处理器超频 曲折之路

《电脑爱好者》2019年第15期 2020-07-22 14:07专题 标签:超频 处理器

要说第一块让DIYer们开始接触超频的处理器,一般认为是英特尔在25年之前推出的486DX(图1)。这块处理器型号中的DX表示它是一款使用倍频设计的产品,因此在主板上出现了基础频率(外频)与倍频的设置,两者的乘积就是处理器的实际运行频率,这也构成了用户调节频率的基础条件,当用户处理器频率设置得超出默认频率时,超频的概念也就出现了。

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● 跳线超频 486时代

在早期的超频操作中,主频和倍频是需要在主板上调节跳线来选择的(图2),比如对于486 DX-50来说,可以将其25MHz的外频设置为33MHz,如果遇到一颗品质好的产品,就可以稳定运行在66MHz下,成为价格高出不少的486 DX-66;同样的,后来还有将486 DX-66超频为DX-80、485 DX4-100提升为DX4-120甚至133等操作,有些极品甚至可以超频两档。

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大量的跳线设计在如今的主板上已基本被淘汰了

当然,虽然现在看起来,这些几十MHz的超频只是小意思,但其相对幅度其实远超现在的大部分超频操作,而且超频方法比较复杂,因此一时不注意设置了不支持的组合或者超频过度的事情屡见不鲜。因为是硬件强制设置,所以处理器并不会自行降频、且关机重设需要一定的时间,也很容易造成硬件损伤。

● 极品处理器成就辉煌 赛扬和K7

486到奔腾时代的超频还是一些DIY老手的战场,一般用户没有能力也没有兴趣进行超频。不过随着英特尔和AMD两款产品的出现,局势突然发生了变化,超频第一次成为了大众话题,而且让超频活动和这两款处理器一样,疯狂了起来。

1997年,英特尔推出了一款现在看仍然显得非常特立独行的处理器——奔腾2(Pentium Ⅱ),这款产品一改传统的封装和接口,采用类似板卡封装方式和“单边接触式”(SECC)接口(图3)。从实用角度来说,是因为处理器频率较高,大容量二级缓存无法做到同频运行,所以索性独立出来,再将处理器与缓存集成在一块电路板上;而从商业角度来说,这实际上是将那些获得了x86授权的兼容厂商一口气甩脱的策略,只需要申请处理器插槽(SLOT 1)的专利,就能让这些兼容厂商无法继续跟踪英特尔的步伐。

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在奔腾2的设计中,有经验的超频玩家看到了一个新的希望,那就是异步运行的缓存。正如英特尔这种设计的初衷之一,无法跟上处理器频率的缓存在很大程度上成为了处理器频率提升的障碍。将缓存从处理器核心取出后,处理器的频率可以继续提升,当然超频能力也就得到了释放。奔腾2一出现,就有超频玩家开始通过调节缓存的异步运行倍率,例如从1/2降至1/3,来让处理器获得提升频率的空间,这一招相当奏效,加上当时的频率设置已经集成到主板BIOS中,很容易调节,使得超频成为高端用户的一个热门玩法。不过这还只是开始。

由于奔腾2的复杂,使其成本居高不下,那么低端市场怎么办?英特尔就推出了索性完全去掉外部缓存模块的处理器,并将其命名为赛扬(Celeron)品牌(图4),早期的两款赛扬分别为266MHz和300MHz。让人始料未及的是,由于完全不用再去考虑缓存倍率,而且频率设置较低但生产工艺已经比较好(此时奔腾2 400MHz已经可以稳定供货),所以相当多的赛扬核心实际也同样可以达到奔腾2核心的水平,完全是一顿免费的大餐。

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更重要的是,除了一些高端创作、办公软件之外,当时的二级缓存对大部分日常、娱乐应用的性能影响并不大,特别是主流用户喜爱的游戏、上网、影音娱乐等方面,超频到同等频率的赛扬与奔腾2表现几乎别无二致。

不过因为完全没有二级缓存,所以首批赛扬虽然游戏能力出色,但在办公等应用中的表现特别糟糕,还是会影响到很多用户的体验。不过随后,赛扬300A的出现彻底改变了市场。它将较小容量的二级缓存直接集成到了处理器内部,同时超频能力也不弱于之前的赛扬,甚至有人认为赛扬300A的默认主频就应该是400MHz~450MHz,超不上去才是小概率事件。

在容量虽小,但能同频运行的缓存支持下,超频到450MHz甚至更高的赛扬300A,在大多数日常应用中的体验与当时的旗舰产品奔腾2 450MHz相差无几,这当然引起了一轮超频狂潮。

其实在超频的辉煌时代,还有一场官方超频的大戏,那就是AMD的速龙(Athlon,K7核心)面世后与英特尔奔腾2、奔腾3展开的频率大战,特别是争夺首颗GHz处理器桂冠的战争(图5)。这次官方的频率大战几乎是将超频玩家的招数用了一个遍,比如降低缓存倍频、提升处理器散热能力、增加处理器电压……,将常用且有效的超频方式进行了一次充分的官方展示。

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最终,GHz争夺战以英特尔首先不稳定地冲线,AMD随后推出稳定的量产产品而结束。这次官方超频战虽然让DIYer包了眼福,但也引起了一个副作用,那就是官方对高频处理器的渴望,使得处理器的可超频空间被挤压,因奔腾2而起,以赛扬为主菜,中途加入了AMD速龙调剂的超频盛宴,也就逐渐结束了。

AMD的Athlon处理器既然能够与奔腾2和单边接触式的奔腾3争夺频率冠军,就说明它本身也是适合高频架构的产品,所以同样被很多用户拿来超频,且有一定的成绩。不过真正为很多超频爱好者念念不忘的K7架构超频神器,同样需要Athlon精简结构后才会出现。

● 特别的爱 龙之家族

单边接触式处理器封装现在看来是走了一段弯路,奔腾2的改进版奔腾3和Athlon新核心都重新回到了SOCKET封装之上,当然也都采用了将二级缓存容量适当减少,改为同频,并集成进核心的设计。

奔腾3的核心已经可以达到GHz频率水平(图6),不过为了主流用户的需求,大量品质较好的核心被标定为主打频率,因此造就了奔腾3 600MHz~700MHz等超频潜力出色的产品。

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相对于中规中矩的奔腾3及新赛扬,新形态的速龙及AMD的赛扬——钻龙(Duron,内地常根据读音称为“毒龙”)超频方式非常特殊,给人留下了更深的印象。这两种处理器同样采用了当时流行的On Die(FC-PGA)封装,其实就是直接暴露出最简封装的硅片层,所以周边用于安装针脚的基板就显得很空旷。在这片基板上会看到几组触点及它们之间的金属连线,其中不少是用激光切断的(图7)。很快,有些超频玩家就发现这些触点和连线其实就是新一代的频率调整“跳线”,速龙和钻龙的基础频率、倍频等是通过金属触点之间的导电与绝缘(切断连线)的组合决定的。而要改变频率最简单的方法就是找到相应的设置方法,然后连通这些金属触点(图8)。

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于是,在那一时期用铅笔超频成为了非常有趣的风景线,这是因为铅笔芯中的石墨是比较好的导体,只需很方便地画线就可以地让触点之间重新导电,而且尝试失败还可以很方便地擦掉。此外一些厂商把原先用于一些专业领域的导电笔(图9)也推向了超频市场。

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虽然现在看来,On Die封装的处理器和单边接触式的封装一样,都是并不成功的尝试,但这一代处理器在超频方面的影响持续至今,例如广泛“锁频”的处理器、高频和超频内存、为超频优化的散热器设计等。其中锁倍频逼迫超频玩家开发出了铅笔超频法,也因为超外频对内存的影响,让超频者开始关注内存的频率问题。而超频散热器则不仅需要提供更好的散热能力,还因为这一代处理器直接暴露出脆弱而小巧核心的封装方式,使得散热器必须设计更科学、做工更精细、材质更合理,才能通过很小的接触面积快速转移热量,同时又不会压坏脆弱的核心,所以产生了如铜柱或铜底散热器、底部抛光工艺、热管散热器、蜗式散热片(图10)、侧风扇设计等众多延续至今的方案。

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● 繁华散去 奔腾4与K8

也许是在频率方面的竞争失败对英特尔的刺激比较大,它其后推出了全新的NetBurst架构处理器奔腾4(图11),起始频率很高,频率提升也很快。而AMD也在成功的K7架构后,推出了效率出色的64位处理器架构K8(图12)。这两个处理器架构本身都是适合高频率运行的,但因为普遍锁倍频的原因,使它们只能靠提升基础频率来超频,而这种设置会直接影响到内存、北桥的频率,因而危险性大增,成功率锐减。

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当然,在频率大战仍历历在目的时代,超频仍然有其独特的魅力,无论是AMD推出的黑盒版不锁频产品(图13),还是奔腾4不断刷新的超频记录,都仍然是厂商能力和架构优势的表现方式。

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● 官方超频 新超频时代

从英特尔酷睿2处理器开始,一种官方超频方式被引入了频率设置之中。在温度和功率未达到一定的指标时,处理器或其中的一些核心会尝试提升频率,而不是“死守”在标准频率之下(图14)。这一技术也被后来的智能酷睿(酷睿i)处理器吸收,即睿频(Turbo),并且被AMD锐龙处理器所借鉴,即Boost频率。

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目前主流的处理器——英特尔智能酷睿和AMD锐龙,在用户超频方面的设计有明显区别。英特尔的大部分智能酷睿处理器完全不允许用户自行调节频率,但推出了一些专门放开频率调节能力的K系列处理器,并且必须搭配顶级的Z系列芯片组主板才能进行超频。而AMD处理器则全面支持超频,且除了最低端的A系列芯片组外,所有主板都可进行频率调节。

为何英特尔在智能酷睿架构中这样严格地限制用户自行修改频率呢?这与其结构有关,智能酷睿采用的QPI总线并非传统的基础频率,而是会随着处理器频率变化的。所以改动处理器频率的时候,处理器的总线频率及相应的内存频率等也都会受到影响,造成不稳定。此外第二代智能酷睿开始普遍配置的核芯显卡频率也会受到处理器频率影响,因此成了超频的一大限制因素。

在主流DIYer逐渐远离用户自主超频的今天,AMD和英特尔先后推出的智能超频工具又给了喜欢自行动手的超频爱好者一个打击。AMD的PBO全称为Precision Boost Overclock(精细增压超频),是面向品质较好的X系列处理器的一种自动超频工具,在温度未达到危险程度的情况下,它会破除处理器的功率墙,通过对电压、频率的自动精细调整,为用户提供超频运行频率。

英特尔则在最近推出了“英特尔性能最大化”(Intel Performance Maximizer)软件(图15)。其工作方式与AMD PBO有些相似,会根据处理器型号(图16)、体质、散热情况,自动调节频率和电压,以期达到最高同时也最稳定的工作频率。

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针对不同的型号,英特尔性能最大化软件有不同的版本

睿频与Boost频率已经让超频变成了鸡肋,除了AMD与英特尔的“原厂”自动超频工具之外,华硕等主板厂商也提供了自动或半自动超频工具。这些能自动榨干CPU超频能力的官方超频软件更是让手动超频变成了一种吃力、危险而受益不大的活动。缺乏超频的乐趣与收获,让今天成为了一个既全民超频(官方超频),又无人超频的年代。当然液氮极限超频一类的高手炫技、厂商宣传活动仍然存在,但对普通用户来说显然已经缺乏实际使用意义了。