Overclocking

1. Connaissances de base

Introduction

Comment faire pour obtenir de meilleures performances ? On peut certes optimiser les paramètres de sa machine, mais on peut aussi choisir de la faire tourner plus vite, en dehors des fréquences pour lesquelles elle est conçue. C´est ce qu´on appelle "overclocking", pour surcadençage. Je mets en garde les personnes souhaitant faire un overclocking : c´est le genre de manipulations qui peuvent détruire une machine, entraîner des détériorations des données, des plantages récurrents... Les exemples donnés ci-dessous seront applicables à un processeur Intel ou AMD. Le cas de l´athlon64 ne sera pas abordé pour les raisons suivantes : il existe des bus dont les fréquences sont importantes (HTT), et n´ayant pas d´A64, il m´est difficile d´en parler. Je mettrai à jour lorsque j´aurai pu faire des essais.

Fréquences usuelles

Dans un PC on distingue plusieurs fréquences :

• le bus AGP (66 MHz) pour les cartes graphiques d´ancienne génération.
• le bus PCI (33 MHz) pour les cartes d´extension PCI (cartes son, cartes réseau, cartes tuner, cartes graphiques, extension USB...)
• le bus PCIe (100 MHz) pour les cartes d´extension PCI (cartes son, cartes réseau, cartes tuner, cartes graphiques, extension USB...). Les spécifications officielles sont disponibles ici.
• le bus IDE (33MHz) pour la connection des disques durs, et lecteurs optiques, graveurs inclus.
• le FSB qui est normalement la fréquence de dialogue entre le processeur et la mémoire. Je parlerai de FSB_RAM pour la mémoire et FSB_CPU pour le processeur : en effet, ces 2 fréquences peuvent être différentes.

Augmenter la fréquence des bus de dialogue entre différentes cartes risque d´introduire des erreurs de communication, quand ce n´est pas la mort prématurée des éléments connectés dessus. Les disques durs supportent difficilement que l´IDE tourne au delà de 40MHz. Il est donc essentiel de conserver ces fréquences, et de ne toucher qu´à la fréquence du processeur et de la mémoire vive (le FSB) si on souhaite qu´il calcule plus vite. On peut aussi jouer sur le multiple appliqué entre la fréquence FSB_CPU et la fréquence totale du processeur, mais cette fois, seul le processeur est accéléré.

Contraintes thermiques

Pour tout composant numérique, on peut utiliser la loi suivante: P_(W)=k.f_(Hz).V²_(V) pour relier la tension appliquée à un composant avec sa fréquence de fonctionnement et la puissance dissipée. k est une constante propre au composant. P est la puissance dissipée sous forme de chaleur par le composant. On n´a donc pas trop intérêt à augmenter la tension...
A titre d´exemple, un PIV 2.4C avec un V_Core de 1.525V dissipe 66W environ. Overclocké à 3.012 GHz avec un V_Core de 1.675V, sa dissipation passe à 100W, soit 50% de chaleur en plus !
Les caractéristiques des processeurs (dissipations, tensions à ne pas dépasser...) sont disponibles sur les sites des fondeurs (Intel, AMD...)
Pour vous aider à estimer la dissipation de votre processeur, vous pouvez utiliser ma base de données (faire Enregistrer la cible du lien sous...) pour CPU Power.

CPUPower

Nota Bene :

Si CPUPower n´est pas disponible sur le site de PC-silencieux, vous en trouverez un exemplaire ici.

2. Matériel et refroidissement

Matériel

Par définition, un overclocker DOIT connaître son matériel, sinon, il prend trop de risques. Il convient de maitriser les options de son BIOS. Généralement, une machine taillée pour l´overclocking est une machine avec :

• Une carte mère adaptée, avec un Chipset permettant de faire de l´overclocking (cad maintenir les fréquences IDE, AGP, PCIe... fixes quelque soit le FSB), un BIOS riche en options (réglages des timings mémoire), la possibilité de modifier la fréquence de la mémoire FSB_RAM et celle du processeur FSB_CPU, de pouvoir survolter certains éléments (CPU, RAM, Chipset).
• Un boitier convenablement ventilé, car les composants vont chauffer davantage.
• Une alimentation très puissante, car elle devra fournir plus de courant que pour une machine standard.
• Pour les "fanatiques", un processeur dont on connaît le Stepping (son numéro de série), car au sein d´une même gamme, certains processeurs supportent plus ou moins la montée en fréquence, en fonction de la qualité de production.
• De la mémoire pouvant tourner aussi vite que nécessaire (avec des timings les plus faibles possibles), car on privilégie l´augmentation du FSB plutôt que celle du coefficient multiplicateur du processeur (souvent vérouillé chez Intel en fait) pour de meilleurs performances. Les timings sont connus pour les fréquences spécifiées.

Refroidissement

En aircooling, il est essentiel de surdimensionner la taille des dissipateurs, car ceux ci doivent amortir la chaleur due à l´overclocking. Les éléments à bien refroidir sont : le processeur (évidement !), mais aussi le chipset, la mémoire et éventuellement la carte graphique. Pour Cela, on veillera à ajouter des ventilateurs de grande taille sur le boitier et à utiliser des ouvertures ajourées devant les ventilateurs.
Pour les plus courageux, on peut envisager de meilleures solutions avec un refroidissement à eau (WaterCooling), avec un compresseur, ou encore à l´azote liquide. On pourra même polir les surfaces en contact pour améliorer le transfert de chaleur.

Remarque

D´après mon expérience personnelle, l´ajout de dissipateurs sur les barrettes mémoire est assez risqué et peu efficace. Sur les barrettes haut de gamme ce dispositif peut être utile (et il est d´ailleurs déjà monté d´origine), mais sur les barrettes qui en sont dépourvues, il est inutile d´espérer monter plus haut en fréquence.
Bien que méticuleux, j´ai crâmé une barrette avec un dissipateur... En effet l´Arctic Silver 5 ne conduit pas l´électricité, mais elle attire un peu les poussières, et dans mon cas, l´ordinateur a été tuné et nettoyé du mieux que j´ai pu (aspirateur). Mais sûrement pas assez, car de fines particules métalliques ont été trouvées sous les dissipateurs de la barrette défectueuse (tombée en panne 2 mois plus tard).

3. Méthode

L´objectif est d´obtenir une fréquence de fonctionnement plus élevée du processeur et de la mémoire tout en restant stable (pas d´erreurs). Dans la pratique on peut jouer sur le rapport FSB_CPU/FSB_RAM pour augmenter davantage la fréquence du processeur si la mémoire ne parvient pas à aller suffisament vite. C´est ce qu´on appelle la désynchronisation. A noter que les NForce2 ne sont pas doués dans ce domaine : les performances chutent en désynchronisation ! Pour les autres Chipset, pas de soucis.
Afin de trouver le meilleur FSB, je suis en général le protocole suivant :

1. Vérouillage des fréquences PCI, IDE, AGP...
2. Désynchronisation maximale du processeur et de la RAM : la mémoire tourne bien en deça de ses performances, et elle ne devient plus l´élément bloquant. On peut se permettre de mettre des "mauvais" timings.
3. Test pendant plusieurs heures de la mémoire avec des programmes dédiés présents notamment sur Ultimate Boot CD.
4. Augmentation par pallier du FSB_CPU (ce qui fait forcément augmenter le FSB_RAM) : on peut monter assez vite au début.
5. Test avec Prime 95 (quelques minutes).
6. Si le test est positif, on retourne en 3, sinon, on augmente un peu le V_Core (tension du processeur), et on retourne en 3. Si le test reste négatif après hausse du V_Core on peut faire marche arrière et on s´arrête.

Je teste quelques heures avec Prime95 (en cas d´échec, je redescends un peu la fréquence) puis je cherche à améliorer les performances de la mémoire (qui tourne normalement au ralenti) :

1. Modification du coefficient FSB_CPU/FSB_RAM et "mauvais" timings si on est au delà des spécifications de la mémoire.
2. Test avec Prime 95 (quelques minutes).
3. Si le test est positif, on retourne en 1, sinon, on augmente un peu le V_DIM (tension de la mémoire) ou le V_CHIP (tension du Chipset, uniquement si le FSB est au delà des spécifications officielles), et on retourne en 1. Si le test reste négatif après hausse du V_DIM on s´arrête à la valeur correcte.

Viennent ensuite les timings de la mémoire si celle-ci tourne au delà de ses spécifications (ou si elle tolère de meilleurs timings) : changer un paramètre puis tester pendant quelques passes. Valider les timings par de longues heures de test, puis ajouter un cran au V_DIM, car sous Prime95, les tensions vont davantage chuter !
Enfin, je teste avec Prime95 pendant plusieurs heures, ajustant le FSB ou les tensions si nécessaire. (on peut alors redescendre le V_DIM si les tests sont positifs)
Normalement, on a une machine stable qui tourne nettement plus vite ! On peut s´aider de benchs pour "mesurer" le gain.

Nota Bene :

L´utilisation de logiciels d´overclocking est certes bien pratique, mais on ne contrôle pas autant les paramètres que dans le BIOS. A titre d´exemple, l´utilitaire d´Asus pour ma P4P800 met ma RAM en désynchro 2/3 à FSB_CPU=251 MHz, ce qui la fait tourner à 168MHz alors qu´elle peut tenir synchronisée ! La bande passante bride beaucoup les performances de ma machine, vu qu´un calcul rapide montre que la bande passante maximale est alors de 5.5Go/s, ce qui est largement atteint en synchro. Cependant, ces logiciels peuvent être la seule solution face à des BIOS bridés par des constructeurs (HP, DELL,...). Dans ce cas, on peut essayer de retrouver la PLL responsable de la génération des signaux, et avec un peu de chance on pourra quand même fixer la fréquence PCI/AGP/PCIe (selon le chipset). Pour cela, on peut utiliser ClockGen, ou CPUFsb.

4. Stabilité

Prime95

La stabilité d´une machine est une notion difficile à mesurer... Certains se contentent de voir tourner les jeux sans plantage ou de faire chauffer le processeur sans que l´OS ne se plante. Dans la pratique, c´est largement insuffisant ! Rien de tel qu´un logiciel de calcul pour vérifier que le processeur ne commet pas d´erreurs. Ce genre de test est nettement plus sensible et on pourra considérer qu´une machine est stable si elle parvient à ne pas se tromper une seule fois pendant plusieurs heures. Un logiciel bien adapté à ce travail est Prime95 au travers des "Torture Tests" (menu "Options"). Ce test montre que ce programme est l´un des plus sensibles qu´il soit, ce qui va aussi dans le sens de mon expérience personnelle !

Dans le cas des processeurs avec HyperThrading ou multi-cores, on veillera à affecter une exécution de Prime95 sur chaque processeur : ceci garantira la stabilité de la machine lorsqu´elle chauffera un maximum. Pour Cela, faire un clic droit-Définir l´affinité sur le processus "Prime95" dans le Gestionnaire de tâches et associer à chaque fois un seul processeur.

Les modes de torture correspondent dans l´ordre :

• Au stress maximal du processeur (ou d´un core) : la mémoire est très peu sollicitée.
• A un stress global de la machine : le CPU comme la RAM ne sont pas nécessairement utilisés à 100%
• A un test davantage dédié à la mémoire : il ne restera que 5 Mo de disponible ! Le CPU est utilisé autant que possible.

Pour plus de stabilité, on veillera à désactiver le Spread Spectrum dans le BIOS.

Nota Bene

Une version basique de Prime95 est disponible sur UltimateBootCD : ne lançant qu´un processus de calcul à la fois, on ne peut tester que les processeurs monocores dépourvus d´HyperThreading.

OCCT

OCCT est l´autre référence en terme de test de stabilité d´une machine. Par rapport à Prime95, il offre un certain nombre d´avantages tels que l´obtention de graphes lors des tests. On peut par exemple obtenir des courbes mettant en évidence l´évolution des tensions de l´alimentation selon la charge. Bref, cette solution est encore plus intéressante que le duo Prime95 - AsusProbe (pour les cartes Asus). On notera que la version 1 gère directement les processeurs multi-cores, ce qui n´était pas le cas des versions 0.xx.

Télécharger OCCT

Pour les machines avec HyperThreading, on veillera à compléter la charge processeur avec Prime95.

5. GPU et PC portables

Cas des cartes graphiques

Une carte graphique aussi peut s´overclocker ! Comme un processeur, on peut jouer sur les fréquences du GPU et de la mémoire associée. On peut même aller modifier les tensions sur certaines cartes en modifiant le BIOS de la carte (cette manipulation fait perdre la garantie évidemment). Dans certains cas, on peut aussi ré-activer (avec AtiTool ou Riva Tuner par exemple) un certain nombre d´unités de calcul pour améliorer les performaces (les pipes).

AtiTool (ATI-Nvidia)	RadClocker (ATI)	Riva Tuner (ATI-Nvidia)

Coolbits (NVidia)	PowerStrip (payant)

On notera que AtiTool permet aussi de tester la stabilité de l´overclocking, ou encore de modifier les timings de la mémoire de la carte video. Un certain nombre d´options avancées des pilotes sont accessibles, notamment pour les réfractaires au Control Center d´ATI. Un vrai couteau suisse, avec des profils complets pour la gestion des fréquences, des tensions, de la vitesse du ventilateur ou encore les timings mémoire.
Certains logiciels (non présentés ici) permettent de modifier le BIOS des cartes graphiques, ou d´en changer la version : on se tournera alors vers des forums spécialisés. Cependant, ce genre de manipulation est risqué, et il est bien évidement préférable de récupérer son propre BIOS, puis le modifier pour enfin remplacer celui d´origine.

Portables : limiter la chaleur

Au vu des contraintes en overclocking, on pourrait envisager le cas de l´underclocking pour diminuer la chaleur dissippée par un processeur. Cette fois, le principal objectif est de réduire la tension d´alimentation (éventuellement le coefficient multiplicateur si on cherche une solution FanLess).
Sur un portable, jouer sur les tensions permet de limiter l´utilisation des ventilateurs et augmente l´autonomie des batteries : à ce petit jeu, les centrino permettent des gains fort intéressants. A titre indicatif, l´utilitaire "Notebook Hardware Control" m´a permis de faire fonctionner mon Pentium M 760 à 1.112V (au lieu de 1.308V) pour 2GHz (soit 19W au lieu de 27W en pleine charge) et à 0.7V pour 800 MHz (soit 3W de consommation en mode "batterie" !). Par contre, il va de soit que la stabilité de la machine doit être testée par des heures de Prime95 sans aucune erreur...

Centrino Hardware Control

Un tutoriel concernant NHC est disponible ici, un autre est disponible ici pour les fanas de l´overclocking sur PC portable.

6. Quelques chiffres

Les chiffres annoncés sur cette page ne serviront qu´aux néophytes, à titre d´exemple.

Overclocking d´une machine à base d´Intel Pentium 4 C

Le PC testé correspond au matériel suivant :

• Carte mère : Asus P4P800 deluxe I865PE, BIOS 1021 beta6
• Processeur : P4 2.4C FSB800 core D1
• Mémoire : 4x512 PC3200 Corsair XMS XL, dual chanel (puces TCCD)
• Carte graphique : Radeon X850 XT AGP (520/540 MHz)
• Alim : Antec NeoPower 480W
• HDD : 2 Hitachi T7K250, 7200 RPM, 8 Mo, SATAII, 250 Go, Raid0

Dans tous les cas, le BIOS de la carte mère est configuré au mieux.

Overclocking du processeur

L´overclocking du processeur consiste au passage à un FSB de 251 MHz, valeur limite de stabilité selon Prime95. La mémoire est restée au voisinage de 200MHz en utilisant un coefficient de 5/4.

Le gain est quasiment identique à la hausse en fréquence. Pour un Athlon 64, ce pourrait être plus encore, car on peut jouer sur le coefficient multiplicateur, et donc avoir un FSB encore plus élevé à fréquence totale fixe.

Overclocking de la carte graphique

Pour éviter de trop limiter le portentiel de la carte, le processeur est utilisé overclocké. On réalise le passage de 520 MHz à 576 MHz (10.8%) pour le GPU, et 540 à 588MHz (8.9%) pour la mémoire. Les timings "XS" ont eux aussi été appliqués, vu les puces mémoires utilisées sur cette carte (Samsung 1.6 ns). Ces timings correspondent au tableau suivant, et sont modifiables dans Atitool :

Les pilotes utilisés sont systématiquement les mêmes, à savoir les catalyst 5.12.

En comparant les pourcentages, le gain est généralement plus faible que la hausse des fréquences : le processeur est en fait un facteur limitant sur cette configuration, même avec un bus à plus d´un GHz. Ce gain est par contre plus intéressant lorsqu´il y a de multiples effets à appliquer, d´où les score à 3DMark 2003 et 2005.

Overclocking d´une machine à base d´AMD Athlon XP 2100+

Cette fois, la machine correspond au matériel suivant :

• Carte mère : Asus A7N8X-X, NForce2 400, BIOS 1010
• Processeur : Athlon 2100+ (13 x 133), stepping AIUHB DUT3C, 1.6V
• Mémoire : 512 Mo Corsair Value + 512 Noname Chips Samsung
• Carte graphique : Radeon 9800 Pro AGP (378/338 MHz)
• Alim : Fortron Green Power 400W
• HDD : Maxtor Diamond Max +9, 7200RPM, 2Mo , IDE 133, 80 Go

Ce chipset n´autorise pas le dual channel, ce qui pénalise légèrement les performances. Cette machine était à la base articulée autour d´une carte mère DFI AD70SC avec un KT266. Ce processeur s´est montré très facile à sous volter en fonctionnant parfaitement à la tension minimale disponible dans le BIOS (1.5V), le tout à vitesse normale. Il a donc été choisi de changer uniquement la carte mère et le dissipateur (Si97) pour "booster" la machine tout en maintenant un faible niveau de bruit. Au regard de l´investissement (moins de 90€ au total avec la revente du matériel), le changement a été intéressant, d´autant que les températures sont excellentes malgrés les 100W à dissiper (au lieu de 62 environ) : moins de 41°C en burn avec une pièce à 18°C.

Overclocking du processeur

L´overclocking du processeur consiste au passage à un FSB de 202 MHz (soit une hausse de 51.5%), valeur limite de stabilité selon Prime95. La tension nécessaire est 1.775V dans le BIOS. Le coefficient multiplicateur est alors fixé à 11, ce qui donne une hausse de la fréquence totale de "seulement" 28.2%. Les timings de la mémoire correspondent à 2.5-3-3-5 dans les deux cas.

Les tests de Sandra dépendent nettement plus de la fréquence totale que du FSB, vu le gain proche de 28%. Des gains plus importants sont obtenus avec CPU-Mark ou sous les jeux, ce qui est confirmé par le score CPU de Aquamark.