High level Duron Tweaking

Korte geschiedenisles

Tweakers.net Duron overclocking aankondiging Zoals jullie ondertussen wel zullen weten, hebben Jasper, Daniel en ik (Floris) enige tijd geleden een Duron 600 over weten te klokken naar 900Mhz (stabiel). Dat hele verhaal kun je hier vinden.

Deze keer zijn we bezig geweest met waterkoeling en een peltier-element, dit om te kijken hoever we konden komen als we geen rekening zouden houden met de kosten van de koelinstallatie. Daar gaat deze review dus over, in de conclusie zullen we toch een klein stukje schrijven over de voordelen en nadelen van waterkoeling en het gebruik van peltier-elementen.

De Duron is de low-budget chip van AMD, deze zou moeten concurreren met de Celeron van Intel. Benchmarks bewijzen dat de Duron sneller is dan een gelijk geklokte Celeron. Het nadeel is dat de moederbordjes voor de Duron vooralsnog een stuk duurder zijn dan die voor de Celeron.

Als je meer over de Duron wilt lezen, kan je bijvoorbeeld naar deze review van Daniel kijken.

Maar even een kleine samenvatting van wat voorafging:

Wij wilden ongeveer een week of 5 geleden wel eens achterhalen hoe het gesteld was met de overklokbaarheid van de Duron-processor. We hadden al wat gelezen over een Japanner en over ome Tom, maar zelf hadden we nog niet met zo’n dingetje gespeeld. Vandaar dat we besloten maar eens wat hardware te zoeken om mee te tweaken.

Jasper kocht zelf een Duron 600 en Daniel wist bij ICP een Gigabyte 7ZM te scoren. Het geluk lachte ons toe toen we er achter kwamen dat Jasper een gelockte Duron op de kop had getikt. Met dit type processor had nog niemand gespeeld en al helemaal niemand had het voor elkaar gekregen om deze lock er uit te krijgen…

Jasper had de AMD datasheets al gedeeltelijk doorgespit om te achterhalen waar de L1 bruggen, (de lock dus) te omzeilen waren. Hij had een manier gevonden om dat te doen en dus zijn we daarmee gaan experimenteren. Het resultaat mocht er wezen: De Duron 600 was stabiel op 900 MHz en kon zelfs posten op 1 GHz.

Het volgende doel was de processor ook daadwerkelijk stabiel op 1 GHz te krijgen. Daarvoor zouden echter wat ruigere koelmethoden noodzakelijk zijn.

Duron, peltier-element en waterkoeling.

Wij zouden geen tweakers zijn als we niet ook met waterkoeling en een peltier-element de Duron zouden bestoken om te bekijken wanneer het arme ding in elkaar zou storten... Want hoe meer koeling, hoe beter natuurlijk!
Zo gezegd zo gedaan, Floris nam contact op met OC-shop en met waterkoeling.nl, twee sites die erom bekend staan goede spullen te leveren voor deze doeleinden. Respectievelijk Jeroen en Herman wilden graag meewerken aan ons doldwaze project en ja hoor een week later kwam er een grote doos met allemaal spulletjes… Hier onder staat een lijstje van de verkregen artikelen:
Eerst maar de koelings-gear van waterkoeling.nl:

Senfu waterkoelblok voor op de processor
2 * Senfu radiatorblokken
2 * Sicce Nova waterpomp (800 liter/uur)
Een stel slangen

Dan het lijstje van OC-shop:

Peltier-element - Kryotherm ICE 71 - (max 15V, 8A (80W Qmax, Delta T 71°C))
Koperen Coldplate
Artic Silver koelpasta
Variabele Voeding voor het peltier-element
Gasket (pakking, die condens tegengaat. Zowel om het koelblok als in de socket)

Hieronder zie je een overzicht van de hele boel (gefotografeerd in het uiterst professionele Tweakers.net testlab)

Van links naar rechts: de grote grijze kast is de voeding voor de peltier, daarbovenop de pompen en de gasket, daarachter de radiatoren en dat geval met die rode stickers is een heavily-modified Duron. Rechts zie je het net zo zwaar aangepaste moederbord.

Opbouw van het systeem

Nu we de spullen hadden werd het tijd om het een en ander in elkaar te gaan zetten. Jeroen Molinger (oc-shop.nl) had al de tijd genomen om de coldplate, het peltier-element, het koelblok en de gasket in elkaar te zetten, zodat wij dit niet hoefden te doen. (Dit scheelde ons ongeveer een uur werk… )

Als je meer wilt weten over waterkoeling is het misschien het slimst om eens een kijkje te nemen op www.waterkoeling.nl, hier staat alles keurig uitgelegd. Herman staat toch wel bekend als een specialist op dit gebied en hij zal dan ook vele vragen kunnen beantwoorden.
Om toch maar een tipje van de sluier te lichten: Wij moesten zelf eerst even nadenken over het de te gebruiken opstelling aangezien we met twee pompen en twee radiatoren hebben gewerkt. Dit resulteerde in een systeem waarbij één pomp het water door de radiatoren stuwt en de andere pomp enkel water door het koelblok zou stuwen. Hiervan is een klein overzichtstekeningetje gemaakt. (Met dank aan djAzEtE)

Door juist op deze manier te werken, zijn we er zeker van dat het water goed gekoeld wordt en dat het koelblok op de processor altijd voldoende water krijgt.
Wij hebben bewust gebruik gemaakt van extra sterke pompen en twee radiatoren, dit omdat de extra kracht van de pompen er voor zorgt dat er altijd genoeg water beschikbaar is en we zo zeker weten dat alle warmte goed afgevoerd kan worden.
Een processor die je ver overklokt zal veel warmte produceren, daarbij is het zo dat als je werkt met een peltier-element je ook het gehele wattage van dit element moet zien als warmte en dat moet je ook afvoeren. Het werkt dus niet zo dat je met een ultrazware peltier ook verder kunt overklokken dan met een minder sterke. Meer hierover kan je lezen op pagina 5.

Werking van een Peltier-element.

(Met dank aan waterkoeling.nl voor een groot deel van de info)

Voor de mensen die hier werkelijk nog nooit van hebben gehoord: Een peltier-element (ook wel T.E.C.) bestaat uit twee plaatjes keramisch materiaal, hiertussen zit de feitelijke motor van het element. Zodra hier een gelijkstroom op wordt gezet, zal één kant warm worden, en de andere kant koud. Hoe dit precies werkt is niet echt van toepassing op dit verhaal, maar wat wel fijn is om te weten is dit: Het temperatuurverschil tussen beide kanten kan oplopen tot 65 graden Celsius. De koude kant is daarom goed geschikt om je processor mee te koelen. Je moet goed opletten dat de warme kant heel goed gekoeld wordt, anders zal deze zijn warmte niet kwijt kunnen, met als gevolg een oververhitte (en waarschijnlijk overleden) processor. (De warme kant wordt ineens de koude en je koelelement wordt dus ineens een verwarming )

Hier zie je hoe een peltier doorgaans is opgebouwd:

Vraag is dus hoe we de warme kant gaan koelen. Dat kan met een "conventionele" ventilator, maar veel beter is waterkoeling.
Koeling met water is veel efficiënter dan luchtkoeling, wat het ideaal maakt om te gebruiken in combinatie met peltier-elementen. In plaats van de luchtkoeler wordt er op het peltier-element een waterkoeler gezet. Deze houdt de temperatuur van de warme kant van de peltier lager dan een luchtkoeler, waardoor de temperatuur van de koude kant ook lager blijft. Temperaturen aan de koude kant van ruim onder het vriespunt zijn met zo'n combinatie dan ook eerder regel dan uitzondering. Een “conventionele” heatsink/fan combo kan je ook gebruiken, maar omdat je ook het wattage van het peltier-element als warmte zult moeten afvoeren is dit in veel gevallen niet echt ideaal te noemen. Je kunt simpelweg niet genoeg warmte afvoeren om er echt profijt van te hebben.

Het peltier-element dat wij hebben gebruikt is van Kryotherm, type ICE 71 en heeft de volgende specificaties:

Optimal Voltage: 16,1V
Optimal Amps: 8A
Qmax: 80W
ΔT: 71°C

Het peltier-element werkt optimaal bij 16,1 Volt en 8 Ampere (128.8Watt), dan is de genoemde ΔT dus van toepassing (oftewel: 71 graden verschil tussen de warme en de koude kant). Bij een verandering van wattage van het peltier-element is deze Delta T niet meer te vertrouwen.

Dat wil zeggen dat als je bijvoorbeeld niet 80Watt effectief, maar 70Watt effectief wilt hebben, je niet zomaar het peltier-element kunt afregelen om hier bruto 112,7Watt in te stoppen zodat deze op 70Watt effectief werkt. Het verband tussen het effectieve en bruto aantal Watts is niet linear. (snappen jullie het nog? )

Op pagina 5 staat een formule waarin ΔT gebruikt wordt om de uiteindelijke temperatuur van de processor te berekenen.

Rekenen aan de opstelling

Rekenen aan een T.E.C. is erg ingewikkeld, door een hele hoop (te) moeilijke berekeningen kan je uitrekenen welke temperatuur je peltier-element zal krijgen.

Ook kan je uitrekenen hoeveel watt de processor zal afgeven. Waar het om gaat is het vinden van de "sweet-spot" tussen het wattage dat de processor afgeeft, en dat wat de peltier afgeeft. Stel dat je koeling 150 watt kan afvoeren. Verder heb je een peltier die op de hoogste stand 120 watt afgeeft en een processor die 70 watt afgeeft. Als je nu denkt: ik gooi de peltier gewoon op vol vermogen, dan trekt ie het meeste warmte weg en kan ik het verst overklokken. Niet dus, omdat je dan in totaal 120 + 70 = 190 Watt moet afvoeren, en dat trekt je koeling niet. Oplossing: stel de voeding van de peltier zo in dat er 80 watt afgegeven wordt. Dat is genoeg om de 70 watt van de processor weg te trekken en precies zoveel (70 + 80 = 150) als de koeling af kan voeren. In deze situatie kun je theoretisch het verst overklokken.

Gelukkig is er voor de luie mensen onder ons een Excel sheet waarin je een paar gegevens moet invullen om te achterhalen hoeveel watt je processor afgeeft en hoe je peltier-element zich dan gedraagt. Wij gaan even wat gegevens invoeren in deze sheet en komen tot de ontdekking dan een Duron 600@900@1,85V 51,8 Watt aan warmte afgeeft, het peltier-element doet hier nog 128,8 Watt bovenop en dat zorgt er dan uiteindelijk voor dat de waterkoeling in totaal 180,6 Watt moet afvoeren.

Het volgende kleine probleempje waar je bij het rekenen rekening mee moet houden is de referentietemperatuur (in dit geval 295ºK)

Even een kleine berekening aan de warmte: We hebben op de vorige pagina al gezegd dat er een bepaalde formule is om de Delta T uit te rekenen. Deze formule is als volgt:

ΔT = ( 1 – Qc / Qmax ) * ΔTmax

Waarbij:
Qc = de hitte afgifte van de processor in Watts
Qmax = Qmax van het peltier-element
ΔTmax = De maximale temperatuur die het peltier-element kan hebben in °C.
Dus als je peltier-element een Qmax heeft van 80Watt en de ΔTmax 71°C is, dan kan je als je de temperatuur van de “hot-side” hebt én de warmte afgifte van de processor weet, de temperatuur van de processor uitrekenen. Dit doe je als volgt:

Thot – Δtmax = Tproc

Bij de Duron 600@900@1.85V is het wattage van de proc 69.1 Watt
De hot-side nemen we even voor het gemak 25ºC (kamer-temperatuur)
(1 – 69.1/80)*71 = 9,67ºC temperatuur verschil
25-9,67= ±15,3ºC
Ongeveer 15 graden is natuurlijk een zeer respectabele temperatuur voor een proc die 50% overgeklokt is
Uiteraard zijn er nog wel wat meer variabelen van toepassing. Ik ben bezig met een feature over heat-production en rekenen aan opstellingen. Hierin zal dieper worden ingegaan op technische berekeningen aan de opstellingen.

Conclusie

Onze Duron wilde met luchtkoeling stabiel werken op 900Mhz, met waterkoeling en een peltier-element kwamen we maar 98Mhz verder. Nu zul je je misschien afvragen waarom dit zo weinig scheelt, welnu daar willen we in deze conclusie antwoord op geven. Hierbij wordt dan ook besproken of het überhaupt zin heeft om met een peltier-element en waterkoeling te werken om je zwaar overklokte processor te koelen.

Als eerste maar waarom de processor niet verder wilde. Hoewel 998Mhz ruim 66% boven de specs is, zullen sommigen het niet genoeg vinden. Dit is op zich wel te begrijpen aangezien er met een zeer uitgebreid koelsysteem wordt gewerkt. Toch is het niet het koelsysteem alleen dat uitmaakt hoever je de processor kunt overklokken.

De processor zelf zal altijd de bottleneck blijven op dit gebied. Dit ligt aan de opbouw van de processor. Een processor bestaat namelijk uit transistoren, deze hebben een bepaald schakelpunt, deze is uit te drukken in een aantal volts. Als de processor wordt overklokt, zal je het voltage moeten verhogen omdat anders de transistors niet meer goed willen schakelen. Hoe verder je gaat qua snelheid, hoe hoger je dit voltage moet maken om de transistors nog te kunnen laten schakelen. Op een gegeven moment is het niet meer veilig om het voltage nog te verhogen aangezien de warmte productie dan ook erg zal toenemen, daarnaast is het zo dat de processor is ontworpen voor een bepaald voltage. Bij de Duron is dit 1,5V, wij hebben dit al verhoogd naar 1,85V (verder wilde helaas niet). Bij dit voltage is 998Mhz dus de hoogste snelheid waarbij de transistoren nog willen schakelen.

Bij deze snelheid produceert de processor een aantal watts aan warmte, deze willen we op een zo goed mogelijke wijze afvoeren aangezien alleen dan de processor koud zal blijven. Je kunt een conventionele koeling gebruiken (heatsink+fan), maar deze zal niet zoveel warmte kunnen afvoeren als een waterkoeling. Daarbij wordt het peltier-element gebruikt om de temperatuur van de processor onder de omgevingstemperatuur te krijgen (of eigenlijk onder de temperatuur van het water).

Senfu waterkoeling blok Waterkoeling kan eenvoudigweg meer warmte onttrekken aan het oppervlak van de core dan een heatsink/fan combinatie. Als je met peltiers gaat werken is hierdoor dan ook aan te raden gebruik te maken van een waterkoelinstallatie. Helaas zijn de kosten van zo’n installatie niet gering, hierdoor is het voor de meeste tweakers niet zo interessant om hier gebruik van te gaan maken.

De door ons gebruikte installatie (inclusief peltier-element) kost ongeveer ƒ800,=, zonder een voeding voor het peltier-element. Voor die losse voeding (en die heb je echt nodig) kun je nog een paar honderd gulden extra uittrekken. Voor dit bedrag alleen al kan je een high-end Alpha heatsink+fan kopen en een Thunderbird 800 of 850, die met deze koeling boven de 950Mhz zou moeten kunnen komen.

De uiteindelijke conclusie die we dus kunnen trekken is dat de Duron een lekkere processor is om te overklokken, het kost relatief weinig moeite en de andere onderdelen in je kast zijn niet van erg groot belang bij het overklokken (met uitzondering van je moederboard dus).

Een goed moederboard in combinatie met een stevige luchtkoeler zou in principe de Duron 600 al tot 850-900Mhz moeten kunnen trekken, waarbij een totaalprijs voor moederboard, processor en koeler nu ongeveer ƒ700 tot ƒ875 afhankelijk van de exacte hardwarekeuze.

Een complete waterkoelset inclusief peltier-element is ruimschoots duurder, en dan heb je nog geen processor en geen moederboard. De prijs-kwaliteits verhouding is dus compleet ruk.

Het gebruik van een dergelijk systeem heeft echter nog andere voordelen dan enkel betere koeling. Het geluidsniveau is lager en de levensduur van de processor wordt door de lagere temperatuur verlengd. Ook kan het systeem (met enkele kleine aanpassingen) aangepast worden zodat deze in een volgend systeem gebruikt kan worden. Zo is het gebruikte waterblok te gebruiken op zowel slot A, slot 1 als socket processoren.

Maar eigenlijk horen rationele overwegingen geen rol te spelen bij dit soort high-level tweaking. Natuurlijk is de prijs/prestatie verhouding van waterkoeling ten opzichte van luchtkoeling slecht. Maar dat is minder belangijk: het gaat erom de allerlaatste MHz uit een processor te persen door gebruik te maken van vrij extreme koelmethoden. Dat je voor hetzelfde geld ook een snellere processor kunt kopen die misschien nog wel verder te tweaken is met gewone koeling is niet belangrijk voor de echte die-hard. En dat is precies wat dit project was: voor de lol

Disclaimer: Overklokgarantie bestaat niet: het zou best kunnen zijn dat precies jouw Duron 700 niet meer dan 750Mhz wil doen. Tweakers.net is niet aansprakelijk voor eventuele gevolgen van te ver overklokken