natuurkunde in de processor en bij het overclocken

[Fawn]

Hallo mensen,

Ik heb een paar vragen over het overclocken waarop ik het antwoord ooit ergens gelezen heb op het forum, of op een andere site, maar ik kan het echt niet meer terugvinden.
Bijvoorbeeld:
Wat gaat er precies mis in de processor wanneer hij te heet is?
Ik meen iets gelezen te hebben over electronen die overspringen/te actief worden waardoor er stroom kan lekken? Hoe heten die verschijnselen? Dit stond in de FAQ. (elektromigratie)
Je kan bij een cpu het voltage verhogen, ik mis de informatie over de stroom, is er een standaard ampèrage dat door de processor loopt?
Als een computer instabiel wordt doordat de cpu te hoog geclockt is op een te laag voltage, dan wordt het verschil tussen een stroompje of geen stroompje te klein, gokt de computer dan maar wat het moet zijn? Wordt alles een nulletje?

Daarnaast kan ik ook erg moeilijk vinden waardoor processors die op een kleiner procedé (bijv 45nm) gebakken zijn, energiezuiniger zijn.
Geleidt koper beter warmte dan aluminium en waarom?

Wat is de berekening die 50 miljoen keer per seconde gedaan zou worden bij een 50Mhz processor? Wat houdt de snelheid van de FSB in Mhz in? Is dat een switch van een nulletje naar een eentje en andersom? of
is dat een ingewikkelder berekening?

Ik zoek een beetje naar de natuurkundige wetten en principes in de chip.
Waarschijnlijk is er af en toe een post geweest in een topic van iemand die gewoon wat algemene informatie zocht over overclocken, en juist daardoor raak je als je op zoek bent overspoeld met allerlei beginners topics.
Sites op het internet behandelen bijna altijd alleen de basis.
Is er een topic of site over de meer theoretische/technische kant aan overclocken waarvan jullie weten?

[ Voor 13% gewijzigd door Fawn op 13-12-2008 17:04 ]

[Wish]

Over aluminium vs. koper.... ook hier helpt GoT: link.

Het waarom staat op Wiki (en heeft te maken met hoe "losjes" electronen kunnen bewegen).

[Fawn]

bedankt 'danmaarniet'!
Ik denk dat mijn grote probleem bij het zoeken is dat ik de termen niet ken.
Er lijken ook verbanden te liggen tussen thermische en electrische geleidbaarheid, daar zal ik me eens in verdiepen.

[Iska]

Da's wel een hele lijst zeg .. Ik zal er zo veel mogelijk proberen te beantwoorden

- Je kan bij een cpu het voltage verhogen, ik mis de informatie over de stroom, is er een standaard ampèrage dat door de processor loopt?
Nee, de stroom is gegeven door I = U/R, waarbij I de stroom is, U het voltage en R de weerstand.. Dus als jij het voltage verhoogd word gaat er automatisch meer stroom lopen

- Als een computer instabiel wordt doordat de cpu te hoog geclockt is op een te laag voltage, dan wordt het verschil tussen een stroompje of geen stroompje te klein, gokt de computer dan maar wat het moet zijn? Wordt alles een nulletje?
Ik weet niet precies waar dit door komt, maar mijn vermoeden is dat het feit te maken heeft dat elk type transistor maar op een max. frequentie kan hebben bij een bepaald voltage. Als hij dus sneller moet gaan werken dan normaal heeft die wat extra nodig.

- Daarnaast kan ik ook erg moeilijk vinden waardoor processors die op een kleiner procedé (bijv 45nm) gebakken zijn, energiezuiniger zijn.
Simpelweg omdat kleine transistors minder stroom (Ampere) nodig hebben en U*I = P (vermogen).. dus heb je minder energie

- Wat is de berekening die 50 miljoen keer per seconde gedaan zou worden bij een 50Mhz processor? Wat houdt de snelheid van de FSB in Mhz in? Is dat een switch van een nulletje naar een eentje en andersom? of
is dat een ingewikkelder berekening?
De freq. van een processor hangt af van de multiplier * de FSB waarbij de FSB de frequentie is waarmee de CPU communiceert met bijv. je RAM.
En die berekening moet je niet te letterlijk nemen. Dat houd meer in dat hij zoveel keer een rij instructies uitvoert.. dus niet in 1 keer Pi met 1M decimalen

[Fawn]

Jasper91 schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 19:47:

- Daarnaast kan ik ook erg moeilijk vinden waardoor processors die op een kleiner procedé (bijv 45nm) gebakken zijn, energiezuiniger zijn.
Simpelweg omdat kleine transistors minder stroom (Ampere) nodig hebben en U*I = P (vermogen).. dus heb je minder energie

Komt dit doordat een kleinere transistor minder weerstand heeft en de verbindingen tussen de transistors ook?

Jasper91 schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 19:47:

-Wat is de berekening die 50 miljoen keer per seconde gedaan zou worden bij een 50Mhz processor? Wat houdt de snelheid van de FSB in Mhz in? Is dat een switch van een nulletje naar een eentje en andersom? of
is dat een ingewikkelder berekening?
De freq. van een processor hangt af van de multiplier * de FSB waarbij de FSB de frequentie is waarmee de CPU communiceert met bijv. je RAM.
En die berekening moet je niet te letterlijk nemen. Dat houd meer in dat hij zoveel keer een rij instructies uitvoert.. dus niet in 1 keer Pi met 1M decimalen

Is dit verschillend per processor? Wordt de grootte van de berekening bepaalt door het aantal bit processor? Of staat dat er volledig los van?

Dank voor je hulp.

[ Voor 18% gewijzigd door Fawn op 13-12-2008 20:15 ]

[SH4D3H]

Fawn schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 20:15:
[...]
Is dit verschillend per processor? Wordt de grootte van de berekening bepaalt door het aantal bit processor? Of staat dat er volledig los van?

Je moet het niet zien als 'berekening' maar als 'bewerking', bijvoorbeeld:
- stop getal 100 in register 1
- lees register 5
- schuif alle bitjes in register 3 een plekje naar links

Het aantal bits van de processor heeft met de grote van de getallen (data) te maken waarmee gewerkt kan worden.

[Onbekend]

Jasper91 schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 19:47:
- Als een computer instabiel wordt doordat de cpu te hoog geclockt is op een te laag voltage, dan wordt het verschil tussen een stroompje of geen stroompje te klein, gokt de computer dan maar wat het moet zijn? Wordt alles een nulletje?
Ik weet niet precies waar dit door komt, maar mijn vermoeden is dat het feit te maken heeft dat elk type transistor maar op een max. frequentie kan hebben bij een bepaald voltage. Als hij dus sneller moet gaan werken dan normaal heeft die wat extra nodig.

Een elektronisch digitaal werkt met logische enen en nullen. Dit wordt gekenmerkt door een bepaalde spanning. Door storingen van buitenaf (ruis) kan het zijn dat die spanning iets anders is dan wat oorspronkelijk is verstuurd. Om te voorkomen dat een logische nul voor een één wordt aangezien en andersom, is er een zone bedacht die een ongedefinieerde status aangeeft zodat er een duidelijk verschil te zien is tussen een logische één en een nul.
Bij de meeste componenten is 0 - 0,8 volt een logische nul en een spanning van 2 - 3,3 volt of 2 - 5 volt een logische één. De spanning tussen 0,8 en 2 volt is niet gedefinieerd en mag niet worden gebruikt.

Bij een processor en andere snelle componenten wordt een lagere spanning gebruikt om het opgenomen vermogen (warmte) te verminderen. Als er een lagere spanning wordt gebruikt, betekent het dat de verschillen in spanningen kleiner zijn geworden. In storingsgevoelige omgevingen kan dat dus betekenen dat sommige spanningen in de zone komen waarvan de waarden niet gedefinieerd zijn. Dit betekend dat een aangesloten component een logische één ziet terwijl er een logische nul wordt weggestuurd en kan resulteren in onverklaarbaar gedrag.

[kalizec]

Fawn schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 16:57:
Geleidt koper beter warmte dan aluminium en waarom?

Deze zag ik nog niet beantwoord staan, maar wellicht kan de TS nog een reply doen met welke vragen hij nog geen antwoord op heeft, of meer vragen over heeft.

Aluminium heeft een warmtegeleiding van 237 W/m/K
Koper heeft een warmtegeleiding van 401 W/m/K
Zilver heeft een warmtegeleiding van 429 W/m/K

Zoals je ziet is het verschil tussen aluminium en koper best fors. Verder is zilver inderdaad nog een stapje beter dan koper, maar is dat niet betaalbaar in hoeveelheden die je nodig hebt voor een koelblok. Voor zoiets als koelpasta is het wellicht weer wel de moeite, daarom bestaan er ook Artic Silver en andere op zilver gebaseerde koelpasta's.

Verder is er naar mijn weten geen echte site waar alle natuurkundige effecten behandeld worden. (Al kun je met veel puzzelen tussen GoT en Wikipedia een heel eind komen imho).

[Fawn]

kalizec schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 21:08:
[...]
..wellicht kan de TS nog een reply doen met welke vragen hij nog geen antwoord op heeft, of meer vragen over heeft.

Natuurlijk:

Zijn er naast electromigratie nog andere processen in de processor die de levensduur verkorten? (puur door warmte, niet door statische electriciteit)

Ik snap nu ondertussen wel het systeem van warmtegeleiding, ik was hier ooit een keer in de war over geraakt door een overclocking guide, die stelde dat aluminium waarschijnlijk ongeveer even goed warmte geleidt als koper, maar dat de soortelijke warmte van koper hoger ligt en dat het uiteindelijk weinig invloed had op de geleiding welke van de twee metalen je koos. Maar er is dus wel een duidelijk verschil.

Verder maakte SH4D3H me wel goed duidelijk hoe je de berekening/bewerking moet zien, ik moet me nu nog iets beter gaan inlezen wat het inhoudt op het gebied FSB,
Ik ben door een afbeelding op wikipedia in de war gebracht:

Ik vraag me nu af hoe de instelling van de FSB invloed kan hebben op de snelheid van het RAM, en of het nog iets uitmaakt voor de videokaart/videochip op het moederbord. De FSB schijnt door de northbridge chip niet direct met het RAM in verbinding te staan. Hier kan ik echter ook zelf nog wel even naar op zoek gaan.

Ik vraag me ook nog af wat er gebeurd bij de spanning tussen bijv. 0,8 en 2 volt die niet gedefinieerd is en niet mag worden gebruikt. Hoe reageert zo'n transistor daarop? Of weet het OS of BIOS wanneer er zo'n ongedefinieerd signaal voorbijkomt en geeft het dan een foutmelding?

En dan dat zuiniger zijn bij een kleiner procedé, is kleiner altijd zuiniger? Heeft een kleinere verbinding minder weerstand? Of kost het minder energie om een kleinere transistor te 'schakelen'?

Ik heb zelf Artic Silver koelpasta, in welke vorm zit het zilver daar eigenlijk in? Als een oxide?

[ Voor 3% gewijzigd door Fawn op 13-12-2008 21:57 ]

[Iska]

RAM freq. = FSB * 2.. en FSB heeft niet direct wat met je grafische kaarten te maken, je PCIe freq. kan je apart instellen

[H!GHGuY]

Fawn schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 16:57:
Wat is de berekening die 50 miljoen keer per seconde gedaan zou worden bij een 50Mhz processor?

Lees je even in over "pipeline stages". Een berekening zoals a = a + 1 wordt in verschillende stappen uitgevoerd. Niet alleen moet je een load(lees geheugen) en een store (schrijf geheugen) ook voeren maar ook de +. Elk van deze operatie kan meerdere klokcycli in beslag nemen. Denk als een lopende band in een fabriek. bvb in de autofabriek loopt er elke 5 min een auto buiten, dan is je "kloksnelheid" 1auto/5min. De auto wordt echter niet in 5 minuten geassembleerd. Elke stap heeft 5 minuten om te voltooien en dus neemt een instructie bvb 15 klokcycli in beslag, maar doordat er tegelijk 15 van deze instructies in de pipeline kunnen kun je zeggen dat je 1 instructie per klok afwerkt en dus ook 50MHz ~ 50M instructies/sec.
Er zijn echter nog factoren in het spel zoals meerdere ALU's in een core en andere manieren om op micro-niveau parallellisme toe te voegen.

Wat houdt de snelheid van de FSB in Mhz in?

Dit houdt meestal het aantal transacties/s in dat tussen processor en north bridge kan verlopen.
Om de uiteindelijk bandbreedte te bepalen zijn nog wel enkele andere factoren belangrijk zoals busbreedte (vb 32bit), half of full duplex, SDR/DDR/QDR, ...
Bemerk dat men bij AMD processoren (door hypertransport) en bij toekomstige Intel processoren (CSI dacht ik) niet meer over FSB spreekt.

[Onbekend]

Fawn schreef op zaterdag 13 december 2008 @ 21:53:
Ik vraag me ook nog af wat er gebeurd bij de spanning tussen bijv. 0,8 en 2 volt die niet gedefinieerd is en niet mag worden gebruikt. Hoe reageert zo'n transistor daarop? Of weet het OS of BIOS wanneer er zo'n ongedefinieerd signaal voorbijkomt en geeft het dan een foutmelding?

Er komt geen foutmelding.

Elk component verschilt van elkaar. Ook de componenten van het zelfde type verschillen onderling van elkaar.
Het ene component zal 1 volt als een logische nul aanzien, en een andere als een logische één. De interne transistoren zijn zelf ook niet voorspelbaar in dat gebied. De een wordt helemaal open gestuurd, de andere helemaal niet, en de derde wordt maar voor een deel open gestuurd.
Er ontstaan gewoon communicatieproblemen waardoor de computer vreemde bewerkingen uitvoert of zelfs vast loopt.

[kalizec]

Slijtage
Naast electronmigratie zijn er geen andere processen die voor 'slijtage' zorgen. Wel is de kans op falen van een overclockte CPU om andere redenen nog groter. Die hangen echter allemaal samen met de temperatuur van de CPU, dus zijn met goede koeling volledig te compenseren. (electronmigratie is maar deels te compenseren met betere koeling.)

Een CPU die boven een bepaalde temperatuur komt gaat 'meteen' kapot. Of dit nu het smelten is van sommige van de soldeerverbindingen of dat sommige structuren fundamenteel veranderen boven een bepaalde temperatuur. Deze zijn allemaal het rechtstreekse gevolg van een hoge temperatuur. Alle hedendaagse CPU's zijn tegen een dergelijke te hoge temperatuur beveiligd en schakelen zichzelf uit of klokken voldoende terug (of beide).

Verder kan een CPU nog kapot gaan door het 'breken' van de soldeerverbindingen binnen de package. Bij CPU's komt dit erg zelden voor, maar Nvidia heeft hier met zijn GPU's recent nog problemen mee gehad (als het uberhaubt opgelost is). Het gaat dan om mechanisch falen, door vermoeidheid of overbelasting. Voor informatie verwijs ik je naar:

Wikipedia: Nvidia

FSB
Wat FSB betreft. In de nabije toekomst bestaat er geen FSB meer. Thans, AMD CPU's hebben er geen meer (vanwege de ingebouwde geheugencontroller), en toekomstige Intel CPU's vanaf de nieuwe Core i7 serie ook. In dat plaatje klopt iets niet (en daarom is het inderdaad verwarrend). Je mag de Northbridge daar midden boven op dat kruis zetten.

Verder geldt voor bijna alle systemen dat er sprake is van 1 basis-clock voor CPU, RAM, etc en dat alle andere clocks daar van afgeleid worden middels dividers en multipliers. Als je die ene basis-clock ophoogd gaan alle andere clocks ook mee, dus ook die voor het geheugen.

Ongedefinieerd
Voor zover ik weet zal een transistor die zich in ongedefinieerd gebied bevindt een 'kans' op een nul en een 'kans' op een één hebben. Thans, er valt dus niet te voorspellen of het een 1 of 0 wordt. Te meer omdat dit ook weer afhangt van de gevoeligheid van de achterliggende electronica, die ook weer eigen marges heeft etc. Een CPU kan zo'n fout soms zelf 'opmerken', soms ook niet. Vaak is een opgemerkte fout echter niet 123 meer te herstellen (bijvoorbeeld middels error-correctie zoals ECC) en moet eea. opnieuw uitgerekend worden (hier komt software om de hoek kijken, de CPU meldt dan via zogenaamde 'flags' dat er iets mis gegaan is, op eenzelfde manier als 1 delen door 0 niet kan, bijvoorbeeld) worden. Mocht ook dat niet mogelijk zijn dan zal er waarschijnlijk een proces crashen. Mocht een dergelijke fout niet opgemerkt worden kan er ook data-corruptie optreden.

Kleiner procedé
De benodigde energie voor schakelen wordt minder naarmate het proces kleiner is. Echter neemt de lek-weerstand toe; transistoren waar spanning op staat, lekken stroom. Hoe kleiner de transistor des te groter het probleem van lekstroom wordt. Daarom worden methoden zoals SOI en High-K gebruikt, om lekstroom te verminderen.

Arctic Silver
De zilver in Arctic Silver en dergelijke is voornamelijk in pure vorm, maar dan in heel kleine 'korrels'. Die korrels bevinden zich in suspensie middels een speciale olie.

[Verwijderd]

Als je een processor overclockt, dan gaat deze dus meer signalen verwerken. Hoe hoger de snelheid hoe meer storing er komt in de transistors. Het verschil tussen wel en geen stroom 0/1 wordt kleiner. Dit kan je dus oplossen door de voltages te verhogen.

Als je voltages omhoog gaan, wordt de processor heter.
De weerstand van de geleiders in je processor wordt hierdoor groter http://nl.wikipedia.org/wiki/Geleider

Deze 2 zijn een samenhang van wat een processor aan kan.

[0rbit]

Als je het in termen van elektrotechniek wilt zien (wat eigenlijk wel zou moeten) dan zul je je in het begrip SNR (ookwel "signaal-ruis-verhouding" ) moeten verdiepen. Dit begrip kom je overal weer tegen omdat het de basis is van informatieoverdracht middels elektrische signalen.

De hoeveelheid ruis in een transistor is een functie van de temperatuur. Daarnaast heeft een transistor een bepaalde capaciteit. Je moet er dus een bepaald aantal elektronen in stoppen per volt om de spanning te laten stijgen. Hoe groter de transistor hoe groter deze capaciteit. Een kleinere transistor heeft een kleinere capaciteit en je kunt dus met gelijke stroom sneller deze capaciteit vullen of legen (schakelen). (Vergelijk het vullen en leegdrinken van pullen met het vullen en leegdrinken van borrelglaasjes) Normaalgesproken gebeurt dit schakelen alleen onder invloed van de stroom die je aanbrengt, maar door thermische ruis ligt het moment waarop geschakeld wordt niet precies vast.

Nog een effect; De maximale stroom bij gegeven spanning is een functie van de weerstand. Warmere materialen hebben over het algemeen een hogere weerstand en dus wordt het bij hogere temperaturen steeds moeilijker om de capaciteiten te vullen. Door de spanning te verhogen kun je ze dus ook sneller vullen en zodoende is de logische 1 of 0 sneller bereikbaar. Dit gaat natuurlijk wel ten koste van het opgenomen vermogen; kwadratisch voor de spanning en lineair met de frequentie. Dit is de reden dat je in de praktijk bij het overklokken al vrij snel tegen de grenzen aanloopt; De capaciteiten van de transistoren zijn gewoon te groot om de transistoren te schakelen en natuurlijk al helemaal als je ook nog eens te maken krijgt met lekstromen...

De capaciteit (grootte) en de temperatuur bepalen dus grotendeels hoe snel je een transistor aan of uit kunt zetten. Dit beperkt de kloksnelheid van een enkele transistor. Die kan in de praktijk oplopen tot tientallen GHz. In een CPU heb je natuurlijk meerdere ketens van transistoren die een bewerking uitvoeren. Als je 64 transistoren na elkaar moet schakelen om bijvoorbeeld een getal middels een operatie in een register met een ander getal te vermenigvuldigen, dan mag je kloksnelheid niet hoger zijn dan de maximale schakelfrequentie van een transistor gedeeld door (bijvoorbeeld) 64. (Dat heeft met de carry-bits te maken in dit geval) Natuurlijk worden deze operaties in de praktijk meestal anders gedaan; maar het principe is hetzelfde. En wat voor de ruis op een transistor geldt, geldt nog sterker voor schakelingen van transistoren. Zodra er één begint te klapperen levert dit meestal foute berekeningen op (artifacts in videokaarten bijvoorbeeld). Op den duur loopt je CPU gewoon vast, omdat het ding in een niet gedefinieerde toestand geraakt; De daadwerkelijke stuursignalen kloppen niet meer, of de program counter verspringt willekeurig. Er kan op dat niveau heel veel mis gaan.

[ Voor 18% gewijzigd door 0rbit op 14-12-2008 01:21 ]

[Fawn]

Bedankt mensen, ik denk dat het me nu wel duidelijk is geworden.
Ik ga me nog even inlezen in pipeline stages, het systeem waardoor FSB wordt opgevolgd en signaal-ruis-verhouding.

[Fawn]

Oke, nog één laatste vraag dan..
Zou iemand een website weten met een goeie duidelijke uitleg van wat er gebeurt bij electromigratie?
Ik weet dat de structuur van de atomen gesloopt wordt door electrische velden, maar ik weet het allemaal niet precies.
Ik heb op de engelse wikipedia gekeken, maar bij de pagina draait het er om zoveel mogelijk informatie eromheen te geven, en de uitleg van het proces zelf is voor mij iets te beknopt.
Howstuffworks biedt ook geen oplossing.

Even uit de FAQ:
"Elektromigratie is het verschijnsel dat de metalen die de verbindingsdraden tussen de transistoren op een chip vormen zich atoom voor atoom verplaatsen van de ene plek naar de andere plek op de chip. Dit gebeurt onder invloed van de extreem hoge veldsterktes tussen de metalen sporen, en hoge lokale temperaturen. Uiteindelijk resulteert dit in een onderbroken verbinding (wegens weggemigreerde metaalatomen), of een kortsluiting (wegens erbij gekomen atomen), en dus een kapotte chip."
Dit stukje bespreekt alleen wat er gebeurt, niet hoe het gebeurt en waarom.

[Marc Rademaker]

Ik snap dat je je hierin wilt verdiepen, het is best wel interessant. Maar gaat het puur om nieuwsgierigheid, of probeer je ook uit te vinden of je nou wel of niet moet gaan overklokken?

[Fawn]

VeniceX2 schreef op woensdag 17 december 2008 @ 22:54:
Ik snap dat je je hierin wilt verdiepen, het is best wel interessant. Maar gaat het puur om nieuwsgierigheid, of probeer je ook uit te vinden of je nou wel of niet moet gaan overklokken?

Ik zal het maar opbiechten. Ik zit nu in 6VWO en heb daarom een profielwerkstuk gemaakt over overklokken.
Daarbij heb ik het een en ander gemeten aan de overgeklokte computer, onder andere op welke snelheid de processor het efficiëntst werkt. Ik moest daar ook een verslag voor maken, die ik vandaag heb ingeleverd.
Ik had redelijk veel verstand van hardware en overklokken, maar degene waarmee ik samenwerkte niet zo.
Toen hebben we besloten dat hij zich vooral op het uitwerken van de resultaten zou richten, en ik de diepere theorie van het overklokken zou proberen uit te werken. Zo bleef het voor hem leuk en begrijpelijk, en gaf het mij nog iets meer uitdaging.
Ik deed het profielwerkstuk voor het vak (en de begeleider van) natuurkunde. Dit verklaart waarom ik zo doorvroeg naar de achterliggende principes bij het overklokken.
Het is echter niet puur om dat verslag dat ik ernaar vroeg, ik ben zeker wel echt geïnteresseerd in hoe die systemen werken.

Bedankt mensen, voor het mede mogelijk maken van ons profielwerkstuk.

mocht iemand nog een site weten over electro(n)migratie, dan wil ik die nog wel graag weten!

[ Voor 4% gewijzigd door Fawn op 18-12-2008 15:13 ]