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说出不要吓到你!详解超频的五大害处 | |||
2005-12-30 20:53:56 文/45IT收集 出处:电脑软硬件应用网 | |||
第1页:免费的升级 何乐不为? 中央处理器(CPU)从本质上说是信号处理器,将来自键盘、硬盘或者其它设备的信号由输入针脚送至CPU核心,经过指定变换处理,转换成所需信号,再由输出针脚送至内存,显卡或其它设备。
CPU处理信号的快慢,即CPU性能的高低一直以来是人们关注的焦点,可以说CPU的发展史实际上也是一部CPU的性能增长史。根据CPU性能=IPC(每时钟周期执行的指令数)×频率(MHz)的公式,单独提升IPC、主频,或同时提升两者都可使处理器的性能得以提升。因此CPU的内部架构和运行频率一直都是中央处理器的重要特征。对于消费者来说,无法改变CPU的内部结构设计以提升IPC,因此提高CPU的运行频率就成了人们获得额外性能的唯一方法。这也就是超频行为的由来和出现的必然性原因。
最早的超频记录为Amiga 500的Motorola芯片从9MHz超到12MHz,英特尔80286从8MHz超到12MHz。但那时的超频行为是个别技术高手才能做的事情,需要用烙铁更换主板上的晶振来改变频率。真正超频作为一种大众行为开始普及——几乎人人可做,Intel公司于1998年推出的赛扬300A处理器功不可没。这款可以轻松将主频和性能提升50%的处理器成为超频史上经典中的经典,也将超频和CPU紧紧联系再一起。 第2页:超频 并非仅仅为了性能 此后,超频不仅仅成为一种获得提升性能的有效方法,也成为大众玩家竞相为之的时尚行动。何种产品好超,可以超到多少等等问题开始各大论坛上的热门话题,甚至于为什么无法超频的问题成为电脑医院的长期客户。相互攀比的结果进一步刺激了超频行为,进而开始产生各类成绩的排行榜,比如CPU超频幅度排行、SuperPI 百万位成绩排行 和3DMark成绩排行榜等等。还出现了一些以超频为宗旨,企图或者已经混迹于各类排行榜的电脑玩家。超频行为也成为一部分人满足心理需求的重要手段。
说了这么多超频的好处,反而让人搞不清楚了什么是超频。简单的说,超频是一种行为,人为的使集成电路以超过额定工作范围的频率运行。除了CPU以外、内存芯片、显卡芯片、硬盘芯片、主板芯片等等都可以超频使用。为了方便说明,本文仅以CPU为例详细介绍有关超频的一些问题。 但是对于大多数人来说,没人愿意在玩游戏正投入的时候因为死机而中途退出;也没人愿意在图形渲染到一大半的时候因为运算出错而不得不重新开始;更没人愿意正要对网恋的MM倾诉表白的时候因为硬件烧毁而错失机会。因此,能让处理器长期稳定运行而不影响到工作的正常完成是超频成功的先决条件,即人们常说的”稳定压倒一切”。对于以应用为主要目的的人来说,超频不是一种必须行为,一切影响到实际使用的超频行为也都是不成功的。 超频失败通常表现为以下几种现象:蓝屏,非法操作,运算出错,窗口无端关闭,CPU占用率过高,程序无响应,画面定格,黑屏,自动重启,无法开机等等。 有的人会问:我超频以后运行了SuperPI和3Dmark等测试软件没有任何问题,但是玩游戏久了会死机,这算是超频成功吗?其实这是典型的一种不成功的表现,因为它没有满足长期稳定这个条件,并且影响到正常使用。测试软件一般运行的时间比较短,大多在10分钟之内,通过测试只代表能在短时间内稳定工作,并不意味着超频成功。而这种失败大多是因为散热不好热量逐渐积累而最终温度过高。 相反,有人会问:我超频以后无法通过各种测试,但是我平常只用来打字听音乐,并且没有出现任何问题。这样算是超频成功吗?尽管打字听音乐可能并不需要去超频就能很好的完成,但是我不能不说,恭喜你超频成功。 也就是说,超频是否成功,并不是以通过测试程序为标准,而是以自己的正常使用为标准。超频的目的是为应用服务,而不是为测试服务。很多人对这种说法并不赞同,他们在追求的是一种绝对稳定。对于没有通过他们认为的严格测试的超频行为十分不齿。在这里我想说的是,在Tom’shardwear里进行的连续数天超长超负荷稳定测试的存在,也许会让更多的人对你所谓的“稳定”超频而不齿。稳定没有绝对,只有相对。甚至于说,超频是一种唯心的行为,你真的认为成功了,它就成功了。 因为超频带来的CPU频率的增加,会造成动态功耗随频率成正比增长。而在超频的过程中,为了让CPU能够工作在更高频率上,常见的手段之一就是加电压。而这更加快了功耗增长的速度。 假设一块额定频率为1GHz、额定电压为1.5V的CPU其动态功耗为P0 。经过超频以后,工作电压加压到1.65V,稳定运行在 1.3GHz ,此时其动态功耗为P1。因为CPU制成以后,其电容值C也就基本固定,可以看作常量,也就是说超频前后的电容值C相等。 可以得到: P0 = 1.5 ×1.5×1 ×C = 2.25C (W) 此式的意义是,这款超频后的CPU较未超频时,其动态功耗增加了57.3% ,因为对CMOS电路来说,静态功耗相对于动态功耗较小。因此其动态功耗的增长率近似为CPU总功耗的增长率。也就是说假设原来的CPU额定功率仅为60W,经加压超频后此时也将达到近95W ! 如果不更换更好的散热设备,将不可避免的引起CPU工作温度的上升。当处理器温度超过最大允许值,轻则无法正常工作,严重则导致CPU烧毁。 第5页:超频后果二:电迁徙 在前些年在提及超频后果的时候,经常会提起电迁徙(有人称为电子迁移)造成的危害。在半导体制造业中,最早的互连金属是铝,而且现在它也是硅片制造业中最普通的互连金属。然而铝有着众所周知的由电迁徙引起的可靠性问题。 超频的结果会使通过导线的电流增大,引起的功耗增加也会使芯片温度上升。而电流和温度的增加都会使芯片更容易产生电迁徙,从而对集成电路造成不可逆的损伤。因此长期过度超频可能会造成CPU的永久报废。 曾经有人这样反映:CPU超频到某个频率后,经过近一年的使用一直都很稳定。但是后来有一天就发现了CPU已经无法在这个频率上继续稳定工作。造成这种现象的原因,很可能是过度超频而散热措施不好,尽管CPU体质不错,在较高的温度下也能超到一个较高的频率。但是恶劣的工作环境和超负荷的工作让CPU内部发生严重的电迁徙。虽然没有造成短路或者断路,但是导线已经严重受到损伤,导线电阻R增大,最终引起布线延时RC(和布线电阻和布线电容有关)增加,导致时序错乱影响CPU正常工作。 一方面CPU集成的晶体管密度的不断提升,造成芯片中的导线密度不断增加,导线宽度和间距不断减小;另一方面CPU频率不断提升,功率逐渐加大而电压却在减小。CPU运作需要更细的导线去承载更大的电流,铝互连的应用日益受到挑战。因此更低电阻的铜互连将在集成电路的设计和制造中逐步取代原有的铝工艺。 很重要的一点是,铜具有良好的抗电迁徙的特性,几乎不需要考虑电迁徙问题。而目前市面上出售的CPU基本都已采用铜互连工艺。在AMD的Athlon(Thunderbird核心)和Intel的P4(NorthWood核心)发布以后的CPU都采用了铜互连技术,因此大多数人可以不必再为电迁徙而过于担心。 前面说过,CPU是信号处理器,主要功能是对数字信号进行处理,其主要工作单元为由晶体管组成的门电路。下图是CMOS集成电路中的一个最基本电路——反相器,其它复杂的CMOS集成电路大多是由反相器单元组合而成。 寄生电阻和寄生电容越小,高低电平的转换时间Δt在整个信号中占据的百分比越小,实际输出的波形也就越接近于理想波形,集成电路的电气性能就更优秀。它们只能通过制造工艺的提高去减小,而不可能完全消失。高k栅介质(High K gate Dielectric)、SOI工艺绝缘体上硅芯片技术(Silicon On Insulator)、“Low-k”低介电常数绝缘体技术等技术都是为了减小CPU中寄生电容采用的方法,而铜互连则有效减小了CPU中寄生电阻。然而不容乐观的是,随着集成密度的提高,线宽越来越窄,导线之间和晶体管之间的距离越来越近,晶体管栅极层厚度越来越薄,这几年CPU寄生电容和电阻的增加已经成为CPU制造技术中最难又最亟待解决的问题。 超频的CPU会使信号波形变的更差。因为CPU成品以后,其电容和电阻值都为常数,晶体管的各项参数也已经固定。在信号电压值不变的情况下, 信号高低电平的跳变所需要的时间也不变。但是频率的提高会使信号宽度 (占用的时间)变短,最终造成波形进一步恶化。 对于大多数超频使用者来说,会有一个理智超频的过程,所以很少会超频到电脑无法启动或者黑屏,更常见的超频后果是造成系统不稳定。CPU在工作过程中死机,重新启动,或者运算出错等等都是不稳定的表现。 如果CPU在超频以后能够顺利启动,如果在没有外界的干扰,那么做好散热以后,它就能稳定工作。但是CPU是工作在一个不断变化的环境中,有很多来自于外界电子噪声的影响。CPU在超频以后,更高频的信号周期时间更短,超频之前影响不大的干扰信号,在CPU工作在更高频率的时候,可能会变成CPU无法正常工作的罪魁祸首。 从图中可以看到,超频以后的有用信号(红)由于频率高,周期短,有效高电平时间短,在受到干扰以后,造成有用信号整体电压下降,干扰信号(蓝色)与原信号叠加的波形,无法达到要求电压,从而造成下级门电路无法识别信号,CPU无法继续正常工作。 而未超频的信号(绿色),和干扰信号(蓝色)叠加以后,虽然前半段有用信号整体电压下降,但是 后半部分不受影响,仍然能够达到高电平要求电压。尽管波形变化较大,但对于数字信号处理来说,达到高电平电压已经能够触发下级门电路,对于CPU的使用不会有太大影响。 由此可见,原先并无大碍的干扰却可能导致超频的CPU在使用中罢工,所以说超频造成了CPU抗干扰能力的下降。 为了让超频的CPU能稳定工作,必须尽量减少干扰源。最常见的来源有:大气中的天电、驱动电动机等电气设备或器件及由传感检测系统接收到的输入中混同于信号中的机、电、磁、光和声及电网波动的干扰等等。因此,在信号处理中,伴随信号一定存在噪声,不可能获得没有噪声的“纯净”信号。但是,只要保证信号比噪声强度大得多,信号的处理、分析和识别就不会 受到显著的影响。使用做工和用料更好的内存、主板和电源,不仅能够更少的吸收外界杂讯,也能确保CPU输入和输出信号更规则、更纯净。以主板为例,完整的滤波电路、优质的供电稳压电路、合理的走线和布局、良好的散热措施等等,都是一块设计优秀的主板必不可少的件条件,最终都是为了能给CPU提供稳定的工作环境服务。而干扰问题, 其实对于本身更高频的CPU也是如此,频率越高的处理器对干扰信号越敏感。LGA775接口的CPU正是为了避免针脚接受外界干扰信号而采用触点设计。 第8页:超频后果五:制造干扰 工作在高频率的时候,CPU、主板等等配件上的导线和元件不仅是干扰信号的接收者,同样也是干扰信号的发射者。存在电流环路的导线就会有辐射产生,简单的电路电流环路发出的辐射发射可用如下等式描述: E——电场(μV/m); 从这个关系可以看出,辐射的电场强度(E)以频率的平方增加。同样CPU经过超频以后,其辐射电场强度(电子噪声)会以频率提高速度的平方增加。 另外,CPU超频的直接结果是功耗增加,温度升高。大多数半导体器件,包括CPU内部晶体管对温度相当敏感,温度升高会使器件热噪声指数倍增加,性能变差。在超频当中,最常使用的手段之一就是降温,为的就是减少电子器件的热噪声。当使用干冰或液氮制冷的时候,CPU工作在零下上百度的环境中,最大限度的减少了晶体管热噪而使得极限频率得以实现。在CPU超频过程中,很有趣的现象就是,当温度越高,漏电流就越大;反过来又使温度更高,工作状态会急剧恶化;这是典型的恶性循环。因此温度造成的影响会受到人们极大重视。 其次,超频后CPU对电流的需求更大,因为CPU供电电路和主机电源的动态电阻影响,会造成最终CPU和其它电脑配件两端电压的下降。另外, CPU电流的急剧变化也会造成供电电压的跳变,产生突变信号干扰。也正因为以上原因,很多CPU超频后出错或死机,大多总是在任务最繁重、对电流需求最大的时候。 加电压也是超频中常见手段之一。加电压不但有利于提高 |
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