случаях не хватить. Даже в номинальном режиме этот процессор прекрасно справляется с ролью надёжного фундамента геймерской конфигурации, а производительность в Full HD-разрешениях ограничивается быстродействием графической подсистемы даже несмотря на то, что мы пользуемся флагманским видеоускорителем GeForce GTX 780.

⇡#Выводы

Нет никаких сомнений, что тот термоинтерфейс, который Intel стала размещать под процессорной крышкой при сборке десктопных процессоров поколения Haswell, ужасно плох. Его теплопроводность и другие физические характеристики явно хуже, чем у распространённых качественных термопаст, не говоря уже о более продвинутых вариантах, которые Intel применяла ранее.

Тем самым компания лишила себя возможности наращивания тактовых частот современных процессоров, пусть и ценой некоторого увеличения тепловыделения. И одновременно она воздвигла мощное препятствие на пути многочисленных энтузиастов, желающих эксплуатировать свои системы при повышенных напряжениях и частотах.

Поэтому замена штатной термопасты  под процессорной крышкойна другой термоинтерфейс с более высокой теплопроводностью способна снизить температуры процессорных ядер под нагрузкой на десятки градусов. А какой мощный охлаждающий эффект могла бы дать спайка кристалла с процессорной крышкой, применявшаяся в Sandy Bridge, вообще невозможно себе представить.

К счастью, как показал наш практический опыт, исправить (намеренную?) ошибку интеловских инженеров вполне возможно, было бы желание. Крышка процессоров семейства Haswell достаточно просто демонтируется с помощью тисков, а замена стандартного термоинтерфейса на общедоступный и принципиально более эффективный жидкий металл — дело пары часов.

Конечно, при этом придётся рискнуть здоровьем процессора и распрощаться с гарантией, но результат может окупить все переживания. Ликвидация главного препятствия на пути теплового потока от процессорного кристалла неминуемо повлечёт за собой серьезное падение рабочих температур процессора. А это, в свою очередь, откроет прямой путь к дополнительному увеличению напряжения и более полному раскрытию частотного потенциала.

Конечно, не стоит ожидать от скальпирования и замены внутреннего процессорного термоинтерфейса особых чудес. При использовании воздушных кулеров максимальная частота разгона вырастет всего лишь на 5-10 процентов, но даже этого вполне достаточно для того, чтобы перечеркнуть все сомнения и сделать процессоры Haswell действительно привлекательным вариантом для использования в основе оверклокерских систем.

Кроме того, исправление проблемы с передачей тепла от полупроводникового кристалла к процессорной крышке убирает в Haswell самое узкое место на пути теплового потока. А это значит, что модернизированный процессор станет восприимчив к улучшению эффективности системы охлаждения, и применение мощных воздушных кулеров или СВО сможет обрести реальный смысл и открыть дополнительное пространство для роста частотного потенциала.