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Guía de undervolting para CPU

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El undervolting es una técnica que consiste en reducir los voltajes con los que funcionan los transistores de un circuito integrado; en nuestro caso el microprocesador o CPU. La razón fundamental para hacer undervolting es la reducción del consumo. El consumo de un transistor depende fundamentalmente de dos factores:

  • Frecuencia de funcionamiento: La tecnología utilizada en los cirtuitos integrados es CMOS, que está basada en la utilización de transistores N-MOS y P-MOS. En estas tecnologías hay dos tipos de consumo: el consumo estático, debido a corrientes de fuga en los transistores; y el consumo dinámico, debido a cambios de estado en los transistores. En las tecnologías de hace un par de años, el consumo dinámico era más importante, y por eso se solía decir que el consumo era proporcional a la frecuencia de funcionamiento (a mayor frecuencia, mayor número de cambios de estado en los transistores por segundo). Sin embargo, con las tecnologías actuales con tamaños tan pequeños como 32nm, 40nm, etc., han pasado a ser más importantes las corrientes de fuga, por lo que ya no afecta tanto la frecuencia. Aún así sigue siendo un punto a tener en cuenta, ya que a mayor frecuencia mayor consumo dinámico.
  • Voltajes: Se puede considerar que el consumo es proporcional al cuadrado del voltaje o tensión de alimentación; es decir: cambios pequeños de voltaje afectan mucho al consumo del circuito. Por tanto, aquí es donde podemos obtener reducciones más notables del consumo. Pero hay un límite: por debajo de cierto valor, los transistores no funcionan adecuadamente. Ese valor no es siempre el mismo, ni siquiera para circuitos supuestamente iguales: no todos los circuitos fabricados son iguales, unos salen con mejores parámetros que otros en el proceso de fabricación, y además influyen factores como la temperatura de funcionamiento. Los fabricantes de estos circuitos utilizan un valor nominal de voltaje, y lógicamente eligen un valor suficientemente alto como para que no dé ningún problema con ninguno de los circuitos fabricados en ninguno de los posibles entornos de funcionamiento.

Así, aquí encontramos una puerta abierta a la reducción del consumo de nuestro procesador: podemos tratar de bajar ese valor de voltaje de nuestro micro por debajo del valor nominal, buscando el límite de nuestro micro concreto y en nuestro entorno.

Los beneficios que obtenemos con una reducción de consumo son fundamentalmente éstos:

  • Reducción de temperaturas: Al consumir menos, el micro también disipa menos calor, y por tanto veremos unas temperaturas de funcionamiento más bajas. Lógicamente, esto es muy interestante: podemos subir las frecuencias (overclocking) con las mismas temperaturas que las originales con voltaje nominal para un mayor rendimiento, o podríamos bajar la velocidad de los ventiladores para tener las mismas temperatura que antes con menos ruido.
  • Menor gasto: Al reducir el consumo, también reducimos el gasto en nuestra factura de la luz. La reducción no es significativa, pero es algo que -a la larga- nunca viene mal. Podéis echar cuentas de cuánto supone la reducción, como ya comentamos en este otro artículo sobre modificación de voltajes y frecuencias por software, para lo cual podéis utilizar nuestra calculadora de estimación de gasto eléctrico de un PC
  • Aumento de la vida útil del componente: Uno de los inconvenientes que puede tener el jugar con las frecuencias y voltajes de un micro, como en el caso del overclocking, es que se puede llegar a hacer que el paso de corriente por los transistores sea mayor (mayor consumo), y por tanto se deterioren antes (por ejemplo, por efectos de electromigración). Sin embargo, en este caso hacemos justo lo contrario: al reducir el consumo, alargaremos la vida del componente al trabajar éste con menor consumo y a menores temperaturas.

Conceptos previos:

Vamos a introducir algunos conceptos teóricos previos para entender bien lo que vamos a hacer. Además, hay muchos errores de interpretación sobre qué es un Vcore, qué es un VID, etc., así que comenzaremos por establecer estos conceptos con su significado real:

  • BIOS: La BIOS (Basic Input-Output System) es un programa muy sencillo que está instalado en un chip ROM en todas las placas base. Este programa permite configurar y reconocer todos los dispositivos que están conectados a la placa antes de iniciar el sistema operativo. Podemos acceder a este programa con alguna combinación de teclas al arrancar el ordenador. Esta combinación depende de cada placa base: en unas es con la tecla "Supr", en otras con "F4", etc. Podremos encontrar esta información, y las diferentes opciones disponibles en la BIOS, en el manual de nuestra placa base. Lo que a nosotros nos va a interesar en este artículo es la parte de la BIOS que nos deja configurar las frecuencias y voltajes del micro, que no siempre está disponible en todas las placas base. Si nuestra BIOS no nos permitiera esos cambios, la única opción de modificar valores sería por software (como está explicado en este otro artículo).
  • FSB (frecuencia del Front Side Bus): Es la frecuencia a la que funciona la placa base. La mayoría de componentes funcionan con esta velocidad como referencia (micro, memorias, etc.). Dependiendo de la plataforma elegida, este valor puede tener diferentes nombres (BCLK, etc.), pero siempre habrá un valor que sirva como referencia al resto de frecuencias de funcionamiento.

  • FIDs (frequency identifiers): Es un código que identifica diferentes referencias de frecuencia con respecto al FSB. Normalmente son multiplicadores (x8, x9, etc.). La frecuencia a la que funciona un procesador depende del FSB (referencia) y del FID (multiplicador). Los FID dependen totalmente del micro: algunos micros tienen más FIDs y otros menos. Este tema es bastante conocido en el ámbito de Overclocking así que tampoco nos entretendremos mucho con él. Los FID se pueden fijar en la BIOS, pero sobre todo lo que nos interesa es que pueden cambiarse también por software (por ejemplo: Cool&Quiet para AMD y EIST para Intel modifican dinámicamente los FIDs).

  • Vcore: Es el voltaje que la placa base proporciona al microprocesador. Normalmente son los VRMs (Voltage regulation modules o reguladores de voltaje) los encargados de esta función. Hay placas que permiten fijar este voltaje a valores diferentes del indicado por el fabricante. La mayoría de las placas tienen dos opciones, una opción "Auto" que deja que la placa elija el voltaje adecuado, y otra opción para fijar un voltaje fijo seleccionado por el usuario (útil para poder subir los voltajes para hacer Overclocking (OC) o para hacer undervolting (UV). Sin embargo, esta opción tiene el inconveniente de que una vez fijado a un valor perdemos el control de los VIDs (que comentaremos qué son en el siguiente párrafo). Hay algunas placas, como las últimas Gigabyte, que tienen una opción adicional: VIDs dinámicos, pero de esto hablaremos en un próximo artículo.

  • VID: Un vid no tiene nada que ver con el Vcore, confundir estos dos conceptos es uno de los errores más frecuentes. Un VID es simplemente un código que indica unos posibles valores de identificación de voltaje. Este código lo utiliza el microprocesador para comunicarse con los VRM (Voltage Regulation Modules, y que éstos sepan qué voltaje deben proporcionar al micro).




    Se puede ver un VID como el equivalente para voltaje de los multiplicadores de frecuencia (FID). Los VID se pueden modificar por software (por ejemplo Cool&Quiet o EIST modifican los VIDs). Esto simplemente hace que el micro proporcione a los VRMS un identificador diferente, para que éstos le proporcionen el voltaje asociado al VID seleccionado. Dependiendo del micro puede haber más o menos VIDs disponibles (lo mismo que pasa con los multiplicadores). El problema es que los VID utilizan siempre un voltaje fijo como referencia que no se puede cambiar, a diferencia de los multiplicadores que utilizan el FSB como referencia y que sí se puede modificar (nuevamente, hay excepciones, como las últimas placas Gigabyte que hemos comentado antes y sus VIDs dinámicos). Como los VID están referenciados a un voltaje fijo, es habitual referirse a ellos por sus valores (VID de 1.1V, VID de 1.16V, etc.), a diferencia de los FID que al tener referencia variable es mejor usar valores relativos (x6, x7, x8, etc.).


    Los micros suelen llevar escrito de fábrica un VID de serie, asociado al voltaje Vcore que el fabricante considera adecuado para ese micro. Este concepto de VID de serie es lo que probablemente lleve a la confusión entre los conceptos de VID y Vcore: el Vcore es el voltaje que se le proporciona al micro, y un VID es simplemente un código que utiliza el microprocesador para "configurar" los VRMs y obtener el Vcore.


    En resumen, podemos cambiar la frecuencia y el voltaje al que funciona el micro cambiando el FSB, y luego de una de las dos formas siguientes: modificando el Vcore y el multiplicador en la BIOS, o bien modificando por software los VIDs y los FIDs. Normalmente estas dos formas son excluyentes (aunque hay excepciones). En esta miniguía vamos a hablar de la segunda forma (por software).

  • Cool&Quiet y EIST (C1E): Estas dos tecnologías hacen exactamente lo mismo (y algo muy parecido a lo que vamos a hacer nosotros). Ambas modifican dinámicamente los VID y los FID dependiendo de la carga del micro. Por ejemplo, un E6600 utiliza un voltaje de 1.225V de stock a 2.4GHz, pero si el micro está sin hacer nada (en "idle" o reposo) entonces se cambian automáticamente su VID y FID para funcionar a 1.6GHz a 1.1V. Lógicamente para que funcionen estas tecnologías hace falta tener configurado en la BIOS los voltajes en "Auto" y los multiplicadores también en "Auto", aunque hay excepciones como ya hemos dicho: algunas placas permiten que funcionen C&Q y EIST incluso fijando un voltaje en la BIOS, pero no es lo habitual y no es algo estándar, por lo que no podemos utilizarlo de forma generalizada.

  • Vdrop: Una vez seleccionado un voltaje en los VRM siempre suele haber una pequeña caída de tensión, y el voltaje real es algo menor del especificado. Esta diferencia se denomina Vdrop (Voltage drop = caída de voltaje).

  • Vdroop: La caída de voltaje (vdrop) suele ser diferente en carga (load) a la que se tiene en reposo (idle). Esa diferencia de voltajes entre load e idle para un mismo valor seleccionado en los VRM se denomina Vdroop (voltage droop = "desfallecimiento" de voltaje). Muchos reguladores de voltaje están diseñados intencionadamente con esta caída de voltaje para tener mejor respuesta ante cargas transitorias, pero suele ser un problema para la búsqueda de los límites de overclocking (en los cuales nosotros no estamos especialmente interesados en esta guía). Algunas placas base suelen tener una opción para que el usuario pueda dejar el Vdroop original o se utilice una circuitería adicional para tratar de compensarlo y mantener el voltaje siempre cosntante (esta opción se llama "Load line calibration" en las placas Gigabyte, por ejemplo).

    Estos dos últimos valores, Vdrop y Vdroop, deberemos tenerlos presentes cuando hagamos overclocking, ya que tenemos que ser conscientes que el voltaje que seleccionemos en la BIOS puede no ser el voltaje real que se utilice finalmente. Deberemos hacer las pruebas de estabilidad necesarias para asegurarnos de que el sistema sea estables para el voltaje que hayamos seleccionado, y con las opciones elegidas (por ejemplo con "Load Line Calibration" o sin él).


 
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