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詳細解讀電腦超頻的五大害處

發布時間:2016-08-12 17:48:17  來源:本站整理

中央處理器(CPU)從本質上說是信號處理器,將來自鍵盤、硬盤或者其它設備的信號由輸入針腳送至CPU核心,經過指定變換處理,轉換成所需信號,再由輸出針腳送至內存,顯卡或其它設備。

CPU處理信號的快慢,即CPU性能的高低一直以來是人們關注的焦點,可以說CPU的發展史實際上也是一部CPU的性能增長史。根據CPU性能=IPC(每時鐘周期執行的指令數)×頻率(MHz)的公式,單獨提升IPC、主頻,或同時提升兩者都可使處理器的性能得以提升。因此CPU的內部架構和運行頻率一直都是中央處理器的重要特征。對于消費者來說,無法改變CPU的內部結構設計以提升IPC,因此提高CPU的運行頻率就成了人們獲得額外性能的唯一方法。這也就是超頻行為的由來和出現的必然性原因。

最早的超頻記錄為Amiga 500的Motorola芯片從9MHz超到12MHz,英特爾80286從8MHz超到12MHz。但那時的超頻行為是個別技術高手才能做的事情,需要用烙鐵更換主板上的晶振來改變頻率。真正超頻作為一種大眾行為開始普及——幾乎人人可做,Intel公司于1998年推出的賽揚300A處理器功不可沒。這款可以輕松將主頻和性能提升50%的處理器成為超頻史上經典中的經典,也將超頻和CPU緊緊聯系再一起。

超頻 并非僅僅為了性能

此后,超頻不僅僅成為一種獲得提升性能的有效方法,也成為大眾玩家競相為之的時尚行動。何種產品好超,可以超到多少等等問題開始各大論壇上的熱門話題,甚至于為什么無法超頻的問題成為電腦醫院的長期客戶。相互攀比的結果進一步刺激了超頻行為,進而開始產生各類成績的排行榜,比如CPU超頻幅度排行、SuperPI 百萬位成績排行 和3DMark成績排行榜等等。還出現了一些以超頻為宗旨,企圖或者已經混跡于各類排行榜的電腦玩家。超頻行為也成為一部分人滿足心理需求的重要手段。

由超頻行為逐漸聚集起的龐大消費群體所引發的需求也漸漸衍生出為超頻服務的技術、產品和行業。為超頻而生的硬件和軟件層出不窮,極品CPU、超頻主板、散熱器、導熱材料、制冷設備、測溫設備、自動手動超頻軟件、穩定測試軟件,性能測試軟件等等等等。而相應產品所造就的經典也應運而生,Barton2500+、CIII 1.0、升技NF7、磐正8RDA3+、Alpha8045、SuperPI、SpeedFan、Prime95等等早早成就英名。相應的軟硬件使用教程和經驗交流更是紛紛印刷成冊,擺上柜臺。CPU、主板、內存、散熱器等等產品的測試中,超頻幾乎成了各網站不可缺少的部分,儼然已經成為人們選擇產品的一項重要標準。

時至今日,超頻已經不僅僅是一種單純的個人愛好,從它成為一種大眾娛樂行為的開始,就注定會要成為商業行為的下一個占領地。超頻不但成為硬件產品引人關注的賣點,也成為硬件廠商以超頻極限之高來顯示自己技術實力的手段。更重要的是,超頻給商家帶來了更多的軟硬件消費和心理消費的市場空間。消費者從超頻中獲得實惠,選擇自認為超值的產品。而生產廠家則以超頻為市場出售更多的產品賺取利潤、建立品牌。而媒體的評測也有更多內容可寫,最終引來更多的人氣和收入。在電腦市場的需求、供給和引導的市場環節中,超頻帶來的效應可謂皆大歡喜,最終在一種良性循環中蔚然成風。


超頻 怎樣才算成功?

說了這么多超頻的好處,反而讓人搞不清楚了什么是超頻。簡單的說,超頻是一種行為,人為的使集成電路以超過額定工作范圍的頻率運行。除了CPU以外、內存芯片、顯卡芯片、硬盤芯片、主板芯片等等都可以超頻使用。為了方便說明,本文僅以CPU為例詳細介紹有關超頻的一些問題。

那么怎樣才能算是超頻成功呢?這個問題因人而異。確切的說,是根據超頻者的需求不同而不同。有部分人超頻是為了探明CPU在某種極限條件下能夠運行的最高頻率,或者為了追求一個前所未有的極限數字。對他們而言,CPU并不需要在這種條件下工作太久,也不用去完成很苛刻的工作任務。哪怕CPU只能正常工作幾分鐘,能夠進入WINDOWS系統正確顯示當前運行的頻率,甚至于僅僅能夠點亮系統在BIOS自檢畫面中出現一個期待的頻率數字,對于他們來說,都算是超頻成功了。

但是對于大多數人來說,沒人愿意在玩游戲正投入的時候因為死機而中途退出;也沒人愿意在圖形渲染到一大半的時候因為運算出錯而不得不重新開始;更沒人愿意正要對網戀的MM傾訴表白的時候因為硬件燒毀而錯失機會。因此,能讓處理器長期穩定運行而不影響到工作的正常完成是超頻成功的先決條件,即人們常說的”穩定壓倒一切”。對于以應用為主要目的的人來說,超頻不是一種必須行為,一切影響到實際使用的超頻行為也都是不成功的。

超頻失敗通常表現為以下幾種現象:藍屏,非法操作,運算出錯,窗口無端關閉,CPU占用率過高,程序無響應,畫面定格,黑屏,自動重啟,無法開機等等。

有的人會問:我超頻以后運行了SuperPI和3Dmark等測試軟件沒有任何問題,但是玩游戲久了會死機,這算是超頻成功嗎?其實這是典型的一種不成功的表現,因為它沒有滿足長期穩定這個條件,并且影響到正常使用。測試軟件一般運行的時間比較短,大多在10分鐘之內,通過測試只代表能在短時間內穩定工作,并不意味著超頻成功。而這種失敗大多是因為散熱不好熱量逐漸積累而最終溫度過高。

相反,有人會問:我超頻以后無法通過各種測試,但是我平常只用來打字聽音樂,并且沒有出現任何問題。這樣算是超頻成功嗎?盡管打字聽音樂可能并不需要去超頻就能很好的完成,但是我不能不說,恭喜你超頻成功。

也就是說,超頻是否成功,并不是以通過測試程序為標準,而是以自己的正常使用為標準。超頻的目的是為應用服務,而不是為測試服務。很多人對這種說法并不贊同,他們在追求的是一種絕對穩定。對于沒有通過他們認為的嚴格測試的超頻行為十分不齒。在這里我想說的是,在Tom’shardwear里進行的連續數天超長超負荷穩定測試的存在,也許會讓更多的人對你所謂的“穩定”超頻而不齒。穩定沒有絕對,只有相對。甚至于說,超頻是一種唯心的行為,你真的認為成功了,它就成功了。

超頻后果一:CPU功耗增加

現在所有CPU的芯片都是由CMOS(互補型金屬氧化物半導體)工藝制成。CMOS電路的動態功耗計算公式如下:

P=C×V2×f

C是電容負載,V是電源電壓,f則是開關頻率。

因為超頻帶來的CPU頻率的增加,會造成動態功耗隨頻率成正比增長。而在超頻的過程中,為了讓CPU能夠工作在更高頻率上,常見的手段之一就是加電壓。而這更加快了功耗增長的速度。

假設一塊額定頻率為1GHz、額定電壓為1.5V的CPU其動態功耗為P0 。經過超頻以后,工作電壓加壓到1.65V,穩定運行在 1.3GHz ,此時其動態功耗為P1。因為CPU制成以后,其電容值C也就基本固定,可以看作常量,也就是說超頻前后的電容值C相等。

可以得到: P0 = 1.5 ×1.5×1 ×C = 2.25C (W)

P1 = 1.65×1.65×1.3×C = 3.54C (W)

兩式相除得到: P1/P0 = 3.54C / 2.25C = 1.573

此式的意義是,這款超頻后的CPU較未超頻時,其動態功耗增加了57.3% ,因為對CMOS電路來說,靜態功耗相對于動態功耗較小。因此其動態功耗的增長率近似為CPU總功耗的增長率。也就是說假設原來的CPU額定功率僅為60W,經加壓超頻后此時也將達到近95W ! 如果不更換更好的散熱設備,將不可避免的引起CPU工作溫度的上升。當處理器溫度超過最大允許值,輕則無法正常工作,嚴重則導致CPU燒毀。


超頻后果二:電遷徙

在前些年在提及超頻后果的時候,經常會提起電遷徙(有人稱為電子遷移)造成的危害。在半導體制造業中,最早的互連金屬是鋁,而且現在它也是硅片制造業中最普通的互連金屬。然而鋁有著眾所周知的由電遷徙引起的可靠性問題。

由于傳輸電流的電子將動量轉移,會引起鋁原子在導體中發生位移。在大電流密度的情況下,電子不斷對鋁原子進行沖擊,造成鋁原子逐漸移動而造成導體自身的不斷損耗。在導體中,當過多的鋁原子被沖擊脫離原來的位置,在相應的位置就會產生坑洼和空洞。輕則造成某部分導線變細變薄而電阻增大,嚴重的會引起斷路。而在導線的另一些部分則會產生鋁原子堆積,形成一些小丘,如果堆積過多會造成導線于相鄰導線之間發生連接,引起短路。不論集成電路內部斷路還是短路,其后果都是災難性的。電遷徙或許是集成電路中最廣泛研究的失效機制問題之一。

超頻的結果會使通過導線的電流增大,引起的功耗增加也會使芯片溫度上升。而電流和溫度的增加都會使芯片更容易產生電遷徙,從而對集成電路造成不可逆的損傷。因此長期過度超頻可能會造成CPU的永久報廢。

曾經有人這樣反映:CPU超頻到某個頻率后,經過近一年的使用一直都很穩定。但是后來有一天就發現了CPU已經無法在這個頻率上繼續穩定工作。造成這種現象的原因,很可能是過度超頻而散熱措施不好,盡管CPU體質不錯,在較高的溫度下也能超到一個較高的頻率。但是惡劣的工作環境和超負荷的工作讓CPU內部發生嚴重的電遷徙。雖然沒有造成短路或者斷路,但是導線已經嚴重受到損傷,導線電阻R增大,最終引起布線延時RC(和布線電阻和布線電容有關)增加,導致時序錯亂影響CPU正常工作。

一方面CPU集成的晶體管密度的不斷提升,造成芯片中的導線密度不斷增加,導線寬度和間距不斷減小;另一方面CPU頻率不斷提升,功率逐漸加大而電壓卻在減小。CPU運作需要更細的導線去承載更大的電流,鋁互連的應用日益受到挑戰。因此更低電阻的銅互連將在集成電路的設計和制造中逐步取代原有的鋁工藝。

很重要的一點是,銅具有良好的抗電遷徙的特性,幾乎不需要考慮電遷徙問題。而目前市面上出售的CPU基本都已采用銅互連工藝。在AMD的Athlon(Thunderbird核心)和Intel的P4(NorthWood核心)發布以后的CPU都采用了銅互連技術,因此大多數人可以不必再為電遷徙而過于擔心。

超頻后果三:信號變差

前面說過,CPU是信號處理器,主要功能是對數字信號進行處理,其主要工作單元為由晶體管組成的門電路。下圖是CMOS集成電路中的一個最基本電路——反相器,其它復雜的CMOS集成電路大多是由反相器單元組合而成。

理論上,CMOS門電路輸出的數字信號(也是下一級門電路的輸入信號)理想波形的上、下沿都是嚴格垂直的,從高電平跳變到低電平是突變的,不需要時間。

但是,實際上任何實物集成電路最終的性能都不可能完全達到理論指標。CMOS門電路輸出波形也不是嚴格理論上的”方波”,在電壓跳變的過程中,不但輸出電壓不是嚴格垂直,而且還需要耗費一定的時間。

Δt是指從高電平到低電平所需要的時間。這是因為CMOS門電路中幾乎無處不在的寄生電容和寄生電阻。而電容器件最重要的一個特性就是,不允許電容器兩端的電壓突變,而必須有個上升或者下降的過程。只要有寄生電容的存在,Δt的存在就不可避免。通常,寄生電容的主要有以下幾種:1)作為輸出的晶體管的結電容;2)作為上級負載的下一級輸入的晶體管的結電容;3)傳輸導線之間和晶體管之間的電容。

寄生電阻和寄生電容越小,高低電平的轉換時間Δt在整個信號中占據的百分比越小,實際輸出的波形也就越接近于理想波形,集成電路的電氣性能就更優秀。它們只能通過制造工藝的提高去減小,而不可能完全消失。高k柵介質(High K gate Dielectric)、SOI工藝絕緣體上硅芯片技術(Silicon On Insulator)、“Low-k”低介電常數絕緣體技術等技術都是為了減小CPU中寄生電容采用的方法,而銅互連則有效減小了CPU中寄生電阻。然而不容樂觀的是,隨著集成密度的提高,線寬越來越窄,導線之間和晶體管之間的距離越來越近,晶體管柵極層厚度越來越薄,這幾年CPU寄生電容和電阻的增加已經成為CPU制造技術中最難又最亟待解決的問題。

超頻的CPU會使信號波形變的更差。因為CPU成品以后,其電容和電阻值都為常數,晶體管的各項參數也已經固定。在信號電壓值不變的情況下, 信號高低電平的跳變所需要的時間也不變。但是頻率的提高會使信號寬度 (占用的時間)變短,最終造成波形進一步惡化。

可以看見,超頻以后的信號更加“非理想化”,電平電壓不變的時間ΔT逐漸減小,給信號的辨認造成困難。當頻率增加過高.門電路還未達到最高電平和最低電平的電壓要求值就開始“跳變”。波形嚴重失真,并且可能造成信號達不到下一級門電路的觸發電壓而使整個CPU無法工作。通常,這種過度超頻會造成電腦根本無法啟動、黑屏等故障。

超頻后果四:抗干擾能力減弱

對于大多數超頻使用者來說,會有一個理智超頻的過程,所以很少會超頻到電腦無法啟動或者黑屏,更常見的超頻后果是造成系統不穩定。CPU在工作過程中死機,重新啟動,或者運算出錯等等都是不穩定的表現。

既然能夠開機工作,說明至少信號波形還沒有達到下級電路無法識別的地步,為什么不能夠穩定運行呢?這就牽扯到抗干擾能力的問題。

如果CPU在超頻以后能夠順利啟動,如果在沒有外界的干擾,那么做好散熱以后,它就能穩定工作。但是CPU是工作在一個不斷變化的環境中,有很多來自于外界電子噪聲的影響。CPU在超頻以后,更高頻的信號周期時間更短,超頻之前影響不大的干擾信號,在CPU工作在更高頻率的時候,可能會變成CPU無法正常工作的罪魁禍首。

可以看到,超頻以后的有用信號(紅)由于頻率高,周期短,有效高電平時間短,在受到干擾以后,造成有用信號整體電壓下降,干擾信號(藍色)與原信號疊加的波形,無法達到要求電壓,從而造成下級門電路無法識別信號,CPU無法繼續正常工作。

而未超頻的信號(綠色),和干擾信號(藍色)疊加以后,雖然前半段有用信號整體電壓下降,但是 后半部分不受影響,仍然能夠達到高電平要求電壓。盡管波形變化較大,但對于數字信號處理來說,達到高電平電壓已經能夠觸發下級門電路,對于CPU的使用不會有太大影響。

由此可見,原先并無大礙的干擾卻可能導致超頻的CPU在使用中罷工,所以說超頻造成了CPU抗干擾能力的下降。

為了讓超頻的CPU能穩定工作,必須盡量減少干擾源。最常見的來源有:大氣中的天電、驅動電動機等電氣設備或器件及由傳感檢測系統接收到的輸入中混同于信號中的機、電、磁、光和聲及電網波動的干擾等等。因此,在信號處理中,伴隨信號一定存在噪聲,不可能獲得沒有噪聲的“純凈”信號。但是,只要保證信號比噪聲強度大得多,信號的處理、分析和識別就不會 受到顯著的影響。使用做工和用料更好的內存、主板和電源,不僅能夠更少的吸收外界雜訊,也能確保CPU輸入和輸出信號更規則、更純凈。以主板為例,完整的濾波電路、優質的供電穩壓電路、合理的走線和布局、良好的散熱措施等等,都是一塊設計優秀的主板必不可少的件條件,最終都是為了能給CPU提供穩定的工作環境服務。而干擾問題, 其實對于本身更高頻的CPU也是如此,頻率越高的處理器對干擾信號越敏感。LGA775接口的CPU正是為了避免針腳接受外界干擾信號而采用觸點設計。

超頻后果五:制造干擾

工作在高頻率的時候,CPU、主板等等配件上的導線和元件不僅是干擾信號的接收者,同樣也是干擾信號的發射者。存在電流環路的導線就會有輻射產生。

可以看出,輻射的電場強度(E)以頻率的平方增加。同樣CPU經過超頻以后,其輻射電場強度(電子噪聲)會以頻率提高速度的平方增加。

另外,CPU超頻的直接結果是功耗增加,溫度升高。大多數半導體器件,包括CPU內部晶體管對溫度相當敏感,溫度升高會使器件熱噪聲指數倍增加,性能變差。在超頻當中,最常使用的手段之一就是降溫,為的就是減少電子器件的熱噪聲。當使用干冰或液氮制冷的時候,CPU工作在零下上百度的環境中,最大限度的減少了晶體管熱噪而使得極限頻率得以實現。在CPU超頻過程中,很有趣的現象就是,當溫度越高,漏電流就越大;反過來又使溫度更高,工作狀態會急劇惡化;這是典型的惡性循環。因此溫度造成的影響會受到人們極大重視。

其次,超頻后CPU對電流的需求更大,因為CPU供電電路和主機電源的動態電阻影響,會造成最終CPU和其它電腦配件兩端電壓的下降。另外, CPU電流的急劇變化也會造成供電電壓的跳變,產生突變信號干擾。也正因為以上原因,很多CPU超頻后出錯或死機,大多總是在任務最繁重、對電流需求最大的時候。

加電壓也是超頻中常見手段之一。加電壓不但有利于提高信噪比(S/N = 信號電壓/噪聲電壓),而且也會在一定程度補償因為大電流需求造成的電壓下降。但是常常會遇見的問題是,當電壓增加到一定程度以后,再加電壓就沒用了。這是因為加電壓會讓CPU溫度快速增加,當熱噪聲帶來的負面影響大于電壓增長帶來的好處的時候,再加電壓就不管用了。

在這里再提一個和電壓有關的超頻話題——降壓超頻。很多人提到過一個問題,降壓超頻會不會造成CPU損壞? 實際上,更低的工作電壓不但是人們一直追求的結果,也是制造工藝提高所帶來的必然后果。往往都是制造工藝更好的CPU才能工作在更低的電壓下,這也是移動版的CPU會比桌面版的成品率低的原因,也是移動版CPU價格昂貴的主要原因之一(還一個主要原因是規模效應)。但是,從來沒有見過intel或者AMD宣稱過移動版CPU的壽命會比桌面版的低,也從來沒有媒體曝光過低壓版CPU更容易損壞。

通常CMOS最高允許工作電壓是為了保障集成電路不會因為擊穿或過熱而燒毀,而最低允許工作電壓的意義是為了保障集成電路能夠正常運行。事實上,對于CPU內的電子元件來說, 不論是二極管,三極管,電阻,電容等等,兩端加的電壓比額定電壓小是絕對不會損傷這些器件的。唯一需要考慮的是他們是否能夠得到足夠的電壓和電流去正常工作。只要能夠滿足降壓以后CPU能夠穩定運行,那么就不會對其造成額外的硬件損傷。相反,更低的溫度反而有利于壽命的延長。

超頻 適可而止最重要

作為個人如何對待超頻行為同樣也是因人而異。有的人從來沒有進行過超頻,出于一種對新事物的好奇和嘗試,至少對他們來說是很有意義的;有的人則將超頻當成深入了解計算機的途徑,以興趣為指導去獲得更多的硬件知識;有的人則將超頻作為一個動手動腦的鍛煉機會,運用用自己的知識和動手能力去加強協調能力;有的人則是將超頻作為一種自我挑戰,利于現有的條件或者去創造條件,最大限度的發揮自己的才能去讓計算機工作在最有效率的狀態。不管是對他們自己,還是對硬件,他們的態度都是:物盡其用……也許有多少種人,就會有多少種對待超頻的態度。

需要注意的問題是,并不是每種態度都是正確、必要的,超頻應該適可而止。不是每個人都有大量的時間、精力和金錢來投入到超頻行為中。至少不要為了超頻嚴重影響了學習和工作的積極性,甚至引起經濟損失而引發其它問題。超頻也要講究方法,需要一定的經驗和理論指導。最好不要盲目進行或者無限制無常識的去超頻,暴斂天物和浪費資源是可恥的。最后祝大家超頻愉快。

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