Bezpieczne podkręcanie karty graficznej

Tytułowe zadanie - podkręć bezpiecznie kartę graficzną - to tematyka zakończonego konkursu CHIP-a Online. Dziś publikujemy zwycięski tekst Łukasza Niemczewskiego

Branża IT to zdecydowanie najbardziej dynamicznie rozwijająca się gałąź przemysłu w dzisiejszych czasach. Producenci sprzętu prześcigają się w dostarczaniu nam coraz to nowszych i bardziej innowacyjnych rozwiązań.

Od samego początku historii komputerów centralna jednostka obliczeniowa (ang. central procesor unit), zwana potocznie procesorem, wiodła prym, jako wyznacznik wydajności i możliwości danego komputera. Jednak w ostatnich latach obserwujemy zaskakujący zwrot w tej dziedzinie, a rolę komputerowego serca zaczęła przejmować karta graficzna. Dzieję się tak nie bez powodu, gdyż współczesne układy graficzne są niezwykle złożone, a ich moc obliczeniowa wielokrotnie przewyższa tę, którą dostarczyć nam może nawet najbardziej zaawansowany procesor CPU.

W porównaniu do swych przodków współczesne karty graficzne pełnią o wiele bardziej złożoną rolę niż dawniej. Wspomagają, bowiem dekodowanie filmów DVD, czy materiału HD zapisanego na płytach Blue-Ray. Nowsze modele GPU posiadają wbudowane silniki fizyki takie jak Havok, obecny w kartach ATI, czy Physx proponowany przez Nvidia, dzięki czemu potrafią w znacznym stopniu odciążyć procesor komputera od zbędnych obliczeń w najnowszych grach. Jednak wszystko to blednie w obliczu rewolucji, która ma dopiero nadejść. CUDA tak brzmi, bowiem nazwa technologii opracowanej przez inżynierów z Nvidia. Jest to bowiem technologia, która sprawia, że GPU stało się wreszcie programowalne, a co za tym idzie daje możliwość programistom i developerom na tworzenie programów, które do obliczeń będą wykorzystywały nie powolne CPU, ale szybkie i wydajne układy GPU. Jest więc rzeczą oczywistą, że wydajny układ graficzny jest podstawą każdego komputera walczącego o miano multimedialnego. Niestety, każdy medal ma dwie strony. Ceny najnowszych rozwiązań są daleko poza zasięgiem przeciętnego Kowalskiego i kształtują się na poziomie *1249-2679 zł za najwydajniejszy na rynku, jednordzeniowy układ graficzny GeForce GTX 280 oraz astronomiczną cenę *8533 zł, za profesjonalna kartę PNY QuadroFX 5600 PCI-Ex16. Co więc ma zrobić przeciętny zjadacz chleba, by w pełni cieszyć się możliwościami najnowszych gier i programów, a nie chce przy tym zrujnować domowego budżetu po jednej wizycie w salonie komputerowym? Odpowiedz jest jedna… Overclocking.

(*ceny podzespołów z dnia 21 lipca 2008)

Overclocking teoria

Overclocking (ang. przetaktowywanie, podwyższanie taktowania)

Overclocking to proces zwiększania prędkości urządzenia poza jego specyfikacje fabryczną. Założeniem overclockingu jest zmuszenie danego podzespołu do pracy z maksymalną prędkością, przy zachowaniu jego stabilnej pracy. Proces ten może się tyczyć zarówno procesora, pamięci Ram, jak i karty graficznej. I choć w przypadku tych trzech podzespołów przetaktowywanie przebiega w różny sposób, ogólne zasady pozostają niezmienne. W dalszej części artykułu przedstawię Ci drogi czytelniku bezpieczny sposób na zwiększenie osiągów twojej karty graficznej. Czym wiec jest bezpieczny Overclocking?. Jest to świadome działanie poparte wiedzą i kierowane zdrowym rozsądkiem. Proszę pamiętać o tym, że każda część komputera w naszym przypadku GPU na swoje ograniczenia, których przekroczenie grozi trwałym uszkodzeniem. Należy również zwrócić uwagę, że ingerowanie w specyfikacje i sposób działania GPU jak i każdego innego podzespołu może być powodem utraty gwarancji producenta.

Istnieją dwa główne sposoby, Overclockingu:

Software

(ang. programowy) – Stosunkowo bezpieczny i dający dobre możliwości zmiany ustawień fabrycznych.

1. Overclocking z poziomu Biosu komputera – bardzo ograniczone możliwości

2. Overclocking z poziomu sterownika urządzenia – duże możliwości

3. Overclocking z poziomu Biosu GPU – pełen dostęp do wszystkich ustawień, największe możliwości

4. Moding – Połączenie metod 2 i 3. Nie zwiększa prędkości działania GPU, ale umożliwia odblokowanie profesjonalnych możliwości ukrytych na części kart graficznych, co przekłada się na wzrost wydajności układów graficznych, bądź poprawia jakości wyświetlanego obrazu.

Uwaga! Overclocking z poziomu biosu GPU przeznaczony jest tylko dla zaawansowanych użytkowników, którzy wiedzą, z czym mają odczynienia. Uszkodzenia biosu lub jego niepoprawna konfiguracja grozi natychmiastowym unieruchomieniem karty lub jej uszkodzeniem.

Hardware

(ang. sprzętowy) – Przeznaczony wyłącznie dla najbardziej doświadczonych użytkowników i entuzjastów elektroniki. Hardware Overclocking daję nam podobnie jak Overclocking z poziomu Biosu GPU dostęp do funkcji układu graficznego, które nie są możliwe przy użyciu innych metod. Dzieje się tak, bowiem producenci sprzętu w trosce o swoje produkty zabezpieczają je przed możliwościami odblokowania ich pełnego potencjału. Najczęściej spotykanym sposobem takiego zabezpieczenia jest rozcinanie wiązka lasera odpowiednich połączeń mostkowych na układzie GPU, co uniemożliwia dostęp to najciekawszych opcji w sposób Software’owy (ang. programowy). Oczywiście istnieją sposoby, by w domowych warunkach połączyć tak porozcinane mostki,* jednak jest to metoda wysoce ryzykowna i wykracza daleko poza ramy „Bezpiecznego Overclockingu karty graficznej”, dlatego w przedstawionym państwu artykule, nie będę rozwijał tego zagadnienia. Zainteresowanych odsyłam na fora internetowe traktujące o Overclockingu i Modingu.

*Tak zwany „Pencil Mod” sposób na ponowne połączenie porozcinanych mostków za pomocą ołówka z grafitowym wkładem (grafit przewodzi prąd)

Zanim zaczniemy modyfikować ustawienia GPU, poświęćmy chwilę, by zrozumieć co tak naprawdę ma wpływ na szybkość dokonywanych przez niego obliczeń. Oczywiście wraz ze zmianą procesu technologicznego i wprowadzaniem nowszych układów, budowa chipa karty graficznej ulega modernizacji lub całkowitej przebudowie. Dlatego jako pomost łączący karty Nvidia z Seri 6xxx (NV40) z kartami 9xxx (G92) przedstawię uproszczony schemat blokowy architektury chipów 7800 GT (G70).

Vertex Shader – jednostki przetwarzania geometrii (umiejscowienie wierzchołków w przestrzeni)

Pixel Shader – jednostki przetwarzające piksele ( kolory, cienie)

ROP (Render Out Pixel) – jednostki rasteryzujące

Memory Interface – (od 32 bit do 512 bit) szerokości interfejsu pamięci (ilości przetwarzanych danych)

Core clock – Prędkość, z jaką działa procesor karty graficznej

Memory clock – Prędkość, z jaką działają pamięci zainstalowane na karcie (pamiętajmy ze w przypadku pamięci DDR – Double Data Rate otrzymana prędkości pamięci jest iloczynem bazowego zegara pamięci.

Memory latency – (Opóźnienia pamięci) Jest to czas reakcji pamięci umieszczonej na GPU.

Core voltage I memory voltage – Napięcie rdzenia GPU oraz pamięci na nim pracujących nie ma bezpośredniego wpływu na szybkość ich pracy. Jednak zwiększenie jego wartości pomaga ustabilizować pracę karty przy wysokich wartościach MHz procesora i pamięci.

W przypadku najnowszych kart graficznych obsługujących bibliotekę DirectX 10, zniknął podział na wyspecjalizowane jednostki Vertex Shader i Pixel Shader. Obliczenie, którymi wcześniej zajmowały się oba typy jednostek, został powierzony nowej grupie ujednoliconych jednostek, które pracują w sposób dynamiczny i które są przydzielane do takiego typu obliczeń, jaki jest aktualnie potrzebny. Nvidia nazwała to rozwiązanie Stream Processors natomiast ATI Unified Shaders.

Overclocking przygotowania

Przetaktowywanie GPU to proces złożony i czasochłonny. Wpływ na jego powodzenie i efekt końcowy ma wiele czynników. Najważniejszym z nich jest odpowiednie chłodzenie układu graficznego oraz ogólnie pojęta wentylacja komputera. Musimy pamiętać, że zwiększenie częstotliwości pracy karty graficznej wiąże się często ze znacznym wzrostem temperatury procesora karty oraz pamięci na niej umieszczonych. Overclocking źle chłodzonego GPU bardzo często prowadzi do niestabilnej pracy układu oraz trwałego uszkodzenia. Dlatego nasz niepokój powinny budzić wskazania temperatury przekraczające 80° C. W przypadku takim powinniśmy zaprzestać dalszego Overclocking i zadbać o lepsze chłodzenie karty. Pomocna może okazać się wymiana standardowego układu chłodzenia na bardziej wydajny. Oferta niestandardowych, często bardzo egzotycznych, systemów chłodzących różnych firm dostępna jest w każdym większym salonie komputerowym.

Temperatura krytyczna, przy której GPU grozi uszkodzenia, to w zależności od modelu 100°C – 115°C. W momencie osiągnięcia takiej temperatury karta graficzna automatycznie spowalnia swoje działanie i przechodzi w tryb 2D i trwa w nim do momentu restartu komputera.

Wartości temperatur pochodzą z ponad 20 Biosów kart Nvidia z modeli od 6xxx do 9xxx.

Systemy chłodzenia GPU podobnie jak CPU można podzielić na trzy podstawowe grupy:

– Pasywne – Za chłodzenie odpowiada masywny, aluminiowy lub miedziany radiator (brak wiatraka).

– Aktywne – Za chłodzenie odpowiada radiator (najczęściej aluminiowy) z zamontowanym wiatrakiem.

– Aktywne – Heat pipe – Radiator z miedzianymi rurkami, w których znajduje się ciecz wspomagająca transport i odprowadzanie ciepła.

– Aktywne – Water Cooling – Chłodzenie wodne za pomocą bloku wodnego montowanego na GPU/CPU.

Kolejna istotną sprawa jest pobór mocy. Zmuszenie GPU do pracy z większą częstotliwością zegara i pamięci oraz odblokowanie uśpionych jednostek Vertex Shader czy Pixel Shader, wiąże się z procentowo większym zapotrzebowaniem na elektryczność. Kwestia ta jest bardzo istotna dla osób posiadających słabsze, często „niefirmowe” zasilacze, które mogą nie poradzić sobie z dostarczeniem odpowiedniego napięcia, co w efekcie może doprowadzić do niestabilnej pracy komputera (zawieszanie się systemu) lub spalenia zasilacza. Pamiętajmy również, że w przypadku, gdy nasz komputer pracuję w konfiguracji SLI/CrossFire, gdy w komputerze znajdują się 2, 3 lub 4 karty graficzne, prądorzerność podkręconych kart może rozłożyć na łopatki nawet wydajny markowy zasilacz.

Graphic Artifacts – To przekłamania GPU powstałe w skutek nadmiernego Overclockingu lub błędne wyświetlanie części obrazu, które są oznaką niestabilnej pracy karty graficznej. Najczęściej spotykanym przykładem takiego problemu są:

– Losowo pojawiające się grupy pikseli o odmiennej od otoczenia kolorystyce (fioletowe, żółte)

– Znikające elementy sceny 3D

– Migoczące cienie w grach

– Tzw. Krzaczenie się wyświetlanych obiektów

Overclocking praktyka

Teraz, gdy zapoznaliśmy się z podstawowymi zasadami Overclockingu i wzbogaciliśmy swoja wiedze o zagadnienia niezbędne każdemu początkującemu Overclockerowi, możemy zabrać się za modyfikacje własnej karty graficznej. Wybrana przez nas metoda, to będzie Overclocking z poziomu sterownika urządzenia. Skorzystamy z niej, bowiem jest to najszybszy i stosunkowo bezpieczny sposób dla ludzi bez wcześniejszego doświadczenia. Do przeprowadzenia całej operacji niezbędne będą 4 programy:

Riva Tuner 2.06 – Podkręcanie I monitorowanie GPU ATITool 0.26 – Podkręcanie I testowanie GPU GPU-Z.0.2.4 – Identyfikacja GPU 3DMark06 – Sprawdzanie wydajności i stabilności ( Uwaga 580 MB)

Overclocking z poziomu sterownika

pozwoli nam na zmianę następujących ustawień:

Core clock – Prędkość, z jaką działa procesor karty graficznej

Memory clock – Prędkość, z jaką działają pamięci.

Vertex Shader – Prędkość, z jaką działają jednostki przetwarzania geometrię

Pixel Shader – Prędkość, z jaką działają jednostki przetwarzające piksele

ROP (Render Out Pixel) – Prędkość, z jaką działają jednostki rasteryzujące

Overclocking z poziomu sterownika nie umożliwi nam odblokowania uśpionych jednostek Pixel Shader i Vertex Shader, a jedynie zmianę szybkości ich działania, bowiem ich zegary są zsynchronizowane z zegarem procesora GPU. Co do taktowania ROP (Render Out Pixel), w części modeli kart graficznych może być ono ustawiane osobno. Najczęściej jest ono kilkadziesiąt MHz większe niż zegar rdzenia układu graficznego, jednak do zmiany jego wartości niezbędna jest edycja Biosu GPU, dlatego zadowolimy się wzrostem taktowania ROP, jakie przyniesie nam przetaktowanie rdzenia GPU. Memory latency i Core voltage w kartach Nvidia dostępne są tylko z poziomu Biosu układu graficznego dodatkowo są to opcje zaawansowane, które niepoprawnie ustawione mogą natychmiast unieruchomić kartę, dlatego pominę sposób ich modyfikacji.

(odblokowanie nieaktywnych jednostek Vertex Shader i Pixel Shader w sposób programowy było możliwe tyko dla karta do serii GeForce 6xxx)

Zacznijmy od uruchomienia programu GPU-Z.0.2.4 Pozwoli on na zidentyfikowanie posiadanej przez nas karty graficznej i poda nam jej specyfikacje. Zanotujmy także wyświetlane w programie wartości:

Pixel Fillrate – Texture Fillrate oraz Bandwidth. Po skończonym Overclockingu karty, będziemy mogli porównać stare wartości z nowymi. (Na obrazku zaznaczone żółtym kolorem). Możemy także przeprowadzić test programem 3DMark06 i zanotować osiągnięty wynik. Da nam to pojecie jak bardzo udało nam się przyspieszyć działanie naszego GPU. Dla uzyskania większej poprawności wyników zalecam ustawić zapętlanie testów na 3.

Istotna rzeczą, która musimy zrobić zanim zaczniemy zwiększać taktowanie GPU, jest zadbanie o poprawne chłodzenie. Patrz OVERCLOCKING PRZYGOTOWANIA.

Część producentów kart graficznych, zwłaszcza w odniesieniu do słabszych modeli, już w fabryce celowo spowalnia działanie zainstalowanego na GPU systemu chłodzenia (wiatraczek). Głównym powodem takiego działania jest zapobieganie nadmiernemu hałasowi towarzyszącemu pracy wiatraka na pełnych obrotach. Ponieważ zamierzamy zwiększyć szybkość GPU poza jego specyfikacje, musimy upewnić się, że system chłodzenia działa w 100%. W tym celu uruchamiamy program Riva Tuner 2.06 i postępujemy zgodnie z przedstawioną ilustracja. Po przestawieniu obrotów wiatraka na 100% powinniśmy odczuć słyszalną różnicę szumu dobiegającą z obudowy komputera. (Jeśli twój wiatrak był już ustawiony na 100% możesz pominąć ten krok).

Dzięki programowi Riva Tuner 2.06, możemy także bardzo dokładnie monitorować nasz układ graficzny. W tym celu wybieramy opcje Hardware Monitoring (zielony okrąg na ilustracji powyżej). Wykresy poinformują nas o aktualnej szybkości procesora karty, pamięci i shaderów. Pamiętajmy, że znaczna część kart graficznych pracuje w przynajmniej dwóch trybach: 2D i 3D. W trybie 2D karta spowalnia swój procesor, by zaoszczędzić energię i zmniejszyć wydzielaną temperaturę, podczas mniej wymagających operacji jak przeglądanie Internetu czy praca biurowa. Pełna moc karty, czyli tryb 3D uruchamia się, gdy GPU wykryję aplikacje takie jak Gry komputerowe, aplikacje graficzne czy odtwarzacze Video-DVD.

Teraz uruchamiamy aplikacje, ATITool 0.26. Program jest wyposażony w opcje samodzielnego szukania maksymalnej stabilnej prędkości rdzenia i pamięci (kolor niebieski na ilustracji poniżej), jednak my dla pełnej kontroli przeprowadzanego procesu pominiemy ją i wszystkie zmiany dokonamy samodzielnie, zmieniając wartości taktowania procesora i pamięci na GPU ręcznie. W tym celu będziemy stopniowo podnosić wartości w okienkach Core i Memory dla wartości 3D (kolor żółty na ilustracji).

W pierwszej fazie Overclockingu zajmiemy się rdzeniem GPU. Zwiększenie jego taktowania wpłynie również na przyspieszenie pracy jednostek cieniowania Vertex Shader, Pixel Shader, ROP.

W programie ATITool 0.26 uruchamiamy podgląd 3D (patrz ilustracja kolor czerwony) Przestawi to nasz GPU w tryb pracy 3D i umożliwi nagrzanie się rdzenia karty. Czekamy teraz ok. 5 minut, do momentu, aż temperatura naszej karty osiągnie maksymalny dla siebie poziom i przestanie rosnąć. W przypadku karty testowej było to 63° C.

Teraz, cały czas mając otwarte okienko podglądu, zaczynamy stopniowo zwiększać o 5 MHz taktowanie procesora GPU (Core). Po każdym podniesieniu zegara o 5 MHz czekamy 2 min obserwując wskazania temperatury, oraz okienko podglądu 3D w celu wyłapania Graphic Artifacts. Jeśli temperatura nie przekracza bezpiecznych wartości, (ok. 80° C) komputer nie zawiesił się, a w okienku podglądu nie zauważyliśmy żadnych przekłamań ani migotania obrazu, możemy podnieść taktowanie Core o kolejne 5 MHz. W przypadku testowanej karty udało się podnieść prędkość rdzenia karty z fabrycznych 400 MHZ na 500 MHz. Dalsze próby zwiększania taktowania zakończyły się zawieszaniem komputera. Gdy już odnaleźliśmy własne stabilne ustawienia, upewnijmy się, czy karta działa sprawnie i nie powoduje wyświetlania Artefaktów, których nie wyłapaliśmy gołym okiem. W tym celu w programie ATITool 0.26 uruchamiamy szukanie artefaktów (ilustracja kolor zielony). Pamiętajmy o tym, że szukanie Artefaktów powinno odbywać się, gdy procesor karty jest maksymalnie nagrzany. Jeżeli program znajdzie w wyświetlanym obrazie problemy poinformuje nas, zaznaczając je żółtymi kropkami i liniami. W takim przypadku musimy obniżyć taktowanie GPU o 5 MHz i przeprowadzić ponowne skanowanie w celu wyszukania Artefaktów. Jeśli po 20 minutach skanowania Artefaktów programem ATITool 0.26 nie stwierdziliśmy błędów w obrazie, pozostaje nam ostateczny test stabilności karty. W tym celu najlepiej będzie uruchomić program 3DMark06 lub nową wymagającą grę 3D, która zmusi nasz GPU do pracy na pełnych obrotach. Jeśli po 1-2 godzinach ciągłej pracy komputer nie zrestartował się a karta nie uległa przegrzaniu, możemy uznać, że Overclocking procesora karty zakończył się sukcesem.

Teraz, gdy znaleźliśmy stabilne ustawienia Core, przechodzimy do przetaktowywania zegara Pamięci (Memory). Cały proces odbywa się analogicznie do sposobu Overclockingu rdzenia. Zwiększamy stopniowo, tym razem o 10 HMz, taktowanie pamięci, zwracając uwagę na temperaturę. Po znalezieniu stabilnej prędkości, (takiej, która nie zawiesza komputera) testujemy kartę w poszukiwaniu Artefaktów programem ATITool 0.26. Jeśli ATITool nie stwierdzi występowania problemów z obrazem, ponownie przez 1-2 godziny testujemy stabilność naszej maszyny programem 3DMark06.

Gdy udało nam się odnaleźć optymalne ustawienia dla Core i Memory naszej karty, postarajmy się je zapisać tak, aby były one automatycznie wprowadzane przy każdym uruchomieniu komputera (ATITool 0.26 nie zapisuje zmian i są one aktywne tylko na okres uruchomienia programu). Do zapisania swoich ustawień użyjemy Riva Tuner. (Ilustracja poniżej)

Pamiętajmy, że wszystkie wprowadzone przez nas zmiany odbywały się na poziomie sterownika urządzenia, dlatego nie są one trwałe i zainstalowanie nowych sterowników do karty graficznej przywróci domyślne wartości GPU. Sposobem na trwałem zapisanie ustawień jest edycja Biosu GPU.

Overclocking wyniki

W przypadku karty testowej udało się osiągnąć około 20% ogólnego przyspieszenia działania układu. Temperatura karty wzrosło o 8° C, dając w ten sposób maksymalną temperaturę 70° C. Tym samym nie było konieczności wymiany układu chłodzenia na bardziej wydajny.

Jak widać Overclocking może być łatwym sposobem na przyspieszenie swojej karty graficznej. Jednak pamiętajmy, by zdrowy rozsądek nigdy nie przestał nam towarzyszyć podczas tej zabawy.