CPU降压运行真的不会加速老化(缩肛)吗?
大家一致认为高温是CPU老化的主要原因,那么降压可以降温,提高能耗比,减缓CPU老化。(我指的老化是原先CPU运行在4Ghz的频率需要1.3V电压,老化后1.3V电压就不足以CPU运行在4Ghz了,可能我对老化的概念理解有问题,但是我想表达的就是我上面说的这个意思)
所以有两个问题在知乎里我没有找到准确答案给CPU降压会对CPU造成损伤吗?即使降压超频,也不会比加压超频更加速老化吧?
不会,加压和高温才是加速老化的原因。
半导体芯片老化的原因
按照我半吊子的物理知识理解(如有错误欢迎评论指正),半导体芯片正常工作的基础是半导体晶体管中的载流子(N型的自由电子或者P型的空穴)以及连接半导体器件的金属中自由电子的运动形成的电流。
然而仅有载流子和电子运动是最理想的状态,只有在超导体中出现。实际上,半导体中的硅-磷、硅-硼(或者其它掺杂材料)结构体,导体中的金属离子并非是绝对稳定的。在金属导体中自由电子运动时的动能,会有一部分转换为金属离子的动能,金属离子向电场方向反向移动,从而导致导体的金属原子扩散或者损失,这种现象称之为电迁移(Electromigration)。发生电迁移时,根据离子流运动方向,可能因为导体损失原子导致电阻提高甚至断路,或者离子堆积导致电阻降低甚至短路,从而导致电路失效。对于半导体,也会出现类似情况,表现为掺杂材料的原子损失/堆积导致载流子浓度过高或者过低。金属离子被电子带动而产生移动电迁移导致的电路失效,上图为离子堆积导致的短路;下图为离子损失导致的断路
对于电迁移来说,电压越高,电场强度越大,电子动能越高,迁移速度加快;工作温度越高,半导体结构越不稳定,掺杂材料的原子越容易迁移。关于电迁移对集成电路寿命的影响,可以使用布莱克方程计算[1]:
其中:MTTF:平均无故障时间(Mean Time To Failure);A:与导线材料、截面积相关的常数;J:电流密度;n:无量纲因子,一般取2(n前面有负号,知乎网页版的公式没显示出来,放大页面可以看到);Q:发生电迁移的活化能;k:玻尔兹曼常数;T:温度。
从公式可以分析出,对于特定的半导体芯片来说,A、n、Q、k都是固定的,电流密度J越大,寿命越短;温度T越高,寿命越短。而电流密度又主要受到工作电压影响,电压越高,电流密度越大;反之,电压越低,电流密度越小,寿命越长。
超频对CPU寿命的影响
导线电阻的变化,或者载流子浓度的变化,会使得半导体芯片的电路性能变差,对于CPU来说,就是超频能力变差甚至无法以标称的最高频率稳定运行,这就是超频圈常说的缩肛。
所以,长时间加压或者高温运行,都会导致CPU的超频能力变差甚至缩短寿命。高温导致CPU寿命缩短很多人都知道,而高电压导致的缩肛,极限超频圈的朋友可能比较清楚一点,就是一个大雕CPU,哪怕每次超频都是上液氮大炮,温度绝对不会高,但过一段时间后超频性能还是会变差就是这个原因。
而频率对寿命的影响,主要在于频率提高后,CPU的功耗变大导致温度升高,当然前提是散热条件不变。理论上来说,不加压,加强散热保证温度没有提升的超频,对CPU寿命的影响是可以忽略的。
降压超频
降压超频的原理是因为今天的多核CPU,全核睿频时因为功耗限制或者温度限制,全核睿频频率不能达到允许的最高频率,但通常CPU厂家设定的电压会有一定余量,通过降低电压的方式来降低每个核心的功耗,使得同样的功耗限制下,核心可以工作在更高的频率。但这个频率通常不会超过单核最高睿频频率,整个CPU的功耗也没有变大因此温度也没有提高。
所以从理论上来说,降压超频并不会加速电迁移,反而因为电压降低,电场强度减弱,自由电子/载流子动能降低,减慢了迁移速度,更有利于延长CPU寿命。
PS:这个回答说的是“加速”老化,而不是会不会老化——只要通电使用,半导体芯片老化是必然的,不管你是正常使用,还是加压超频,还是降压超频。
所以CPU缩肛是必然的,刚买回来,可以降压0.1V稳定运行,但用一段时间(这个时间和每天使用时长、满载占比、散热条件有关)后降0.05V都不稳是正常情况。
东芝那边拿来的资料,蛮多汉字和英文的,应该能看懂吧。故障モード Failure mode故障メカニズム Failure mechanism活性化エネルギー (ev)メタル配線故障 MetalAl系配線のエレクトロマイグレーション0.4(オープン、ショート、腐食)Al系配線のストレスマイグレーション0.5Au-Alの合金の成長0.85Cu配線のエレクトロマイグレーション0.8Alの腐食 (水分の侵入)0.6酸化膜耐圧 Oxide 絶縁破壊、リーク電流増加酸化膜の破壊0.3hFEの劣化 Bip. Tr水分によるイオン移動の加速0.8特性値変動 MOS FETNBTIによる変動0.5SiO2中のNaイオンのドリフト1.0Si-SiO2界面のスロートラッピング1もれ電流の増加 Leakcurrrent反転層の生成0.8
题主所说的大致是没有问题的。
CMOS集成电路老化的主要原因是MOS管栅级损耗,带来的结电容改变,以及漏电增加。
在电路正常工作的前提下
P正比于 ,
降压运行使得电路发热降低,温度降低,对于延长电路寿命是有益的。同时,降低电压本身也能降低栅极损耗。
但是,如同题主所说的,电路正常工作有一个所需的电压,降低电压可能会使得电路出现时序冲突。一般来说时序冲突不会造成电路结构上的损坏。但是,较少数情况下,可能会出现设计意图之外的情况,比如MOS桥路上下臂时间片冲突等,由于集成电路中的MOS管体积微小,不会造成完全的损坏,但是会严重影响寿命。
总体而言,在可靠性要求较低的场景下,略微降低集成电路的供电电压,是一种可行的提高能耗比的方式。若较大幅度地降低供电电压,同时大幅降低频率,电路的能耗比会显著提升。
严谨地说,在其他条件不变的情况下,降低电压会减缓半导体老化速率。
影响半导体寿命的直接因素,在宏观上叫温度,微观上表现为构成半导体的原子的动能。如果长时间维持高温,会导致构成芯片中的原子动能过大而偏离原本的位置,这个叫电子迁移。
和其他电子元器件不同,半导体通常是在纯硅中参杂进其他原子,如果参杂进的原子偏离原本位置,会导致半导体中一个叫PN结的东西消失,从而导致半导体的功能消失,最终导致整体电路逻辑功能出现故障。
此外,芯片中连接晶体管的金属电路的也可能发生电子迁移,导致短路或者断路,从而破坏电路逻辑功能。
而降低电压则会降低芯片的发热量,从而降低温度,延缓老化。至于降压导致电流变大对芯片来说是无稽之谈,芯片又不是功耗恒定。
这是个很好的题目,但是要说清楚真不容易。老化是集成电路中最难也最坑的研究方向之一。很不幸,目前我也就在这个坑里。
既然说不清楚就只有长话短说。
首先,加压会加速老化。从器件的角度上来说,加压对于器件的影响有两个。一个是NBTI、EM等老化效应和电压正相关,一般都还是次方关系。公式太复杂就不贴了,大家知道是正相关就行了。另外就是加压会增加功耗,包括动态功耗和静态功耗,分别是二次方和三次方关系。增加功耗带来的直接问题就是,器件自热会提升。在散热量恒定的情况下,温度就飙上去了。其他答主也回答了,温度是老化的第一因素。做加速老化实验的基本方法就是搞到恒温箱里面去用高温烤。所以加压必然是要加速老化的。
但是……加压可以在一定程度上“修正”或者是“改善”老化带来的后果。这是因为对于数字电路而言,老化的结果就是电路延迟增加。换言之,老化后的CPU就“跑不快”了。延迟和时钟频率这件事事情要扯清楚,那又是一大摊子事情。有兴趣的朋友可以自行去买下面的书来读吧。
那么改善延迟的办法是什么呢?最简单的就是加压。可以简单的理解为电压提高以后充放电的速度变快了。详细的介绍,那还得看上面的书。
所以结论就是老化导致延迟增加,延迟增加导致时钟频率跑不了那么快(可能导致各种错误),为了恢复时钟频率需要适当加压,加压以后老化加速……
所以真正的“抗老化”方法是很困难的。通常为了保证电路在额定时钟频率不出错,电压需要留有余地,会设置得稍微高一点。有一种缓解老化的方式就是让电压余量尽量的少,刚刚好贴着让电路运行不出错。但是如何就知道现在电压已经刚好了,以及如何去精确的调节这个电压。那就是非常困难的事情了。更激进一点的办法可以是让电压处于一个电路“可能要出错”的水平,再加点容错电路设计保证出点小错也能纠正回来。
一般的商业芯片都不会考虑以上的技术,毕竟人家还希望你1年半就换新机呢。当年我师弟博士毕业去X思应聘的时候时候谈抗老化设计方法学,被X思QL的负责人给嘲讽了一番。
简单的就说这么多,关于老化、故障等问题要进一步的了解可以读以下几本书:
降压的目的是降低温度和运行功耗,原理上是为了提升CPU的高频运行稳定性和延长CPU寿命,下面分享下降压实操教程和相关数据测试。
⏹ 前言
相当一部分用户在装机的时候会选择B760芯片组主板,毕竟价格比较便宜,不过可能会存在两个问题:
● 第一是CPU跑不满,无法发挥该有的性能。
● 第二是温度过高压不住,导致高负载状态撞墙降频。
早期引发这俩问题的原因在于主板指令集设计问题,在微码更新后有所缓解,本文发布时则是CPU体质问题居多。
本文和大家分享一下技嘉主板的降压教程,可以有效解决上述问题,欢迎点赞收藏打赏三连,包含抄作业级别的实操教学,有复杂问题咨询请单独联系。
⏹ 操作难点
给大家标注下本教程重点:
有这个教程的根本原因是13代和14代Intel默认电压给的比较激进,降压可以在主频不变的前提下降低功耗和CPU工作温度,找功耗/频率的平衡点是降压操作的关键。
本次教程基本无硬件损坏风险,毕竟是降压,跟着操作就行,电压能压到多少随缘,具体看CPU体质,在能稳定过测且不降频的前提下越低越好。
如果想从源头解决,那就是去某鱼收别人测过的,买盒装摸奖也行,散片基本可以认定为雷,压不下去电压也正常。
关于B760和Z790这俩芯片组的区别,个人建议是能选Z790就选Z790,毕竟BIOS多了很多细节配置,想省钱用B760搭配K系列处理器就继续看本文哈。
⏹ 操作环境
本次使用的硬件如下,大家可以参考下。
1️⃣ CPU丨Intel i5-14600K
简介:相比13代,14代的imc控制器更好一些,说人话就是同性能条件下CPU和内存的运行电压会更低一些,更符合本文的主题。
这块U是发售不久在某鱼收的,哪家就不说了省的被说广告,比目前的盒装价格贵两百,问了下玩超频的朋友,14600K的正常功率范围在100-200W中间,大家可以参考下。
2️⃣ 主板丨技嘉冰雕X B760M
简介:你可以说技嘉坏,但不能说技嘉菜,BIOS调教目前在御三家中间属于比较领先的地位,特别是内存效能,开启大宽带+低延迟黑科技之后非常猛。
本文使用的这张主板属于堆料型号,虽然价格贵了点,其实硬件是划算的,全覆盖散热马甲+金属加固PCI插槽+8层PCB+板载WiFi6无线网卡+Type-C接口等都给了。
另外技嘉在尝试挽回流失用户,目前给出的售后政策是四年保修+一年换新,重点是支持个人送保,人为导致的针脚损坏、剐蹭掉漆和主板弯折这些都可以免费帮修,非常良心。
3️⃣ 内存丨宏碁 Pallas II 6000MHz 16G*2
简介:考虑到下面有跑分部分,为了方便大家对比数据,这里选择常规的6000MHz频率内存作为搭配,仅开启XMP+大带宽+低延迟模式。
单独说一下,CPU降压和内存高频是冲突的,7600MHz以上的内存手动超频需要增加CPU部分电压,所以只能二选一。
4️⃣ 散热器丨乔思伯TG-240
简介:散热效能很普通的240水冷,和常规六热管风冷差不多,比较有参考性。
⏹ 前置操作
开始降压操作前,下面两步操作一定要做,第二步仅针对技嘉主板,切记切记。
1️⃣ 更新主板BIOS
本文发布时候最新BIOS版本为F3,打算跟着本文操作的朋友切记操作前看一下BIOS版本,有更新就升级一下。
升级方法也比较简单:
● 第一步,找个U盘,将下载好最新BIOS固件放入U盘。
● 第二步,开机按Del键进入BIOS。
● 第三步,按F8进入Q-Flash,选择U盘中的BIOS固件文件。
之后一路下一步就行,记得一定得保证期间不断电,BIOS升级时候异常断电很容易损坏主板
2️⃣ 关闭GCC自动安装
技嘉的BIOS确实很好用,但windows系统的驱动GCC相当难用,并且有可能无法降级,建议进BIOS,按下图关闭GCC自动下载。
3️⃣ 切换104微码
最后一步,点击高级模式中的频率/电压控制,看下图找到Select MCU,切换成Rev 0x104微码,之后选择储存并离开重启电脑。
4️⃣ 开启内存黑科技
这段和降压其实没关系,单纯提升内存效能:
● 第一步,将内存XMP配置切换成XMP1,也就是内存的厂商超频配置。
● 第二步,High Bandwidth和Low Latency这两项改为启用。
之后选择储存并离开,重启电脑即可。
⏹ 降压教程
上述操作完成后,准备开始降压操作。
1️⃣ 默认数据测试
首先先取BIOS全部默认状态下的数据作为参考,这里取两个软件的数值:
● 第一是CPU-Z,单核得分为854.8,多核得分为9934.5。
● 第二是AIDA64压力测试,CPU满载温度为83°左右,满载功耗为150W。
下面降压后会以这组数据为标准,CPU-Z跑分只能高不能低,AIDA64压力测试数据只能低不能高。
另外后续降压成功后还需要跑一轮Cinebench R23作为压力测试,正常均值如下图所示:
● 单核分数应该在1900-2100中间。
● 多核分数应该在24000-25000中间。
测试分数只要在上述正常范围即可,毕竟每颗CPU体质和CPU散热器性能不同,多点少点都正常。
2️⃣ 保守型降压操作
下面开始实操,首先进入高级模式的频率/电压控制页面,进入进阶处理器设置,找到下图的CPU EIST功能,切换成停用。
第二步回到高级模式的频率/电压控制页面,修改下面三个选项:
● 第一是核心电压模式,默认是自动,修改为Adaptive Vcore模式。
● 第二是Dynamic Vcore,数值填写为-0.100V。
● 第三是CPU环形总线电压补偿,数值和Dynamic Vcore填一样的。
对,到这里就没了,就这么简单,修改完成后选择储存并离开,重启电脑即可。
重启完成后,重新跑两项测试工具:
● 第一是CPU-Z,单核得分为847.6,多核得分为10026.2,相比默认配置,单核分数低了一点点,多核分数则是高了一点点。
● 第二是AIDA64压力测试,CPU满载温度为72°左右,满载功耗为130W,相比默认配置,温度降低了10°,功耗则是低了20W。
如果你的CPU体质实在是太差,CPU-Z跑分大幅降低或者蓝屏稳不住,Dynamic Vcore的负值可以调低点,比如-0.08V。
3️⃣ 激进型降压操作
如果-0.1v可以通过压力测试并不会降低跑分,可以继续尝试降压:
● 第一是核心电压模式,Adaptive Vcore模式不变。
● 第二是Dynamic Vcore,单次加0.01V,比如-0.110V。
● 第三是CPU环形总线电压补偿,数值和Dynamic Vcore填一样的。
如果你的CPU体质特别好,可以压到-0.200V左右,再高还能稳定不降频,那么只能说你是天选之子了。
这里晒一下我压到-0.200V数据:
● 第一是CPU-Z,单核得分为857.1,多核得分为10040.9,相比默认配置,单核分数和多核分数都高了一点点。
● 第二是AIDA64压力测试,CPU满载温度为60°左右,满载功耗为105W,相比默认配置,温度降低了20°,功耗则是低了接近50W。
这个测试数据我还是比较满意的,毕竟温度下降超级多,跑分甚至还高了那么点。
最后提醒下各位,能过AIDA64不代表降压成功,还是得跑一次Cinebench,目的是看看满载状态会不会触发降频,这里我的测试数据如下图所示:
● 单核分数为2026分,属于正常偏高。
● 多核分数为24190分,属于正常偏低。
相比大幅度降低的温度+功耗,这点多核分数损失完全可以接受,大家可以参考下。
⏹ 本文完
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