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GTC 2014: Fire and Ice - Overclocking und Undervolting im professionellen Bereich

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gtc2014Dass man sich selbst im professionellen Bereich mit dem Overclocking und Undervolting von GPUs beschäftigt, dürfte den wenigsten bekannt sein. Für eine Steigerung der Effizienz sind beide Ansätze aber durchaus auch für Server bzw. in diesem Beispiel für GPUs, die für das Computing verwendet werden, interessant. Ausgangspunkt soll das ohnehin schon gute Performance/Watt-Verhältnis aktueller GPUs aus dem Hause NVIDIA sein. Sprecher auf der GTC 2014 zu diesem Thema war Danny Price Postdoctoral Fellow am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics beschäftigt man sich mit der Radio-Interferometrie. Derzeit im Aufbau befindet sich das Square Kilometer Array. Dabei handelt es sich um eine Methode mehrere kleine Teleskope zusammenzufassen, welche eine Gesamt-Sammelfläche von ungefähr einem Quadratkilometer aufweisen werden. Extrem komplex sind die Berechnungen eines solchen Arrays, obwohl die eigentlichen mathematischen Zusammenhänge für moderne CPUs und GPUs relativ simple sind, da es sich nur um Multiplikationen von Zahlen handelt. Allerdings handelt es sich dabei um extrem viele Multiplikationen, die parallelisiert werden können. Üblicherweise werden die dazu notwendigen FPGAs speziell für diesen Einsatzzweck entwickelt. Bis ein finales System fertiggestellt ist, kann aber gut und gerne auch ein Jahrzehnt vergehen - ein in der Astrophysik kein unüblicher Zeitraum bei der Entwicklung von Hardware. Laut Danny Price verwendet man aber heute bereits Server mit eigenen FPGAs und NVIDIA-Grafikkarten, die in weniger als zwölf Monaten zusammengestellt und einsatzbereit sind. Bereits verwendet werden solche Korrelator-Server in Antennen-Systemen wie LEDA, PAPER und MWA.

Um die Effizienz dieser Systeme weiter zu steigern, experimentiert man mit dem anfänglich angesprochenen Overclocking und Undervolting. Dazu hat man sich ein System bestehend aus einem Intel Core i7-2600 und einer NVIDIA Tesla K20m geschnappt und die Grafikkarte mit einer Wasserkühlung bestückt. In der Folge wurden dann zahlreiche Messungen mit unterschiedlichem Takt und Spannung durchgeführt. Letztendlich kommt man zu einem wenig überraschenden Ergebnis, das in der Folge aber vielleicht Auswirkungen auf zukünftige Server haben könnte. Niedrige Temperaturen führen zu einer niedrigeren Leistungsaufnahme. Ein Overclocking ohne eine Erhöhung der Spannung sorgt für ein besseres Performance/Watt-Verhältnis - schafft man dies auch noch mit etwas Undervolting werden die Ergebnisse umso besser.

Zwar sind Wasserkühlungen für Server nicht unüblich, wohl aber die Anpassung der Hardware in Sachen Takt und Spannung. Eine gut abgestimmte Kombination aus Overclocking und Undervolting führte in den Tests zu einer deutlichen Erhöhung des Performance/Watt-Verhältnisses. Im Falle der Tesla K20m wurde dieses Verhältnis von 12,96 auf 18,34 GFLOPs pro Watt gesteigert - dies entspricht einer Steigerung von 41 Prozent. Für die aktuelle "Kepler"-Generation dürfte es aber kaum noch praktische Umsetzungen in diesem Bereich geben, da "Maxwell" ein Performance/Watt-Verhältnis von 16 GFLOPs pro Watt liefert, ohne das irgendwelche Modifikationen vorgenommen werden müssen. Somit wird man im professionellen Bereich zunächst einmal abwarten, was die zukünftigen Quadro- und Tesla-Karten zu leisten im Stande sind und sich dann noch einmal mit dem Overclocking und Undervolting beschäftigen.