Ivy Bridge E Kernspannung Diskussion

[OOYL]

Guten Abend

Es geht um die Kernspannung "vcore" eines i7 4930k. (Ivy Bridge E; Rampage IV X79)

Im Internetz habe ich zwar einiges dazu gefunden, aber das Gesuchte war nicht dabei. Es handelte sich bei den Aussagen meist um vorsichtige Empfehlungen, für 24/7 Betrieb etc etc. Hier im Forum wurde ich unter angemessenem Zeitaufwand auch nicht fündig. Diese individuellen Kaufberatungs-Threads könnte man wirklich mal löschen.

Zu den Fragen:

a) Wie viel Spannung erträgt das Teil wirklich? 1.6V, 1.7V? Und nein, ich meine nicht die 1.35V von Intel Hier sind Erfahrungswerte sehr wertvoll.
"Gesucht" sind die Maxima für Benchmarking (=nur für kurze Zeit) und tägliches Spielen -> Erfahrungswerte.

b) Welche Rolle spielt die Temperatur (Kühlung)? Könnte man annehmen, dass bei einer tiefen Temperatur 1.5V vcore weniger Schaden/Verschleiss verursachen als bei einer hohen?

Zur Info: CPU, MB (VRM+ SB) und GPU sind wassergekühlt. Die CPU bleibt bei 50°C unter Last (4200MHz, 1.28V; Prime95)

Ich möchte wirklich mal ans Limit gehen, ausserdem habe ich bei Intel spezielle OC-Garantieerweiterungen gesehen, mit denen man die CPU ausserhalb ihrer Spezifikation betreiben darf und Ersatz erhält, falls die CPU dabei abrauchen sollte

Danke

 

[markus1612]

Für 24/7 unter Wasser würde ich nicht über 1.35 gehen.

 

[Brehministrator]

Ich kann dir keine genauen Spannungen zu dieser CPU nennen, kann dir aber die Mechanismen etwas näher bringen, die für den vorzeitigen Tod einer CPU durch zu viel Spannung verantwortlich sind In erster Linie ist das die Elektromigration (siehe Wiki: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromigration). In modernen CPUs sind die elektrischen Verbindungen auf dem Halbleiter-Substrat nur noch ein paar hundert Atomlagen breit. Bildlich gesprochen stoßen nun bei elektrischem Stromfluss die Elektronen gegen die Atomkerne, und können letztere ein Stück "mitspülen". Durch dieses "Wegschwemmen" der Leiterbahnen können Engstellen entstehen, und letztlich kann die Verbindung ganz unterbrochen werden. Dann ist die CPU kaputt. Das ist übrigens keine theoretische/akademische Betrachtung, sondern wirklich sehr praxisrelevant. Schon beim Pentium 4 gab es damals massive Probleme damit. Googel mal nach "Sudden Northwood Dead Syndrome", damals sind tausende CPUs durch Elektromigration (aufgrund eines Design-Fehlers von Intel) kaputt gegangen

https://de.wikipedia.org/wiki/Sudden_Northwood_Death_Syndrome

Die Elektromigration hängt im Wesentlichen nur von 2 Dingen ab: Von Stromdichte im Leiter (also Stromfluss pro Querschnittsfläche) und Temperatur. Der Stromfluss steigt linear mit der Spannung. Mit jedem bisschen mehr Spannung, die du der CPU gibst, steigt also die Elektromigration an, selbst wenn die Temperaturen völlig unverändert bleiben. Andererseits begünstigen hohe Temperaturen natürlich die Elektromigration, weil dann die Atome stärker an ihren Gitterplätzen schwingen, und leichter verschoben werden können. Dann gibt es noch unangehehme Rückkopplungen: Größere Temperatur verringert den Widerstand des Halbleiter-Materials, so dass bei größerer Temperatur automatisch der Stromfluss größer wird (bei identischer Spannung!). Größerer Stromfluss bedeutet aber wieder höhere Temperatur, usw. Das ganze ist also ausgesprochen nicht-linear...

Übrigens verringert sogar Übertakten ohne Spannungsänderung die Lebensdauer der CPU, weil bei größerer Taktfrequenz automatisch auch der Stromfluss ansteigt (kapazitive Umladeströme, um die Gates der Transistoren zu schalten). Übertakten reduziert also generell die Lebensdauer. Zum Benchen macht das nix aus, aber für 24/7 sollte man gut darüber nachdenken, ob man das Risiko auf sich nehmen möchte.

Langer Rede kurzer Sinn: Mit höherer Spannung altert deine CPU schneller. Und wenn sie warm/heiß wird, altert sie auch schneller. Wenn sogar beides der Fall ist, altert sie sogar massiv schneller... Ich würde also die Spannung nie höher stellen, als es sein muss, um alle Aufgaben erfüllen zu können (z.B. alle Spiele flüssig spielen). Sonst könnte man es bald bereuen, wenn die CPU dann kaputt ist...

 

[OOYL]

Danke für deinen Beitrag, Brehministrator. Sehr informativ, so habe ich mir dieses Forum vorgestellt

Jetzt warte ich noch auf Denjenigen (schreibt man das gross?), der mir sagen kann wie viel zu viel ist^^

 

[General Quicksilver]

Die Frage nach dem wie viel ist nicht ganz so leicht zu beantworten, wie es zunächst scheint, da eine Vielzahl von Schädigungsmechanismen letztlich zum Ausfall der CPU führen. So altert die CPU auch im ausgeschaltetem Zustand bei Raumtemperatur durh die Streßmigration, nur das diese im Anwendungsfall einer CPU mehr oder weniger bedeutungslos ist, da die Sperrschichttemperatur der CPU maximal im Bereich von 125°C (Schwelle Notabschaltung) liegt und deshalb die Alterung durch die Streßmigration wohl im Bereich von mehreren Jahrzehnten oder sogar Jahrhunderten oder noch mehr liegt. Bei Hochtemperaturschaltkreisen (Sperrschichttemperatur >200°C+) hingegen sind das wohl nur einige 100 Stunden. Mit den anderen Mechanismen ists auch nicht besser. TDDB (Time dependand dielectric breakdown) beschreibt den Vorgang, der zum Versagen der Isolationsschicht zwischen Gate und Body des Fets führt. Dieser Vorgang hängt von der über der Isolationsschicht anliegenden Spannung und der herschenden Temperatur ab. Bei einer bestimmten Spannung und einer bestimmten Temperatur versagt die Isolationsschicht nach einer bestimmten Zeit. Eine höhere Spannung verkürzt die Zeit bis zum Versagen des Dielektrikums, genauso wie eine höhere Temperatur. Eine Spannungsänderung wirkt sich mit der 40. Potenz auf die Zeit bis zum Durschschlag aus und eine Temperaturänderung wohl (laut einer Arbeit die ich mal zu diesem Tema gelesen habe) mit dem faktor 10 je 30°C. Das bedeutet eine 10% höhere Spannung verkürzt die Zeit bis zum Versagen der Isolationsschicht bei gleicher Temperatur auf etwa 2,2%, wohingegen eine 10°C geringere Betriebstemperatur diese Zeit auf etwa 215,44% erhöht. In der Kombination von beidem ergäbe sich somit etwa 4,76% der ursprünglichen Funktionsdauer. Und hier liegt auch schon das Problem was sind die Ursprungswerte. Angenommen es wären 1000000 Stunden bei 1,1V (=~ 114,16 Jahre) und 105°C im Dauerbetrieb, bedeutet das, dass 1,5V und 60°C zu einer Betriebszeit von 129,4 Stunden führen würde. Sollten aber 1,4 V und 105°C hingegen eine Betriebszeit von 20000 Stunden (=~ 2,28 Jahre) führen, würden 1,5V und 60°C zu einer Betriebszeit von 40040,6 Stunden führen. Es kommt eben auf die Startwerte an, und diese sind leider nicht bekannt. Wohlhgemerkt TDDB führt zum Ausfall der CPU nicht zur Degeneration. Eine mögliche Degeneration tritt deutlich vorher (durch andere Effekte (BTI, HCI, usw), aber auch durch TDDB Effekte wie SLIC, Softbreakdown) ein. Bekannt ist, das wohl einige Haswells (selber Fertigungsprozess) nach 6 Monaten (4320 Stunden) Dauerbetrieb bei 1,55V und etwa ~ 70°C Degenerationserscheinungen gezeigt haben, aber zumindest nicht ausgefallen sind. Extrapolieren wir dieses Verhalten auf die Ursprüngliche Frage und legen die CPU Temperratur auf 105°C (Trottelschwelle) fest, würde das bei 1,5V 1092,5 h bedeuten. Entsprechend würde das 82,7 h bei 1,6V bedeuten, 1,7V würde zu 7,3h Betriebszeit führen, 1,35V hingegen zu 73915,3h , zumindest theoretisch was die TDDB angeht. Leider sind die Extrapolationswerte alles andere als genau (z.B.: sind die 70°C für die Haswells als Ausgangswert alles andere als gesichert) und die Abhängigkeiten gelten entsprechend nur für TDDB. Die bereits vorgestellte Elektromigration hat hiermit nichts primär zu tun (TDDB passiert auch ohne Last auf der CPU bei entsprechend anliegender Spannung), aber auch die mit der Zeit ansteigenden Gateleckströme (SILC) oder auftretende Softbreakdowns erhöhen den Stromfluss entsprechend. Außerdem steigen die Leckströme expotentiell mit der Spannung und der Temperatur an, was entsprechend ebenfalls die Elektromigration begünstigt. Abseits davon kann es aber auch zu komplett anderen defekten kommen, z.B.: Überschläge usw oder Beschädígungen des PCBs der CPU.
Wie viel Spannung kannst du nun also auf die CPU geben? Das hängt vor allem davon ab, wie schlimm ein Ausfall der CPU (und unter Umständen auch des Boards) für dich wäre und wie lange du noch die CPU benutzen möchtest. 10h Benchen bei 1,6V und 105°C belasten die CPU (bezüglich der TDDB) theoretisch genauso wie ein Betrieb von 41506,4 Stunden (= ~4,7 Jahre) bei 1,35V und 85°C.
Bedenke aber das das ganze recht viele Annahmen und ungesicherte extrapolationen enthält, da auch über das ganze recht wenig an Daten vorliegt. (Wer betreibt schon eine größere Anzahl von aktuellen CPUs dauerhaft über einen langen Zeitraum bei 1,5V++ unter kontrollierten Bedingungen (bei hohen Temperaturen) und dokumentiert das ganze bis zum Ausfall?)

 

[OOYL]

Vielen Dank für die Infos. Dann werde ich der CPU die von ihr verlangte Spannung (1.5V) testweise geben.

 

[General Quicksilver]

Vielen Dank für die Infos. Dann werde ich der CPU die von ihr verlangte Spannung (1.5V) testweise geben.

Bitte, aber bedenke, dass die Ausgangswerte nicht gesichert sind und dass eine Degeneration der CPU deutlich vor dem Totalausfall auftritt. Auserdem können auch "untypische" Defekte auftreten. 1,5V sollten aber zum Benchen zumindest kurzzeitig noch im Rahmen liegen. Was ich so gesehen habe, sind auch einige Haswell-Es mit 1,5V zum Benchen dabei sind, welche ja denselben Fertigungsprozess haben. Aber wie gesagt, im Endeffeckt kommt es darauf an, wie sehr dir ein Ausfall des CPUs und des Boards schaden würde und wie bereit du bist das Risiko einzugehen. Wie beschrieben, sollte es eigentlich nicht so sein, das die CPU sofort ausfällt, sondern das die CPU entsprechend schneller altert.

 

[Cross-Flow]

Noch nen kleinen Nachtrag:

Nehmen wir als Beispiel mal eine x belibige Intel CPU wie den 3570K. Nehmen wir fikiv an alle 3570K CPUs hätten eine TDP von 65 Watt.

Nun ist es so das es ja einige CPUs gibt die eine VID von 1,200v hinterlegt haben, andere wiederrum haben nur 1,015v. Wie passiert es dann das sich trotz dieser breiten Streuung alle CPUs in dem 65 Watt Fenster bewegen?

Aus elektrotenischer Sicht ist es so das die CPUs welche Intel mit einer höheren VID ausstattet die Qualikativ besseren sind, da sie einen geringeren Innenwiederstand haben. Somit können diese CPUs trotz höherer Spannung weniger verbrauchen / kühler bleiben.

Wenn man overclocking ( auch 24 / 7 ) overclocking richtig bereiben möchte dann schaut man zuerst welche Vorraussetungen gegeben sind. Man nimmt sich eine Zahl X als Ziel die man mit Prozessor Y erreichen will. Bei mir ist es z.B. 4200 Mhz bei einem 3570K. Nun schaut man wie der Prozessor gekühlt werden soll. Möchte man ein "sanftes" OC ( wie in meinem Beispiel ) und das mit Luft Kühlen so kommt ein Prozessor mit hoher VID in Frage.

Will man dagegen Benchen und eine eine potente Wasserkühlung oder besser sollte man einen Prozessor mit niedriger VID wählen.

Die PDF Docs von Intel was die Maximale VID angeht hab ich für Sandy und Ivy noch auf dem Rechner, 1,510v sind da maximum. Wie das bei Hasswell und co aussieht kann ich dir aber leider nicht sagen.

Und zum Mythos Elektromigration lass dir mal noch folgendes gesagt sein:

So wie Quicksilver es geschrieben hat ist es schon richtig. Spannung und Temperatur sind die Hauptgründe. Was hier allerdings fehlt, bzw. nicht aufgeführt ist, sind solche Sachen wie die Nutzung der LLC und co. Ausserdem wird in der "normalen" Annahme von Elektromigration hier im Forum davon ausgegangen das jeder Prozessor den gleichen Innenwiederstand hat ( was aber nunmal nicht der Fall ist ). Es ist z.B. möglich das ein Prozessor A bei 1,350v viel länger lebt als Prozessor B bei 1,200v ( gleiche Temperaturen vorrausgesetzt ). Das hängt einfach damit zusammen das A eine höhere VID haben könnte ( z.B. 1,275v ) als B ( z.B. 1,020v ).

Ich hoffe es war einigermaßen verständich

 

[Schrotti]

Im Alltag fahre ich keine 1,3V unter Wasser (4,2GHz mit 1,175V und 4,4GHz mit 1,275V).

Zum benchen lege ich maximal 1,45V an (4,6 bis 4,7GHz).

 

[Olstyle]

1,5V sollten aber zum Benchen zumindest kurzzeitig noch im Rahmen liegen. Was ich so gesehen habe, sind auch einige Haswell-Es mit 1,5V zum Benchen dabei sind, welche ja denselben Fertigungsprozess haben.

Beim Haswell sind die potenziell gefährdeten Trigates breiter als bei Ivy. Dem entsprechend sollte Haswell mehr vertragen als Ivy.

 

[General Quicksilver]

Beim Haswell sind die potenziell gefährdeten Trigates breiter als bei Ivy. Dem entsprechend sollte Haswell mehr vertragen als Ivy.

Es geht bei der Spannungsanfälligkeit bezüglich TDDB nicht um die Breite / Höhe / Länge / Anzahl der Finnen des Transistors sondern nur um die Dicke des Dielektrikums, sprich des High - K - Stapels. (Einen gewissen Einfluss hat zwar auch die Geometrie, doch da die Finnen ja einen ähnliche Form (--> Trapezförmig) aufweisen sollte das auch nicht so relevant sein. Andere Degenerationsmechanismen weisen andere Abhängigkeiten auf, da kann das schon mit reinspielen, aber TDDB sollte durch die Abhängigkeit in der 40. Potenz da, zumindest bei normalen CPU - Temperaturen und höheren Spannungen am schnellsten zum Tragen kommen. (Die Inputspannung bei den Haswell-Es scheint da ja auch anfällig zu sein --> 1,8V Standard; 1,95V für OC; 2,2V CPU innerhalb von Tagen kaputt; 2,4V CPU innerhalb von Stunden kaputt jeweils bezogen auf ~ 90°C Kerntemperatur; bei ~ -130°C geht aber wohl 3,0V für irgendwelche Benchs, das dürfte bei 100°C aber wohl innerhalb von Sekunden zum Ausfall führen).

 

[Olstyle]

Bei zu hoher differenz zwischen Inputspannungund Vcore brät man die internen VRMs, das hat Nichts mit der Fertigung des CPU-Kerns zu tun.

 

[General Quicksilver]

Bei zu hoher differenz zwischen Inputspannungund Vcore brät man die internen VRMs, das hat Nichts mit der Fertigung des CPU-Kerns zu tun.

Interesannter Weise beim Haswell-E eben offenbar nicht. Es gibt da Berichte über Ausfälle bei StandardVcore und 2,2V Vin und bei 1,6V Vcore und 2,2V Vin, wobei beides ähnlich schnell erfolgt sein soll.
Die Differenz zwischen Input und Vcore soll ja zwischen 0,4V und 0,6V liegen, was bei 1,6V ja dann schon erfüllt wäre. Für den normalen Haswell hast du recht, der wird durch die Differenz zerlegt (und verträgt auch mehr Eingangsspannung) Beim Haswell-E scheints da zumindest noch eine Ausfallkomponente zu geben, die sich auf die absolute Höhe der Spannung bezieht und mit der Höhe der Spannung recht schnell an Bedeutung gewinnt. Entgegen der reinen Differenzspannungtheorie steht auch, das es genug Systeme gibt die mit 1,8V...1,95V Vin und Vcores von ~ 1,0V...1,25V ohne Probleme am laufen sind.
Thema des Vergleichs war aber die Abhängigkeit der Ausfallgeschwindigkeit von der Spannung.