Overclocking Hakkında Bilinmeyenler ve Riskler

Overclocking Hakkında Bilinmeyenler ve Riskler

Overclocking, çalışması için bir saat sinyaline ihtiyaç duyan bir elektronik devreyi tasarımı ve testi sonrasında üreticisi tarafından güvenli olarak belirtilmiş maksimum saat frekansının üzerinde çalıştırmaktır. PC dünyasında overclocking denildiğinde ise, bu tanımdaki elektronik devrenin yerini PC’yi oluşturan birden fazla devre ya da komponent alabiliyor. Bu komponentler genelde ya işlemci ya ekran kartı, ya RAM ya da yonga setini oluşturan entegre devreler oluyor. Bu tanımdan sonra akla gelebilecek ilk soru şu olabilir: “Üreticisi bir üst sınır belirtmişse nasıl oluyor da bu sınırın ötesine geçip devreleri çalıştırabiliyoruz?”. Bu soruya cevap verebilmek için elektronik devrelerin çalışma prensiplerini ve üreticinin devrenin çalışma frekansının üst sınırını nasıl belirlediğini bilmek gerekiyor.


Barton çekirdekli AthlonXP 2500+




Devre tasarımcıları için en önemli değişkenler besleme gerilimi (voltaj) sıcaklık ve fabrikasyon parametreleridir. Bu değişkenler devrenin çalışma hızını, yani frekansını belirler. Elektronik devrelerin yapı taşları olan transistörler yüksek besleme voltajını ve düşük sıcaklıkları severler. Bu şartlar sağlandığında daha hızlı çalışırlar ve dolayısıyla da devre daha yüksek frekanslarda çalışabilir. Besleme voltajı sistemdeki yük miktarına, sıcaklığa ve güç kaynağının kalitesine gore belli bir değer etrafında belli bir tolerans aralığında salınır. Sıcaklık da, besleme voltajı gibi yük miktarına ve kasanın soğutma sistemine bağlı olarak belli değerlerde salınır.


Diğer değişkenimiz olan fabrikasyon parametreleri ise tasarımcının ya da kullanıcının kontrolünde değildir. Doğası itibariyle rastgele bir prosestir (random process). Aranızdan olasılık teorisine aşina olanların bilebileceği gibi rastgele proseslerin belirli dağılım fonksiyonları vardır. İşte mikroelektronikteki fabrikasyon prosesleri normal bir dağılıma sahiptir. Uzun lafın kısası fabrikasyon parametrelerini önceden kesin olarak tahmin etmek mümkün değildir ancak ortalama değerlerini ve bu değerden olabilecek sapmalarını (standart sapma) hesaplamak mümkündür. Yani aynı devre aynı fabrikada işlendiğinden, farklı silikon waferları üzerindeki transistörler birgün hızlıyken, ertesi gün yavaş çıkabilir. Bu bahsettiğimiz rastgeleliğin bir sonucudur ama bu sapmalar elbette mantıklı sınırlar içindedir. Buna bir örnek olarak AMD’nin ya da Intel’in aynı mimariye ve tasarıma sahip ancak farklı frekanslarda satılan işlemcilerini verebiliriz. Mesela AMD Athlon XP 1700 ve XP 2100’ü ele alalım. AMD’nin yaptığı üretilen çipleri aynı voltaj ve sıcaklıkta teker teker test etmek yani çekirdeğe her birinin maksimum çalışma frekansını belirlemek ve üstlerine bunu belirten bir etiket basmaktan ibaret. Yani AMD, XP 2000 için ayrı XP 1700 için ayrı tasarım yapmıyor. Çekirdek aynı, ancak fabrikasyon sonrasında çiplerden birinin şansı daha yaver gitmiş ve bahsettiğimiz rastgele dağılım içinde daha hızlı bir noktaya düşmüş. İşte bu yüzdendir ki tasarımcı işin doğasında olan bu rasgeleliğin getirebilecegi sürprizlerden korunmak için tasarımına bazı güvenlik marjları diğer bir deyişle toleranslar ekler. Örnek olarak 1.6V besleme voltajı ve 70 derece çekirdek sıcaklığında test edilerek 2 GHz’de güvenli olarak çalışabileceğine karar verilmiş ve ona gore etiketlenip satışa sunulmus bir işlemci 1.8V besleme voltajında ve iyi bir soğutmayla çekirdeği 30 derecede tutulduğunda rahatlıkla 2.2 GHz frekansında güvenli olarak çalıştırılabilir.


İşte overclockingin temelinde yatan ve onu mümkün kılan prensipler bunlar. Gelelim aldığımız risklere.


Overclocking Yaparak Hangi Riskleri Göze Alıyoruz?


Mikroelektronik sektöründe tasarım ve üretim yapan firmaların üretim sonrası testlerden elde ettiği ölçümler ışığında, her çip için güvenli voltaj, sıcaklık ve frekans çalışma aralıklarını belirleyip kılıf üzerinde bunu belirtmesindeki amaç, fonksiyonel olarak güvenilirliğin yanı sıra çipin uzun vadede ömrünü de belirli bir değerin üzerinde tutmaktır. Her elektronik parçanın tıpkı otomobildeki mekanik parçalar gibi yıpranmadan dolayı bir ömrü vardır. Elektronikteki yıpranmanın sebebi aslında yine mekanik sebeplere dayanır ancak burada hareket halinde olan dişliler ya da pistonlar değil, elektronlardır. Elektronların hareket kabiliyeti, çiplerin yapı taşları olan transistörlerin iletkenlikleri kontrol edilerek ya arttırılır ya da azaltılırak tamamen engellenir. Bu sayede, 0 ve 1 diye tabir ettiğimiz mantık seviyeleri gerçeklenir.






İdeal olarak bir transistor ya açıktır ve üzerinden belli bir elektron hareketine yani akıma izin verir, ya da kapalıdır ve üzerinden hiçbir elektronun hareketine izin vermez. Pompalanan akım değeri voltajla orantılıdır; yani besleme voltajı artarsa akım da artar. Açık oldukları durumda izin verebilecekleri akım transistörün fiziksel boyutlarıyla orantılıdır. Normal olarak bu akım değeri arttıkça transistor daha hızlı çalışır. Transistörleri, içlerinden su pompalanan vanalara ve elektronları da suya benzetebiliriz. Ne kadar hızlı su pompalanırsa, yani akım arttırılırsa, belli bir süre içinde o kadar fazla su, yani elektron bir yerden bir yere taşınır; yani daha cok iş yapılır ve daha hızlı çalışma sağlanır. Belli bir değerden fazla akım geçirilmeye zorlanırsa transistörün iletkenliği doymaya başlar ve hız artışı kesilir. Artan akımla beraber elektronların maruz kaldığı sürtünme de artar, güç tüketimi artar ve açığa çıkan ısı, çipin sıcaklığını normal seviyelerin üzerine taşır. Yüksek sıcaklıklar ve yüksek akım değerleri transistörlerin performansını düşürdüğü gibi, iletken ****l hatların da elektron göçü (electromigration) denilen fiziksel olay sonucu yıpranmasını hızlandırır. Bunun yanında yüksek sıcaklıklarda elektronların silikon içindeki hareket kabiliyetleri, diğer bir deyişle mobiliteleri azalır ve sistemin hızının doymasına, hatta azalmasına sebep olabilir. Tıpkı vana örneğinde olduğu gibi bu akım değeri daha da artarsa vana ve borular bunu kaldıramaz ve sistemdeki yıpranma artar, vana (transistör) ve borular (****l hatlar) hızla aşınır ve bozulmaya uğrar, sistemin ömrü kısalır ve sonunda bir anda sistemde kalıcı hasarlar oluşmaya başlar. Devreler, normal çalışma koşullarında (voltaj ve sıcaklık) bu akım değeri hiçbir zaman normal ve emniyetli seviyelerin üzerine çıkmayacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak overclocking amacıyla çipin besleme voltajı normal seviyesinin üzerine çıkarıldığında ve yeterli soğutma sağlanmadığında yukarıda anlatılan senaryo gerçekleşir. Güç tüketimini belirleyen en etkili unsur voltajdır. Güç tüketimi besleme voltajının karesiyle orantılıdır. Mesela voltaj 1.6V tan 1.8Va çıkarıldığında (%13) güç tüketimi ((1.8^2-1.6^2)/(1.6^2)*100)=%27 artar.


Voltaj ve sıcaklığın artmasının yanı sıra frekansın arttırılmasının da olumsuz yan etkileri vardır. Yüksek frekanslarda ortalama güç tüketimi artar ve yeterli soğutmanın olmadığı durumlarda sıcaklık da yükselir. "Ortalama güç tüketimi frekansla nasıl artar?" sorusu akla gelirse bunun cevabı biraz daha karışıktır. Güç tüketimi denildiğinde bunu iki gruba ayırmak mümkün : Durağan (statik) ve dinamik. Her çipin hem dinamik hem de durağan güç tüketimi birleşenleri bulunur ve güç tüketimi denildiğinde basit olarak bu ikisinin birleşkesi kastedilir. Voltaja bağlı olan güç tüketimi durağandır, yani doğru akımlardan (DC) kaynaklanır. Frekansa bağlı olan birleşen ise dinamiktir, yani doğru akımların aksine zaman içinde değişik değerler alan akımlardan kaynaklanır. Bunu basit olarak bir kapasitorü doldurma ve boşaltma olayı olarak açıklayabiliriz. Her saat darbesinde çip üzerindeki kapasitörler kısa bir süre içinde dolar ya da boşalır ve bu kısa süreler zarfında dinamik güç tüketimi gerçekleşir. Saatin frekansı arttığında saat darbelerinin, yani doldurma boşaltma işleminin sıklığı artacağından, ortalama dinamik güç tüketimi dolayısıyla da toplam güç tüketimi artar.



Kaliteli ve pahalı: Zalman'ın 400W'lık güç kaynağı 115$'lık etikete sahip.


Toplam güç tüketimindeki artmayla beraber güç kaynağının yükü artmış olur. Talep edilen gücün artışı, dolayısıyla pompalanması gereken akım miktarındaki artış güç kaynağının çıkışlarını istenilen voltaj değerlerinde tutmasını, yani voltaj regülasyonunu zorlaştırır. Burada etkilenen sadece kasadaki ana güç kaynağı değil aynı zamanda anakart üzerinde yer alan ve kasanın güç kaynagından aldığı gücü (genellikle +12V) işlemciye çok daha hassas ve kontrollü bir şekilde iletmekten sorumlu olan voltaj regülasyon modülüdür (VRM). VRM’ler genel olarak güç MOSFET’leri denen büyük ve yüksek akım kapasiteli transistörler ve bunları kontrol eden bir entegre devreden oluşur. Kullanım amaçları ise işlemcilerin besleme voltaj konusunda çok daha hassas olmalarıdır. Ana güç kaynağındaki çıkışlarda istenilen regülasyon ya da tolerans %5-10 arasında olduğu halde, bu değer işlemci voltajı için %0.25 gibi çok daha hassas bir değerdir. Bu yüzden işlemciler ana kaynaktan direkt beslenmek yerine, araya konulan VRM üzerinden beslenirler. Bu noktada ana güç kaynağı ve anakart üzerindeki VRM’nin kalitesi devreye girer. Ana güç kaynağı ve VRM, yapılarında endüktörler transformatörler, kapasitörler işlemcilere benzer entegre devreler ve çok büyük güç transistörleri (power MOSFET) içerirler. Talep edilen güç arttıkça bu yapılardan beslenmesi gereken akımlar da artar ve biraz önce bahsettiğim problemler oluşmaya başlar. Artan güç talebiyle birlikte güç kaynakları ısınır. Isınma sonucu ortaya çıkan sıcaklık artışı önceden ifade ettiğimiz gibi bu MOSFET’lerin ve diğer devre elemanlarının performanslarını düşürür. Bu sorunların önüne geçmek amacıyla çok fazlı (multi-phase) VRM devreleri tasarlanmıştır. Günümüzde anakartlarda artan güç talebi karşısında 2-fazlı VRM’ler dahi kimi durumlarda yeterli olamamaya başlamış ve 3-fazlı 4-fazlı (Gigabyte'ın güncel anakartlarında 6-fazlı) VRM tasarımları görülmeye başlanmıştır.


3-fazlı VRM tasarımı

Faz sayısı arttıkça kullanılan güç MOSFET’lerinin sayısı da artmakta, daha fazla sayıda MOSFET gerektirdiğinden maliyetin artmasıdır. Burada önemli olan diğer bir nokta da böylece yapılması gereken iş daha çok MOSFET arasında paylaştırılarak voltaj kontrolü kolaylaştırılmaktadır. Faz sayısındaki artış voltaj regülasyonunun kalite ve hassasiyetine yardımcı olmakla kalmayıp toplam gücü daha fazla sayıda MOSFET arasında paylaştırarak ortaya çıkan aşırı ısınmayla ilgili problemlerin de önüne geçmektedir. Faz sayısındaki artışın tek dezavantajı ana güç kaynağı ve VRM’de kullanılan toplam kapasite değerleri ile transformatör ve endüktörlerin kalitesidir. Voltaj regülasyonunun kalitesi, kullanılan kapasite değeriyle orantılıdır. Yani büyük kapasite değerleri (=fazla sayıda kapasitör) kullanılarak voltajdaki oynamalara direnmek daha kolaydır. Genellikle faz sayısı arttıkça belirli bir regülasyon için gereken toplam kapasite değeri, dolayısıyla kullanılması gereken kapasitör sayısı azalmaktadır. Üreticiler ise daha fazla MOSFET kullanımıyla artan maliyeti dengelemek için daha az sayıda kapasitör gerekmesini bir avantaj olarak görerek kapasite değerinde azaltmaya gitmektedirler. Dolayısıyla her 3 ya da 4-fazlı VRM 2-fazlılara göre daha başarılı regülasyon yapar sonucuna varmak doğru olmaz. Overclocking zaten güç kaynağı için ekstra bir yük ifade ettiğinden, gerekli olan ekstra toleransı elde edebilmek için ideal olarak olması gereken toplam kapasitör değerini daha az sayıda fazlı bir tasarımla aynı tutmakla birlikte soğutma amaçlı fan ve heatsinklere yeterince yer vermek ve kaliteli (=ağır) transformatörler kullanmaktır. Bu yüzdendir ki kaliteli güç kaynakları daha fazla komponent heatsink ve fan içerirler, daha kaliteli transformatörler kullanırlar ve dolayısıyla daha ağır, cüsseli ve pahalı olurlar. Güç kaynağı seçerken bilinmesi gereken önemli bir kural : Güç kaynaklarının kalitesi ağırlıklarıyla orantılıdır.


Kingston HyperX: Ülkemizdeki en kaliteli belleklerden.




Bazı anakartlarda CPU, RAM ya da FSB frekansı arttırıldıgında AGP ve PCI veriyolarının saat frekanslari da paralel olarak artabiliyor; dolayısıyla bu kartlarla ilgili stabilite problemleri yaşama riski de yükseliyor. Güncel yonga setlerinin bazılarında bu sorunun önüne geçilmiş gözüküyor. Örneğin AMD platformu için üretilen nForce2 yonga setinin AGP ve PCI hızını sabit tutabilme özelliği mevcut. Bu durum, overclockçular için önemli bir avantaj.