Kaby Lake: Overclocking-Check

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logo i7 skylakeWie schon beim ausführlichen Overclocking-Check für Skylake-Prozessoren wenden wir uns einige Wochen nach dem ausführlichen Test der neuen Kaby-Lake-Prozessoren in diesem gesonderten Artikel der Übertaktbarkeit der neuen Intel-Prozessoren zu. Entsprechend geben wir erneut einen Ausblick auf das, was von der neuen 14-nm+-Fertigung in Hinblick auf mögliche Taktraten zu erwarten ist bzw. im Durchschnitt erwartet werden darf. Anhand von drei Intel-Core-i7-7700K-Modellen aus dem Einzelhandel überprüfen wir die Overclocking-Eigenschaten und testen auch, ob sich ein "Delidding" erneut auszahlt. 

Für erfahrene User, die mit Overclocking - insbesondere dem von CPUs - schon etwas Erfahrung sammeln konnten, ist es ein offenes Geheimnis - für alle anderen sei es an dieser Stelle dennoch erneut erwähnt: Die Serienstreuung von Chips gleicher Art ist groß, dadurch unterscheiden sich die OC-Ergebnisse je nach Chip deutlich und allgemeingültige Aussagen sind immer etwas schwierig zu treffen. Zur Erhöhung der Aussagekraft unserer Tests haben wir daher gleich drei Retail-Modelle des Intel Core i7 7700K unter die Lupe genommen. Diese schnallen wir standesgemäß auf ein brandneues ASUS ROG Maximus IX Apex, das explizit für Overclocking designt und entwickelt wurde - für unseren Test also ein mehr als würdiger Untersatz.

Weiterhin werden wir erneut die OC-Ergebnisse aus unserem Forum miteinbeziehen, um so die Aussagekraft des Artikels noch weiter erhöhen zu können, denn unsere Community ist erneut schon kräftig am Übertakten und tauscht sich bereits auf über 200 Seiten im Forum über die erreichten Ergebnisse aus. Ein Blick in besagten Thread verrät erneut: Nicht ohne Grund sprechen Übertakter vom Begriff der „Silicon Lottery“ (zu Deutsch „Silizium Lotterie“). Dieser Terminus ist eine ziemlich treffende Umschreibung der Situation: Je nach Generation, Fortschritt und Optimierung der Produktion innerhalb dieser Generation, unterscheiden sich die Chips teils deutlich in der Güte - und somit unterscheiden sich natürlich auch die in etwa zu erwartenden Overclocking-Ergebnisse.

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Auch bei Kaby-Lake gilt: Oft wird bestimmten Batches oder Lot- bzw. Seriennummern eine besondere OC-Tauglichkeit nachgesagt. Solche CPUs stehen dann bei der Overclocking-Gemeinde natürlich besonders hoch im Kurs und werden neuerdings auch von einigen Shops mit einem kleinen Aufpreis gesondert angeboten. Doch diese Charakteristika sind nicht immer eindeutig und bestenfalls eine ungefähre Prognose. Im Zweifelsfall gibt nur der finale OC-Test selbst Klarheit darüber, ob sich der Chip außerordentlich gut für OC eignet oder nicht. Intels Prozessoren sind in Hinblick auf diese Schwankungen in den letzten Jahren ein kleines Stück homogener geworden, sodass größere Unterschiede meist nicht mehr vorhanden sind. Dieser Trend setzt sich unseren Erkenntnissen nach auch bei Kaby Lake ein Stück weit fort.

Zu guter Letzt werden wir in diesem Artikel erneut eine der CPUs "köpfen" (auch unter dem Synonym "Delid" bekannt) und untersuchen, ob sich der Austausch des TIM (Thermal Interface Material) der CPU in Hinblick auf die Temperaturen und die Übertaktbarkeit erneut lohnt und ob durch diesen durchaus riskanten Eingriff tatsächlich bessere Overclocking-Ergebnisse zu erwarten sind.

Unsere Testprobanden für diesen Übertaktungstest sind drei Intel Core i7-7700K mit folgenden Batchnummern:

Bei den Prozessoren handelt es sich um drei Retail-Modelle, die aus den üblichen Einzelhandelskanälen von verschiedenen Händlern erworben wurden.

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Voltage Regulation und Loadline/LLC

Intel hat bereits im Vorfeld zum Skylake-Release bekanntgegeben, dass der Fully Integrated Voltage Regulator für Skylake wieder gestrichen wurde. Dies ist bei Kaby Lake nun erneut der Fall, entprechend sind also wieder die Mainboardhersteller gefragt, eine passende und für Overclockingvorhaben jeglicher Art geeignete Spannungsversorgung mit entsprechendem Voltage Regulator auf dem Mainboard unterzubringen. Die erreichbaren Übertaktungsergebnisse können sich daher erneut je nach verwendetem Mainboard deutlich stärker unterscheiden, als dies beispielsweise noch bei Haswell-CPUs der Fall war. Die geänderte Spannungsversorgung bedeutet aber im selben Atemzug aber auch, dass einige der Spannungen und Wechselwirkungen, die bei Haswell noch eine große Bedeutung hatten und das Overclocking verkompliziert haben, entfallen. Dadurch wird das Übertakten wieder etwas einfacher (vergleichbar zu den älteren Sandy-Bridge- und Ivy-Bridge-Generationen). Weiterhin bedeutet dies, dass die Loadline mit Vdrop und Vdroop erneut eine gewisse Relevanz hat. Daher muss erneut - gerade für Anfänger ist das sehr verwirrend - zwischen den "verschiedenen" VCore-Werten (UEFI zu Windows Idle und Windows Idle zu Windows Last) differenziert werden.

Beginnen wir unsere nähere Betrachtung mit dem Vdrop. Der Vdrop ist der Unterschied zwischen der im UEFI-BIOS eingestellten und der im Windows-Betrieb im Idle tatsächlich anliegenden Spannung. Wenn im UEFI eine fixe Vcore-Spannung (z.B. 1,2 V) einstellt wird, wird im Betrieb unter Windows dieser Wert nicht ganz anliegen, sondern meist etwas weniger Spannung (z.B. 1,176 V statt den eingestellten 1,2 V im BIOS). Dieses Phänomen nennt sich Vdrop. Als Vdroop bezeichnet man die völlig normale und von der Intel-Loadline vorgesehene Spannungsdifferenz der VCore im Idle-Betrieb und unter Volllast. Liegen hier im Idle z.B. noch eben besagte 1,176 V an, sind es dann unter Last nur noch ca. 1,120 V. Vdrop und Vdroop sind so beabsichtigt und wurden von Intel implementiert, um Spannungsspitzen beim Lastenwechsel „abzufedern“ und die CPU und auch die Spannungswandler zu schonen.

Dem entgegen wirkt die LLC (Load Line Calibration). Diese verhindert, je nach eingestelltem Level, den Spannungsabfall unter Last bzw. dreht die Load Line sogar, je nach Schärfe der Einstellung, um.

Von vielen Nutzern wird die LLC gerne bzw. aus Unwissenheit genutzt, da man mit aktiver LLC im UEFI z.B. nur 1,3 V einstellen muss, um unter Last im Betriebssystem auch wirklich 1,3 V zu erreichen, anstelle der sonst nötigen 1,4 V im UEFI (bei normaler Intel Loadline). Dennoch sollte nicht vergessen werden, dass es bei Nutzung der LLC zu Spannungsspitzen beim Lastenwechsel kommen kann, die deutlich über die im UEFI eingestellte Spannung hinausgehen können. Diese sind tendenziell sogar noch schädlicher, als die im UEFI vermeintlich zu hoch eingestellte Spannung (mit Intels Loadline).

Beim von uns in diesem Artikel eingesetzten ASUS ROG Maximus IX Apex wurde die Loadline von ASUS wie folgt implementiert:

Im UEFI eingestellt wurde für diesen Test der Load Line Calibration eine Spannung von 1,30 V für die Kernspannung/VCore.

Daraus resultierende Werte:

Wie man sieht, implementiert also LLC Level 1 die Loadline wie von Intel vorgesehen und LLC Level 8 dreht die Intel Loadline (vor allem unter Last) um und sorgt für einen VCore-Aufschlag statt einem Drop. LLC Level 6-8 sollten folglich, vor allem in hohen VCore-Regionen, vermieden werden.

Beim von uns bereits im Skylake OC-Check verwendeten ASRock Z170 Extreme6 ist die LLC dagegen wie folgt implementiert:

skylake1s

Im UEFI eingestellt wurde für diesen Test der Load Line Calibration eine Spannung von 1,30 V für die Kernspannung/VCore.

Daraus resultierende Werte:

Wie man sieht, implementieren ASUS und ASRock die Load Line Calibration gegensätzlich. Bei ASRock entspricht LLC Level 4 der von Intel vorgesehenen Loadline und LLC Level 1 dreht die Intel Loadline (vor allem unter Last) um und sorgt für einen VCore-Aufschlag statt einem Drop. LLC Level 1 sollte folglich, vor allem in hohen VCore-Regionen, vermieden werden. Je nach Mainboard und BIOS kann die Loadline-Calibration also unterschiedlich implementiert sein.

Relevante Spannungen

Wenden wir uns nun den relevanten Spannungen und deren vernünftiger Verwendung zu.

Die wichtigste Spannung ist offensichtlich die VCore, also die Kernspannung der CPU. Sie ist direkt verantwortlich dafür, wieviel Spannung den Kernen zum Rechnen zur Verfügung steht somit nahezu allein verantwortlich dafür, welchen Takt die CPU erreichen wird. Intel gibt im Whitepaper zur 7ten Core-Generation eine maximale Kernspannung von 1,52 V an, doch bezieht sich dieser Wert zum einen auf den nicht übertakteten Zustand und zum anderen auf den im UEFI eingestellten Wert ohne LLC. Dies entspricht unter Berücksichtigung der Intel Loadline einer Spannung von 1,436 V in Windows und unter Last. Dennoch empfiehlt es sich angesichts des 14-nm-Fertigungsprozesses, um auf Nummer sicher zu gehen, für den 24/7-Betrieb eine VCore von 1,35 V (und dies auch nur bei guter Kühlung der CPU) nicht zu überschreiten. Und auch bei diesem Wert sollte man sich bewusst sein, dass die CPU einen Schaden nehmen kann und sich die Lebensdauer deutlich verringern kann. 

Weiter relevante Spannungen sind die VCCIO- und VCCSA-Spannungen, welche primär für den Arbeitsspeicher und dessen Takt und den IMC (den Integrated Memory Controller), der in der CPU sitzt, relevant sind. Eine extra Eingangsspannung (ehemals auch als VCCIN oder auch Input Voltage bekannt), wie das noch bei Haswell und dem Haswell-Refresh (Devil's Canyon) der Fall war, gibt es nun nicht mehr. Eine separate Cache-Spannung existiert ebenfalls nicht mehr – denn der Cache und die Kerne teilen sich die gleiche zur Verfügung stehende Spannung - die VCore.

Es folgt eine kurze Übersicht über die einzelnen Spannungen und die Standard- bzw. maximal empfohlenen Werte:

Kabye Lake Spannungen
VCore (Kernspannung) Je nach CPU (max. empfohlen ~1,35 V)
VCCIO (VTT/IMC/I/O) 0,95 V (max. empfohlen von 1,15 bis 1,20 V)
VCCSA (SA/IMC) 1,05 V (max. empfohlen von 1,15 bis 1,20 V)
VDIMM (RAM) 1,2 V (max. empfohlen von 1,25 bis zu 1,4 V)
PCH Voltage (Chipsatz) 1 V (max. empfohlen bis zu 1,15 V)
VCCPLL (PLL) 1 V (max. empfohlen bis zu 1,1 V)
VCCST (Standby) 1 V (max. empfohlen bis zu 1,1 V)

Unserer Erfahrung nach können die VCCIO- und VCCSA-Spannung bis zu einem Speichertakt von 3.200 MHz meist bei den Standardwerten belassen werden, erst bei noch höheren Taktraten des Arbeitsspeichers wird eine Anhebung auf etwa 1,1 bis 1,15 V nötig. Sollte sich Prime während dem Testen öfters beenden oder sollten nur einzelne Kerne aussteigen, empfiehlt sich ebenfalls ein Blick auf die Nebenspannungen.

Erneut verfügbar: Der entkoppelte BCLK

Ein Novum der Skylake-Plattform war, dass Intel den Referenztakt vom PCIe-Takt abgekoppelt hat. Diese ehemalige Kopplung führte in den meisten Fällen zu stark eingeschränkten BCLK-Overclocking-Möglichkeiten, welche sich je nach verwendeter CPU und Mainboard auf einen Spielraum von ca. 3-8 % beliefen.

Bei Skylake-Prozessoren mit K-Suffix waren Referenztakt und PCIe-Takt nun also erstmals entkoppelt. Der BCLK konnte somit frei gewählt werden, ohne dass sich andere Taktraten ungewünschter Weise mitändern. Im Rahmen der üblichen Serienstreuung waren mit Luft- und Wasserkühlung Taktraten von ca. 300 - 350 MHz Taktraten beim BCLK möglich.

Mit Kaby Lake als Evolutionsstufe von Skylake ist der entkoppelte BCLK abermals mit an Board.

Der größte Vorteil dieser Änderung ist abermals die Vielzahl an Möglichkeiten, wie der gewünschte Zieltakt nun erreicht werden kann. Ist der gewünschte Zieltakt beispielsweise bei einem CPU Takt von 4.500 MHz, kann dies zum einen durch einem Multiplikator von 15 (und 300 MHz BCLK) als auch mit einem Multiplikator von 53 (und 85 MHz BCLK) erreicht werden. Dies gibt dem Nutzer also mehr Freiheit denn je und erreicht auch das Erlauben ungerader Taktraten wie z.B. von 4550 MHz.

Leistungsunterschiede gibt es hierbei in der Regel nicht. Interessant werden diese Möglichkeiten vor allem bei Extrem-OC und beim Benchmarken, denn dort zählt jeder Punkt und somit auch jedes letzte MHz um die besagten Extrapunkte auch erreichen zu können. Dem Standardnutzer bringt es dagegen nur etwas mehr Flexibilität und ermöglicht das System etwas individueller übertakten zu können. 


Overclocking Testsystem

Unsere Overclocking-Tests führten wir mit folgender Hardware durch:

Testsystem
Prozessor Intel Core i7-7700K
CPU Kühler Phanteks PH-TC14PE_GD
Mainboard ASUS ROG Maximus IX Apex
Arbeitsspeicher 32GB Corsair Vengeance LPX DDR4-2666 CL16
Grafikkarte EVGA GeForce GTX 1080 ACX
Festplatte Samsung SSD 850 Pro 1TB
Netzteil Seasonic PRIME 850W
Gehäuse Cooler Master CM 690 II
Wärmeleitpaste Arctic Cooling MX-4
Gehäusebelüftung 2x be quiet! Silent Wings 140mm (Deckel)
2x be quiet! Silent Wings 120mm (Vorne & Hinten)
Betriebssystem Windows 7 Ultimate x64 (Service Pack 1)

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Stabilitätstest und Messungen

Als Stabilitätstest kommt jeweils ein halbstündiger Prime 27.9 Run mit einer Custom FFT Size von 1344k zum Einsatz. Dieser hat sich als besonders anspruchsvoll und somit geeignet für das Ausloten der Kernspannung (VCore) erwiesen und gibt in relativ kurzer Zeit schon Aufschluss darüber, ob das System annähernd stabil läuft oder nicht. Meist braucht es nur sehr wenig bis gar keine zusätzlich VCore mehr, damit das System endgültig und in allen Lebenslagen stabil läuft.

skylake1s

Prime 27.9 macht Gebrauch von den AVX2 Instructions und ist daher relativ praxisrelevant. Auf eine neuere Prime-Version der 28er-Serie wird in diesem Artikel bewusst verzichtet, da die FMA3 Instructions für die meisten Nutzer nach wie vor keine wirkliche Praxisrelevanz besitzen und die CPU mit diesen nur übermäßig belastet worden wäre. Entsprechend hätten die Tests damit zu unverhältnismäßig hohen Stabilitätsanforderungen geführt, die für den Praxisbetrieb in den meisten Fällen gar keine Rolle spielen. Wer seinen eigenen Prozessor diesbezüglich noch testen möchte, kann dies aber natürlich gerne tun. 

Sämtliche Verbrauchsmessungen sind Messungen des Gesamtstromverbrauchs aus der Steckdose, also nicht nur die CPU-Stromaufnahme, sondern den Verbrauch sämtlicher Komponenten zuzüglich des Wirkungsgrades des Netzteils. 


Undervolting

Wie sich in gewissen Kreisen bereits herumgesprochen haben dürfte, ist es oft geradezu verschwenderisch diverse Spannungseinstellungen und insbesondere auch die Kernspannung, also die VCore, vom Mainboard automatisch regeln zu lassen. Die Mainboards regeln (was natürlich in Bezug auf die Stabilität auch Sinn macht) die Spannung meist auf ein sehr hohes Niveau, um so sicherzustellen, dass jede erdenkliche CPU unter Berücksichtigung der Fertigungsschwankungen in allen Lebenslagen auch zu 100% garantiert stabil ihren Dienst verrichtet. Diese Spannung variiert zwar je nach VID (Voltage Identification Definition) noch etwas, ist aber in der Regel und je nach Implementierung des UEFIs deutlich zu hoch gesetzt.

Abhilfe dagegen schafft Undervolting, also das manuelle Absenken der Kernspannung/VCore auf einen niedrigeren Wert, der den stabilen Betrieb des Systems zwar noch möglich macht, aber auch nicht allzu weit von der Stabilitätsgrenze entfernt ist. Durch Undervolting lassen sich in der Regel nicht nur die Temperaturen etwas senken, sondern auch der Verbrauch der CPU und somit des kompletten Systems lässt sich ebenfalls senken. So auch mit der von uns auf Undervolting überprüften CPU, dem ersten Proband mit der Batchnummer L643G218. Standardmäßig legte das Mainboard beim Standardtakt von 4,5 GHz bei diesem Chip eine Kernspannung von 1,12 V an. Der Verbrauch des gesamten Systems lag dabei bei 118 W.

VCore (Kernspannung)

4,5 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.088 XX


1.120 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Wie im Laufe der Undervolting Tests festzustellen war, ist eine solche Spannung aber keinesfalls nötig. Den besagten Takt von 4,5 GHz konnten wir auch mit einer Spannung von nur 1,088 V stabil erreichen. Auf die Temperaturen hatte diese eher kleiner Spannungsdifferenz, zumindest im ungeköpften Zustand, allerdings noch keine Auswirkung.

Im Vergleich zum letztjährigem Overclocking-Check der Skylake Plattform regulieren die Mainboards die Spannung nun also deutlich konservativer und weniger verschwenderisch - daher fallen die möglichen Einsparungen durch ein händisches Undervolting natürlich auch deutlich geringer aus.

Untersuchen wir nun, inwieweit sich die etwas reduzierte Kernspannung auf den Verbrauch des Systems auswirkt.

Effizienz

Eine Absenkung der Kernspannung, wenn auch wie in diesem Fall nur marginal, macht sich natürlich auch beim Verbrauch des Gesamtsystems bemerkbar. Der Verbrauch sinkt durch die von uns abgesenkte Kernspannung um 3 W auf 115 W ab.

Verbrauch

4,5 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

115 XX


118 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Alternativ, um den Overclocking-Ergebnissen schon etwas vorzugreifen, lässt sich mit diesem Chip durch Übertaktung mit der Standardspannung von 1,12 V aber auch ein Takt von 4,6 GHz bei einem ähnlichen Verbrauch realisieren.

Details zur Übertaktung sowie zur Skalierung der Kernspannung und des Verbrauchs folgen nun auf den nächsten Seiten.


Overclocking auf 4,5 GHz

Beginnen wir die Overclocking Tests nun zunächst mit einem noch sehr moderaten Overclocking. 4,5 GHz stellen dabei eigentlich den von Intel für den i7-7700k spezifizierten Standardtakt dar, doch dieser gilt nur für den Betrieb von einem Kern unter Volllast. Für den Betrieb von allen vier Kernen auf Volllast sieht Intel nur einen Takt von 4,4 GHz vor, auch wenn viele Mainboard-Hersteller dies mit einer "AllCore Turbo" genannten Funktion meist anderweitig implementieren und der CPU so schon von Haus aus etwas Beine machen.

Auch wenn der Takt von 4,5 GHz, als Einstieg in die Overclocking-Tests dieses Artikels, also noch sehr nah am Standardtakt liegt, so kann man auch bei diesem noch eher konservativen Takt schon gut sehen, wie unterschiedlich der Spannungsbedarf der verschiedenen CPUs ausfällt.

Während unser erster und zugleich bester Proband bereits mit einer Kernspannung von nur 1,088 V ins Ziel gelangt, so braucht die zweite CPU derselben Batch schon 1,12 V und unsere dritte CPU im Bunde sogar 1,136 V.

VCore (Kernspannung)

4,5 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.088 XX


1.120 XX


1.136 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Der Verbrauch des Gesamtsystems liegt hierbei bei jeweils 115 W, 122 W bzw. 125 W.

Verbrauch

4,5 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

115 XX


122 XX


125 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Overclocking auf 4,6 GHz

Auch 4,6 GHz sind noch als ein sehr moderates Overclocking zu bezeichnen und nahezu alle Kaby-Lake-CPUs dürften hier noch sehr gutmütig skalieren und nur etwas mehr VCore benötigen, als noch bei unseren ersten Tests mit 4,5 GHz. Sehen wir uns nun die Ergebnisse an:

Unser erster und zugleich bester Proband benötigt für 4,6 GHz nun also eine Kernspannung von nur 1,12 V, die zweite CPU derselben Batch 1,152 V und unsere dritte CPU im Bunde sogar 1,168 V.

Dies bedeutet, dass zum Erreichen von 100 Mhz mehr Takt im Vergleich zu 4,5 GHz jeweils 32 mV mehr VCore benötigt wurden - eine, wie bereits vermutet, noch sehr gutmütige Skalierung.

VCore (Kernspannung)

4,6 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.120 XX


1.152 XX


1.168 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Untersuchen wir nun also, wie sehr sich der Verbrauch des Gesamtsystems durch die gestiegene Spannung verändert hat. Unsere Messungen zeigten hier jeweils 119 W, 128 W bzw. 130 W - der Verbrauch liegt somit um 4 bis 6 Watt höher als bei unserer letzten Taktstufe mit 4,5 GHz.

Verbrauch

4,6 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

119 XX


128 XX


130 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Es fällt an dieser Stelle bereits auf, dass unser bester Proband - die erste CPU mit Batch L643G218 - bei einem Takt von 4,6 GHz und einem Verbrauch von nur 119 W effizienter zu Werke geht, als dies die beiden anderen CPUs bei einem Takt von nur 4,5 GHz (mit einem Verbrauch von 122 bzw. 125 W) getan haben. Diese CPU scheint daher jetzt schon die vielversprechendste der drei Probanden zu sein


Overclocking auf 4,7 GHz

Mit einem weiteren Sprung um 100 MHz, den wohl auch noch so ziemlich alle Kaby-Lake-Prozessoren problemlos mitmachen dürften, näheren wir uns langsam schon interessanteren Gefilden und erreichen einen Kerntakt von 4,7 GHz. Während unser erster und zugleich bester Proband bereits mit einer Kernspannung von nur 1,152 V ins Ziel gelangt, braucht die zweite CPU mit derselben Batch 1,184 V und die dritte CPU im Bunde sogar 1,20 V.

Bei erneuter Betrachtung der Skalierung lässt sich feststellen, dass für 100 Mhz mehr Takt erneut 32 mV mehr Kernspannung/VCore benötigt werden. Die Skalierung fällt also nach wie vor linear und damit noch sehr human aus.  

VCore (Kernspannung)

4,7 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.152 XX


1.184 XX


1.200 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Der Verbrauch des Gesamtsystems liegt hierbei bei jeweils 125 W, 134 W bzw. 141 W und liegt dabei ebenfalls in einem noch sehr vernünftigen Rahmen und nur um ca. 6 bis 11 W höher, als dies im letzten Test mit 4,6 GHz der Fall war. Die letzte CPU im Bunde macht sich allerdings mit einem 11 W höherem Verbrauch schon etwas negativ bemerkbar und verspricht damit wohl keine besonders hohe OC-Freudigkeit.

Verbrauch

4,7 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

125 XX


134 XX


141 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Vergleicht man nun die drei Probanden erneut direkt, scheinen die Unterschiede der CPUs bereits etwas größer zu werden. Zwischen dem besten und schlechtesten Chip in diesen Tests liegen nun knapp 50 mV Differenz - und daraus resultierend ein 16 W höherer Verbrauch. Unser bester Proband, die erste CPU mit Batch L643G218, schafft weiterhin den Takt von 4,7 GHz mit einer geringeren Kernspannung und einem geringeren Verbrauch, als dies die beiden anderen Chips dies bei nur 4,6 GHz zu leisten vermögen.

Overclocking auf 4,8 GHz

Mit 4,8 GHz näheren wir uns nun dem Bereich, der für viele Kaby-Lake-CPUs nach bisheriger Erfahrungen der sinnvollste Kompromiss zwischen hoher Leistung und noch akzeptablen Verbrauch darstellen dürfte. Außerdem dürfte der Takt von 4,8 GHz aber auch schon für einige schlechtere Exemplare die Grenze des maximal Machbaren darstellen.

Unser erster und zugleich bester Proband benötigt für 4,8 GHz lediglich eine noch sehr humane Kernspannung von 1,20 V, die zweite CPU derselben Batch benötigt dafür 1,232 V und unsere dritte CPU im Bunde sogar 1,264 V.

Betrachten wir also erneut die Skalierung der Prozessoren. Für 100 Mhz an zusätzlichem Takt benötigen die Probanden nun erstmals jeweils schon zwischen 48 mV bis 64 mV mehr Kernspannung - die Differenz wird also augenscheinlich etwas größer als zuvor. Die Skalierung liegt damit noch im Rahmen, lässt aber vermuten, dass der Sweetspot der meisten CPUs nun aber erreicht wurde bzw. im Falle des letzten Probanden wohl sogar schon überschritten wurde. 

VCore (Kernspannung)

4,8 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.200 XX


1.232 XX


1.264 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Der Verbrauch des Gesamtsystems liegt nun bei 4,8 GHz bei jeweils 132 W, 141 W bzw. sogar 154 W und verdeutlicht, dass nun auch der Verbrauch teilweise schon deutlicher ansteigt. Die Chips brauchen nun schon 7 bis 13 W mehr als dies noch zuvor bei 4,7 GHz der Fall war. Zwischen dem besten und schlechtesten Chip in diesem Test liegen nun 16 % respektive 22 Watt Differenz.

Verbrauch

4,8 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

132 XX


141 XX


154 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Erneut schafft unser bester Proband, die erste CPU mit Batch L643G218, unsere aktuelle Stufe mit einem Kerntakt von 4,8 GHz mit einem geringeren Verbrauch zu bewältigen, als dies die beiden anderen Chips noch bei 4,7 GHz taten.


Overclocking auf 4,9 GHz

Mit 4,9 GHz erreichen wir nun eine Taktstufe, die für eine Vielzahl von Kaby-Lake-Prozessoren schon das Maximum des Möglichen darstellt bzw. sicherlich sogar von manchen Prozessoren gar nicht erreicht werden kann. Während unser erster und zugleich bester Proband bereits mit einer Kernspannung von nur 1,248 V noch relativ souverän ins Ziel gelangt, so braucht die zweite CPU derselben Batch schon 1,296 V und unsere dritte CPU sogar 1,328 V.

Wie bereits zu vermuten war, werden die Abstände zwischen den verschiedenen Prozessoren nun also immer größer und die Skalierung teilweise schon deutlich schlechter. Während unsere beste CPU mit 48 mV Spannungsdifferenz erneut sehr human skaliert, brauchen die beiden anderen Probanden mit jeweils 64 mV schon eine Ecke mehr Spannung um den Zieltakt von 4,9 GHz auch stabil zu erreichen.

VCore (Kernspannung)

4,9 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.248 XX


1.296 XX


1.328 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Der Verbrauch des Gesamtsystems liegt hierbei bei jeweils 145 W, 155 W bzw. 168 W und liegt damit um 13 bis 14 W höher als bei den letzten Tests mit 4,8 GHz Kerntakt. Auch beim Verbrauch ist also zu erkennen, dass die Skalierung zunehmend schlechter wird und nun für jedes Megahertz mehr deutlich mehr Strom aus der Steckdose gesaugt wird.  

Verbrauch

4,9 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

145 XX


155 XX


168 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Im direkten Vergleich fällt erneut auf, dass zwischen dem besten Chip und dem schlechtesten Chip im Test nun schon ganze 80 mV Spannung und 23 W Verbrauch liegen - eine durchaus beachtliche Differenz.

Overclocking auf 5,0 GHz

5,0 GHz ist in mehrerlei Hinsicht eine "magische" Grenze. Zum einen sieht die Zahl an sich schon sehr imposant aus und dürfte allein deswegen das Ziel vieler Overclocker sein, zum anderen trennt sich bei diesem Takt auch sprichwörtlich die Spreu vom Weizen. Unseren bisherigen Erfahrungen nach wird schätzungsweise nicht einmal die Hälfte aller Chips, zumindest nicht mit einer noch alltagstauglichen Spannung, diesen Takt auch im Dauereinsatz erreichen. Weiterhin limitieren auch die Temperaturen hier zunehmend, sodass dieser Takt vornehmlich sehr starken Luftkühlern bzw. All-in-One Wasserkühlungen (und natürlich richtigen Selbstbaulösungen) vorbehalten bleiben wird. Mit unserem Testsystem erreichten wir bei dieser Taktstufe schon Temperaturen zwischen 90 und 95 °C - Spielraum nach oben gab es, zumindest ohne das Köpfen/Delid der CPU, hier also nicht mehr.

In Bezug auf die Taktfreudigkeit hatten wir bei unseren Probanden aber Glück. Alle drei CPUs erreichten, wenn auch in einem Fall nur denkbar knapp, die Ziellinie. Unser erster und zugleich bester Proband benötigt für die magischen 5,0 GHz eine Kernspannung von nur 1,296 V, die zweite CPU derselben Batch ganze 1,360 V und unsere dritte CPU im Bunde sogar eine Kernspannung von 1,392 V. Die Skalierung verschlechterte sich bei unseren drei Probanden in diesem Fall mit 48 mV bzw. 64 mV zwar nicht weiter, die hohen Temperaturen wurden nun aber bei allen CPUs zum limitierenden Faktor und machten das Erreichen von noch höheren Taktraten unmöglich. 

VCore (Kernspannung)

5,0 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.296 XX


1.360 XX


1.392 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Der Verbrauch des Gesamtsystems lag bei unseren drei Probanden bei jeweils 156 W, 167 W bzw. 189 W und stieg nun also schon merklich an. Ob der Anstieg die gewonnene Leistung noch rechtfertigt, darf hier schon zu Recht in Frage gestellt werden.

Verbrauch

5,0 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

156 XX


167 XX


189 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Erwartungsgemäß sind bei diesen, unseren letzten Tests, die Unterschiede zwischen den drei Probanden größer denn je. Wir beobachten hier eine Differenz von bis zu 96 mV bei einem Verbrauch von 33 W. Bei einem so hohen Zieltakt macht es sich also durchaus bezahlt, bei der „Silicon Lottery“ einen Glücksgriff zu landen - oder aber im Vorfeld eine explizit vorab getestete CPU zu kaufen um so böse Überraschungen zu vermeiden.


Nach Betrachtung der einzelnen Taktstufen und Tests für sich, ist es nun an der Zeit die Ergebnisse zusammenzusetzen und abschließend zu betrachten bzw. diese richtig einzuordnen. Zu diesem Zwecke haben wir die Ergebnisse der durchgeführten Tests anschaulich als Diagramm aufgearbeitet. Dies soll vor allem dabei helfen die Skalierung der Prozessoren möglichst einfach betrachten sowie vergleichen zu können. 

Betrachten wir also zunächst die Skalierung der Kernspannung unserer drei Probanden, also der VCore:

VCore Skalierung

Das Diagramm ruft uns ins Gedächtnis, was während der Overclocking Tests schon festzustellen war:

Die Skalierung unserer drei Probanden verläuft zunächst bis 4,7 GHz linear und in 32 mV Schritten. Ab dem Sweetspot von 4,7 GHz verläuft die Skalierung schon deutlich schlechter und auch je nach CPU sehr unterschiedlich. Während unser bester Proband mit der Batch L643G218 ein sehr hohes Übertaktungspotential zeigt und bis zum Takt von 5 GHz mit 48 mV pro 100 MHz noch relativ gutmütig und halbwegs linear weiterskaliert, so brauchen die anderen beiden Probanden mit jeweils 64 mV pro 100 MHz schon deutlich mehr Spannung. Am Ende trennen die beste und schlechteste CPU unseres Testfeldes ganze 96 mV voneinander.

Unserer ersten CPU der Batch L643G218 lässt sich also ein sehr hohes OC-Potential bescheinigen: Selbst der Betrieb mit 5 GHz ist, abgesehen von den schon recht hohen Temperaturen, recht problemlos möglich. Ein sehr gutes Ergebnis und eine CPU, auf die jeder Käufer mit Interesse an OC hoffen dürfte. Auch unser zweiter Proband, ebenfalls mit der Batch L643G218, ist als überdurchschnittliche CPU zu werten, auch wenn die Skalierung hier schon leicht schlechter verläuft. Die dritte CPU im Bunde zeigt nochmal etwas weniger OC-Potential, erreicht aber dennoch ebenfalls 5 GHz - wenn auch nur denkbar knapp unterhalb der von uns gesetzten Obergrenze von 1,40 V.

Als nächstes betrachten wir nun den Verbrauch und dessen Skalierung mit dem jeweils erreichten Takt:

Verbrauchs Skalierung

Im Vergleich zum Verlauf der Kernspannung fällt bei der Betrachtung des Verbrauchs sofort auf, dass dieser weniger gnädig skaliert und - je nach CPU - ab 4,7 bzw. 4,8 GHz bereits deutlich in die Höhe geht.

Der Sweetspot, also der Punkt an dem die gebotene Leistung noch in perfektem Einklang mit der dafür aufgewendeten Energie steht, scheint daher bei allen drei Probanden bei 4,7 GHz zu sein, obwohl natürlich auch der Betrieb mit 4,8 GHz bei zumindest zwei der Probanden ähnlich energieeffizient und so problemlos zu rechtfertigen ist. Möchte man noch mehr Leistung erkauft man sich diese mit einer deutlich schlechteren Energieeffizienz und einem merklich ansteigenden Verbrauch.


Die Problematik

Nach wie vor ein aktuelles Gesprächsthema, wenn es um das Overclocking von CPUs und die dabei entstehende hohe und hinderliche Abwärme der CPU-Kerne geht, ist das Köpfen (englisch „Delid“) der CPU. Seit Einführung der dritten Generation der Core-Prozessoren unter dem Codenamen Ivy Bridge verlötet Intel den integrierten Heatspreader und das Prozessor-Die nicht mehr, sondern setzt auf ein eigenes und weniger wärmeleitfähiges TIM (Thermal Interface Material).

Um die Problematik umfassend zu verstehen, gilt es zunächst einige Begriffe zu klären und den Aufbau einer CPU zu verstehen. Folgende Skizze soll dabei behilflich sein:

Delid Draft

Eine CPU besteht aus mehreren Komponenten. Das PCB ist die Platine, auf der das Herz der CPU, das Die, verbaut ist. Im PCB selbst verlaufen viele hoch sensible Leiterbahnen, daher gilt es beim Köpfen das PCB möglichst nicht zu beschädigen - ansonsten ist es sehr wahrscheinlich, dass die CPU bzw. Teile dieser im Anschluss nicht mehr korrekt funktionieren.

Damit die Wärme, die das Prozessor-Die bei Last produziert, effektiv abgeführt werden kann, besitzt die CPU den IHS (Integrated Heat Spreader). Dieser soll zum einen den hochempfindlichen Die schützen, aber auch die Wärme gleichmäßig und passgenau an die Bodenplatten der Kühler abführen. Der Zwischenraum zwischen Die und IHS wird mit TIM (Thermal Interface Material), also einer Wärmeleitpaste, überbrückt.

Genau hier liegt also das große Problem, das ursächlich für die deutlich schlechteren Temperaturen ist, mit denen die Nutzer seit „Ivy Bridge“ leider zu kämpfen haben. Bei der Vorgängergeneration mit dem Codenamen Sandy Bridge waren Die und IHS nämlich noch verlötet. Diese Verbindung hatte einen sehr hohen Wärmeleitkoeffizienten und sorgte so dafür, dass die Wärme effektiv an den IHS und somit an den CPU-Kühler abgegeben werden konnte. Da das von Intel seit „Ivy Bridge“ verwendete Material, obwohl es zwischenzeitlich schon etwas verbessert wurde, eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt, kämpfen Nutzer leider seither mit deutlich erhöhten Kerntemperaturen und somit auch mit einer schlechteren Übertaktbarkeit der Prozessoren.

Abhilfe durch Köpfen/Delid der CPU

Abhilfe gegen die beschriebene Problematik schafft also nur der Tausch des von Intel original verwendeten TIM durch ein anderes TIM mit besserer Wärmeleitfähigkeit, im besten Falle einer Flüssigmetallpaste wie z.B. der Coollaboratory Liquid Ultra, der Phobya LM oder neuerdings auch der Thermal Grizzly Conductonaut. Diese Lösung ist aber brutal und nicht gänzlich ohne Risiko: Im Endeffekt "zerbricht" man die CPU in zwei Teile, löst also den Deckel/IHS vom PCB, um auf diese Weise Zugang zum TIM unterhalb des Heatspreaders zu erhalten. 

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Um dies zu ermöglichen, gilt es zunächst die zwischen IHS und PCB bestehende Silikonverbindung zu trennen. Dazu gibt es mehrere Methoden, die wir hier nur in aller Kürze vorstellen wollen. Interessenten können sich gerne in unserem Sammelthread Intel Ivy Bridge/Haswell/Skylake geköpft - Erfahrungen ohne HS/mit gewechseltem TIM weiter informieren, denn besagter Thread ist seit über vier Jahren Anlaufstelle für viele User, die ihre CPU „enthaupten“ möchten, um dadurch von den deutlich besseren Temperaturen profitieren zu können. Dieser enthält nicht nur nähere Hinweise zum Ablauf, sondern auch diverse Erfahrungsberichte und vermittelt somit ein fundiertes Wissen rund um den Vorgang selbst.

Zum Entfernen des Heatspreaders gibt es verschiedenen Methoden, die wir an dieser Stelle in Form von drei Videos vorstellen möchten. Eine hundertprozentige Sicherheit gibt es allerdings bei allen Methoden nicht, auch wenn die speziell zu diesem Zwecke entwickelten Tools den Vorgang sicherer denn je gestalten. Die Methoden benötigen dennoch Gefühl, geschickte Hände und auch etwas Mut, um die CPU letztendlich unbeschadet "köpfen" zu können. Alle Änderungen und Eingriffe an euren CPUs geschehen natürlich komplett auf eigene Gefahr, weder der Autor dieses Artikels noch Hardwareluxx werden in irgendeiner Weise dafür haften, sollten CPUs durch Nachmachen dieser Eingriffe permanent beschädigt werden. Und die Wahrscheinlichkeit hierfür ist durchaus gegeben! 

Das Köpfen mit dem Schraubstock ist eine einfache Methode, die nur einen möglichst schweren Schraubstock, ein Stück Holz sowie einen Hammer erfordert. Mit entsprechendem Feingefühl und etwas Vorbereitungszeit kann die CPU mit dieser Methode innerhalb von weniger als zwei Minuten enthauptet werden, ohne mit einer spitzen und furchteinflößenden Klinge an das PCB zu müssen. Doch ungefährlich ist natürlich auch diese Methode nicht, da gerade das PCB der Skylake- und Kaby-Lake-Prozessoren deutlich dünner geworden ist. Entsprechend sollte nicht zu viel Wucht auf das PCB ausgeübt werden, da dieses deutlich leichter kaputt zu kriegen ist, als es das PCB der Vorgängergenerationen Ivy Bridge und Haswell noch war.

Eine weitere Methode ist das klassische Köpfen mit einer sehr dünnen Klinge, meist einer Rasierklinge oder einer Ersatzklinge für einen Glaskeramik-Schaber. Bei dieser Methode kommt es sehr auf das Fingerspitzengefühl und die handwerkliche Begabung an, da schon ein leichtes Verkanten der Klinge meist einen Schnitt ins PCB nach sich zieht und somit den Defekt der CPU bedeutet. Wie das Köpfen mit einer Rasierklinge aussieht, zeigt der OC-Experte Roman „der8auer“ Hartung in seinem uns zur Verfügung gestellten Video.

Speziell zu diesem Zwecke entwickelte Tools, die den Köpfvorgang sicherer und leichter denn je gestalten sollen, gibt es inzwischen zahlreich. Eines der ersten und immer noch beliebtesten Tools ist das von Roman „der8auer“ Hartung entwickelte Delid Die Mate, das wir im letzten Jahr ebenfalls schon getestet und für sehr nützlich befunden haben. Unser Nutzer Stullen Andi zeigt im oben eingebundenen Video, wie der komplette Köpfvorgang mit dem Delid Die Mate abläuft und die CPU anschließend mit neuem TIM versehen und abschließend präpariert wird.

Weitere Einblicke in den Ablauf und das Innenleben einer Kaby-Lake-CPU gibt außerdem unsere Fotostrecke zum Köpfen/Delid:

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Ergebnisse

Um zu untersuchen ob sich die Kerntemperaturen durch den Eingriff signifikant verbessern und sich dadurch auch die Overclocking-Möglichkeiten optimieren lassen, haben wir den hitzigsten Probanden - die CPU mit der Batch L644G993 - enthauptet und weiteren Tests unterzogen.

Um die Auswirkungen auf die Temperaturen bestmöglich untersuchen zu können lief die CPU während dieser Tests mit einem Takt von 4,9 GHz und einer Kernspannung von 1,328 V.

Folgende Auswirkung auf die Temperaturen konnten wir feststellen:

Kerntemperatur (im Durchschnitt)

4,9 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

59.5 XX


81.75 XX


Grad Celsius
Weniger ist besser

Der Kerntemperaturen sind durch den Eingriff also, unter Berücksichtigung und Einberechnung der Raumtemperatur, im Durchschnitt um ganze 22,25 °C zurückgegangen! Ein beachtliches Ergebnis, das sogar noch deutlicher ausfällt, als dies letztes Jahr beim i7-6700k der Fall war (dort konnten wir eine Differenz von 17 °C feststellen). Doch haben die gesunkenen Temperaturen erneut eine Auswirkung auf die Übertaktbarkeit des Prozessors und den Verbrauch? 

VCore (Kernspannung)

4,9 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

1.296 XX


1.328 XX


V (Volt)
Weniger ist besser

Verbrauch (Gesamtsystem)

4,9 GHz, Last (Prime 27.9 1344k)

157 XX


168 XX


W (Watt)
Weniger ist besser

Die benötigte Kernspannung ist also um 32 mV von 1,328 V auf 1,296 V gesunken und der Verbrauch des Gesamtsystems ist ebenfalls von 168 W auf nur noch 157 W gesunken.

Weiterhin war es nach dem Eingriff möglich die CPU mit einer Kernspannung von 1,376 V bei einem Verbrauch von 179 W stabil auf 5,0 GHz zu betreiben.

Ob sich das Risiko und der Garantieverlust für die gesunkenen Temperaturen, den leicht gesunkenen Verbrauch und das leicht gestiegene Übertaktungspotential lohnen, muss im Endeffekt jeder Nutzer für sich selbst entscheiden. Eine allgemeingültige Aussage kann dazu an dieser Stelle erneut nicht getroffen werden.


Zum Abschluss dieses Artikels wollen wir die gewonnenen Erkenntnisse erneut mit den Ergebnissen und Erfahrungen unserer Leser und der gesamten Community vergleichen, denn diese ist ebenfalls schon kräftig am Übertakten und tauscht sich bereits auf über 200 Seiten im Forum über die erreichten Ergebnisse aus.

Die Eindrücke aus unserer Community bestätigen unsere Ergebnisse weitestgehend. Nahezu alle i7-7700k Prozessoren schaffen mit unter 1,4 V Kernspannung bis zu 4,8 GHz - auch mit eher schwächer dimensionierten AiO-Wasserkühlern oder Luftkühlern. Ab 4,9 GHz verweigerten die ersten Exemplare aber bereits ihren Dienst - zumindest wenn die Kernspannung unterhalb von 1,4V bleiben soll. Weiterhin spielt die Kühlung des Chips in diesem Bereich eine zunehmend wichtigere Rolle - eine sehr potente Luft- oder Wasserkühlung wird hier fast schon zur Pflicht. Alternativ können die Temperaturen natürlich auch, wie von uns im Laufe des Artikels untersucht wurde, durch das Köpfen/Deliding der CPU deutlich verbessert werden. Doch der Eingriff ist natürlich ein gewisses Wagnis und daher nur für risikofreudige Nutzer zu empfehlen.

Das Erreichen der magischen Grenze von 5 GHz, das viele Nutzer sicherlich sehr reizen wird, bleibt dagegen wohl ca. 35 % aller CPUs vorbehalten. Erneut spielt hier die Kühlung der CPU eine wichtige Rolle, denn je heißer die Chips werden desto mehr Spannung benötigen sie zum Erreichen des gewünschten Taktes. Einen noch höheren Takt erreichen dann sehr wenige Ausnahme Chips - und meist nur geköpfte Exemplare, die von einer sehr potenten Wasserkühlung auf Temperatur gehalten werden. Unter solchen idealen Umständen sind dann bei sehr wenigen CPUs bis zu 5,2 GHz zu erreichen.

Einen gewissen Einfluss auf die zu erreichenden Ergebnisse hat natürlich auch die Auswahl des Mainboards als Untersatz für die CPU. Speziell auf Overclocking ausgerichtete und optimierte Mainboards, wie das in diesem Artikel verwendete ASUS ROG Maximus IX Apex, begünstigen die Overclocking-Ergebnisse und erlauben das Erreichen desselben Taktes mit deutlich weniger Spannung, oder aber das Erreichen eines höheren Taktes mit derselben Spannung als günstigere Exemplare. Dies ist zum einen den verwendeten Bauteilen, der jeweils besseren und stärker dimensionierten Spannungsversorgung sowie optimierten UEFI Versionen geschuldet.

Ob sich diese Ergebnisse mit neueren Chargen bzw. den nächsten Großauslieferung in Bezug auf das Overclocking-Potential ändern werden, ist derzeit schwer abzuschätzen. Generell sieht es bisher aber tatsächlich so aus, als würden viele Chips der älteren Batches tendenziell besser laufen. Besonders hoch im Kurs der Community sind derzeit die Batches L643G214, L643G218 sowie L650D062.

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Abschließend wollen wir an dieser Stelle noch einmal die gewonnenen Erkenntnisse dieses Artikels in zusammenfassender Form rekapitulieren:  

Abschließende Erkenntnisse des Overclocking-Checks: