Seite 2: Grundlagen und Spannungen

Voltage Regulation und Loadline/LLC

Bereits zum Skylake Release hat Intel bekanntgegeben, dass der Fully Integrated Voltage Regulator wieder gestrichen wurde. Dies ist nach Kaby Lake nun auch bei Coffee Lake erneut der Fall. Die Mainboardhersteller sind also wieder gefragt eine passende (und für Overclocking Vorhaben jeglicher Art geeignete) Spannungsversorgung auf dem Mainboard unterzubringen. Die erreichbaren Übertaktungsergebnisse können sich daher je nach verwendetem Mainboard wieder deutlich stärker unterscheiden, als dies beispielsweise noch bei Haswell-CPUs der Fall war. 

Die geänderte Spannungsversorgung bedeutet im selben Atemzug aber auch, dass einige der Spannungen und Wechselwirkungen, die bei Haswell noch eine große Bedeutung hatten und das Overclocking verkompliziert haben, wieder entfallen. Dadurch wurde das Übertakten wieder ein gutes Stück einfacher, vergleichbar zu den älteren Sandy-Bridge- und Ivy-Bridge-Generationen. Weiterhin bedeutet dies, dass die Loadline mit Vdrop und Vdroop wieder 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 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 UEFI). 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 X Apex wurde die Loadline von ASUS wie folgt implementiert:

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

Daraus resultierende Werte:

  • LLC Level 0: 1,312 V im Idle (-12 mV "Vdrop") und 1,376 V unter Last (-64 mV "Vdroop")
  • LLC Level 1: 1,296 V im Idle (4 mV Vdrop) und 1,168 V unter Last (128 mV Vdroop) 
  • LLC Level 2: 1,296 V im Idle (4 mV Vdrop) und 1,200 V unter Last (96 mV Vdroop) 
  • LLC Level 3: 1,296 V im Idle (4 mV Vdrop) und 1,216 V unter Last (80 mV Vdroop)
  • LLC Level 4: 1,296 V im Idle (4 mV Vdrop) und 1,248 V unter Last (48 mV Vdroop)
  • LLC Level 5: 1,312 V im Idle (-12 mV "Vdrop") und 1,280 V unter Last (32 mV Vdroop) 
  • LLC Level 6: 1,312 V im Idle (-12 mV "Vdrop") und 1,344 V unter Last (-32 mV "Vdroop") 
  • LLC Level 7: 1,312 V im Idle (-12 mV "Vdrop") und 1,376 V unter Last (-64 mV "Vdroop")
  • LLC Level 8: 1,328 V im Idle (-28 mV "Vdrop") und 1,424 V unter Last (-124mV "Vdroop")

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. Die LLC Level 6 bis 8 sollte folglich, vor allem in hohen VCore-Regionen, vermieden werden.

Wie ASRock die Load Line Calibration bei Coffee Lake implementiert hat, haben wir anhand des ASRock Fatal1ty Z370 Gaming K6 überprüft:

skylake1s

Im UEFI eingestellt wurde erneut eine Kernspannung/VCore von 1,30 V eingestellt.

Daraus resultierende Werte:

  • LLC Level 1: 1,296 V im Idle (4 mV Vdrop) und 1,312 V unter Last (-12 mV "Vdroop") 
  • LLC Level 2: 1,296 V im Idle (4 mV Vdrop) und 1,216 V unter Last (80 mV Vdroop) 
  • LLC Level 3: 1,280 V im Idle (20 mV Vdrop) und 1,152 V unter Last (128 mV Vdroop)
  • LLC Level 4: 1,280 V im Idle (20 mV Vdrop) und 1,136 V unter Last (144 mV Vdroop)
  • LLC Level 5: 1,280 V im Idle (20 mV Vdrop) und 1,120 V unter Last (160 mV Vdroop)

Wie man sieht implementieren ASUS und ASRock die Load Line Calibration gegensätzlich. Bei ASRock entspricht LLC Level 5 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.

Relevante Spannungen

Wenden wir uns nun den relevanten Spannungen und deren Verwendung im vernünftigem Rahmen 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 in den Whitepaper zur 7ten Core-Generation (auch Coffee Lake wird mit selber Strukturbreite gefertigt) 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 ca. 1,4 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 sollte eine VCore von 1,35 V (und dies auch nur bei guter Kühlung der CPU) nicht überschritten werden. Und auch bei diesem Wert sollte man sich bewusst sein, dass die CPU einen Schaden nehmen und sich die Lebensdauer deutlich verringern kann. 

Weiter relevante Spannungen sind die VCCIO- und VCCSA-Spannungen, welche primär für den Arbeitsspeicher und dessen Takt sowie 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:

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 der Tests öfters beenden oder sollten nur einzelne Kerne aussteigen, empfiehlt sich ebenfalls ein Blick auf die Nebenspannungen.

Erneut verfügbar: AVX-Offset und entkoppelter BCLK

Ein Novum der Skylake-Plattform (und allen folgenden Plattformen, inklusive Coffee Lake) war, dass Intel den Referenztakt vom PCIe-Takt abgekoppelt hat. Diese ehemalige Kopplung führte in den meisten Fällen zu stark eingeschränkten Möglichkeiten des BCLK-Overclocking, welche sich je nach verwendeter CPU und Mainboard auf einen Spielraum von ca. 3-8 % beliefen. Der Referenztakt war vom PCIe-Takt nun also erstmals entkoppelt und der BLCK 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.

Der größte Vorteil dieser Änderung ist die Vielzahl an Möglichkeiten, mit denen der gewünschte Ziel-Takt erreicht werden kann. Ist der gewünschte Ziel-Takt beispielsweise bei einem CPU Takt von 4.500 MHz, kann dies zum einen durch einen 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 erlaubt auch das Erreichen 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, sein System etwas individueller übertakten zu können. 

Eine weitere Neuerung seit Kaby Lake, genauer der Z270-Mainboards mit Codenamen Union Point, ist der AVX-Offset. Diese Funktion reduziert automatisch den anliegenden Takt um einen eingestellten Wert, sobald Anwendungen Gebrauch vom AVX2 Instruction Set machen. Dies gibt den Nutzern mehr Flexibilität beim Stresstesten ohne AVX2-Extensions und bietet dann einen Fallback-Takt an, sollten Anwendungen doch von AVX2 Gebrauch machen - denn die Stabilitätsanforderungen bei Gebrauch der AVX2-Instructions sind meist um einiges höher, als dies bei Anwendungen der Fall ist, die diese Instructions nicht nutzen.