Diminuez la consommation de votre Phenom II / Core 2 Quad

Introduction

Nous sommes nombreux à être adeptes de l’overclocking du processeur. Nous passons alors un temps considérable à trouver la réponse aux questions “Quelle est la fréquence maximale ? Quelle est la tension nécessaire pour y arriver ? Quelle est la meilleure solution de refroidissement ?”

Car si l’overclocking permet de hisser les performances d’un processeur au niveau de celles d’un modèle plus onéreux, on peut tout à fait adopter la démarche opposée : il est possible de sous-volter un processeur pour améliorer son rendement sans perte de performance.

Tension, fréquence et consommation

La fréquence est un des principaux facteurs de performance, sachant que son augmentation nécessite très souvent une tension plus importante. Par ailleurs, cette dernière est déterminante en termes de consommation, tandis que la fréquence joue un rôle secondaire. La hausse comme la baisse de la tension ont un impact proportionnel sur la puissance électrique (exprimée en Watts), sachant que la puissance varie en fonction du carré de la tension. Ceci explique pourquoi  une augmentation de la tension alourdit bien plus la consommation qu’une hausse de la fréquence.

Bien entendu, une réduction de la tension est susceptible d’entrainer une baisse de la consommation, ce qui fait justement l’objet de cet article.

Des produits à faible tension

Bon nombre des processeurs mobiles sont tout simplement des versions modifiées de CPU classiques, dont on baisse la tension. Les Intel Core 2 Mobile constituent un bon exemple : bien qu’optimisée, la consommation de ces processeurs serait équivalente à celle des modèles qui équipent les PC dans des conditions comparables. Ainsi, l’enveloppe thermique (TDP) des Core 2 Duo série T est fixée à 35 Watts maximum, 25 Watts pour la série P et ainsi de suite.

En parallèle, il existe aussi des processeurs à basse consommation pour les PC : AMD propose des modèles dits « Energy Efficient », lesquels se reconnaissent à leur suffixe « e » (Phenom II X4 900e, 905e ainsi que le Phenom X4 9350e). De son côté, Intel dispose de Core 2 Quad « S » qui délivrent les mêmes performances que les modèles classiques tout en se maintenant dans une enveloppe thermique de 65 Watts au lieu de 95 Watts. Si ces processeurs basse consommation nous semblent trop chers, le fait est qu’ils impressionnent puisque la consommation des machines de test baisse en veille comme en charge maximale.

Un processeur à tension optimisée par l’utilisateur ?

Qu’en serait-il si l’on essayait soi-même de peaufiner la tension ? Si l’overclocking est devenue une pratique commune, on ne risque rien à s’essayer au sous-voltage. Nous avons donc pris deux cartes mères MSI : une P45D3 Neo que nous avons récemment utilisée pour trouver le meilleur rapport performances/Watt d’un E8600, cette fois couplée à un Core 2 Extreme QX9650, ainsi qu’une 790FX-GD70 pour examiner le Phenom II X4 955.

Plateformes : AMD 790FX et Intel P45

AMD/Socket AM3 : MSI 790FX-GD70

La 790FX-GD70 que nous avons utilisé pour sous-volter le Phenom II X4 955 est la référence haut de gamme chez MSI en Socket AM3 : chipset AMD 790FX supportant les derniers processeurs, gestion de la technologie ATI CrossFireX via quatre ports PCI Express 2.0 ainsi que de nombreuses fonctionnalités pour faciliter les réglages. Le constructeur a implémenté sur la carte mère un potentiomètre dédié à l’overclocking, 4+1 phases à commutation dynamique pour réguler la tension, un radiateur conséquent (mais pas démesuré) à base de caloducs pour refroidir le chipset ainsi que l’étage d’alimentation. En outre, le BIOS permet d’ajuster la fréquence DDR3 jusqu’à 2133 MT/sec. Au niveau de la connectique, les six ports SATA 3 Go/s du Southbridge SB750 gèrent le RAID, à côté duquel on trouve deux ports supplémentaires. Le panneau E/S embarque un port eSATA, le FireWire 400, deux connexions LAN Gigabit ainsi que l’audio 192 KHz HD.

Toutefois, le but de l’article étant d’optimiser le rendement, on ne peut pas dire que nous avons réellement exploité ces fonctionnalités. L’étage d’alimentation à cinq phases promet une bonne efficacité et la carte mère justifie son positionnement haut de gamme par des composants de qualité à même de satisfaire nos ambitions. Manque de chance, on ne peut pas ajuster la tension du chipset ou de la mémoire à la baisse, ce qui nous a un peu déçu. Peut-être que MSI pourrait offrir cette possibilité avec une mise à jour du BIOS.

Intel/Socket LGA775 : MSI P45D3 Neo

Du côté d’Intel, nous avons donc choisi une P45D3 Neo pour notre Core 2 Extreme QX9650 puisqu’elle s’était bien comportée avec un E8600 lors du précédent article. Cette carte mère est basée sur le chipset P45 et contrairement à la MSI 790FX-GD70, elle est simpliste : on se contente de trois phases d’alimentation, le refroidissement du chipset est rudimentaire et on ne trouve pas grand-chose en plus par rapport aux fonctionnalités de référence du chipset. Nous ne nous étendrons pas plus ici vu que la carte mère est déjà passée à la loupe dans l’article ” Overclocker un Core 2 Duo : la quête du meilleur rapport performances/Watt “. Après avoir envisagé d’autres cartes mères (parmi lesquelles la Gigabyte X48T-DQ6 et l’Asus P5Q Deluxe), nous sommes restés sur la P45D3 Neo vu qu’elle est la seule à permettre le sous-voltage de composants autres que le processeur.

Les bases du sous-voltage

Ce qui suit passera pour du déjà-vu pour les overclockers chevronnés, mais il est important d’avoir certains éléments à l’esprit en matière de tension processeur dans le contexte du sous-voltage.

La chute de tension (voltage droop)

Avant tout, il est important de savoir que la tension processeur paramétrée dans le BIOS (qu’elle soit automatique ou réglée manuellement) ne correspond pas exactement à la tension réelle du processeur. Il s’agit plutôt de la tension maximale du processeur, alors que la tension effective sera moindre. Celle-ci peut même varier suivant les conditions de fonctionnement (comme la température), qui varient lorsque le processeur passe de l’état de veille à un pic d’activité et vice-versa.

Ce comportement est intentionnel, au motif que la conductivité du silicium augmente au fur et à mesure que le processeur génère de la chaleur en charge. Si la tension restait constante, le courant s’intensifierait de pair avec la température. La chute de tension est donc le mécanisme qui réduit légèrement la tension du CPU lorsque celui-ci subit des charges intenses pour lui permettre de se maintenir dans les limites de ses spécifications électriques.

Si l’on se sert d’un logiciel comme CPU-Z pour relever la tension réelle du processeur et que l’on vérifie en parallèle la tension paramétrée, on voit que les valeurs diffèrent. L’écart entre tension paramétrée et réelle en veille est qualifiée d’offset (Voffset), tandis qu’en charge, on parle de droop (Vdroop).

Stabilité de l’underclocking

Un CPU atteint un pic de tension lorsqu’il passe d’un état de pleine charge à un statut de veille, puisque la tension ne change pas brutalement d’un extrême à l’autre, mais plutôt par pallier. Les pics d’activité du processeur lui font atteindre une tension maximale : celle qui a été paramétrée.

Il est donc assez facile de voir si un CPU sous-volté est stable lors de pics d’activité pour la même raison : le Vdroop rentre alors en jeu pour réduire la tension effective et la maintenir en-dessous du seuil fixé. Pour ce faire, nous avons utilisé Prime95 qui reste très efficace pour pousser un processeur dans ses retranchements. Si celui-ci passe trente minutes à plein régime sans crash, on peut alors être presque sûr que la plateforme est stable en pic d’activité. Le verdict vaut aussi en veille, puisque ce mode induit une tension légèrement plus élevée. Cependant, ceci ne s’applique pas aux modes d’économie d’énergie comme le SpeedStep d’Intel, puisque celui-ci réduit la fréquence CPU (par le coefficient multiplicateur) et la tension à un niveau encore plus faible. Tous les tests de sous-voltage ont été faits avec le SpeedStep activé du côté d’Intel, tandis que le Cool’n’Quiet d’AMD maintient une tension par défaut et une fréquence constante.

Rappelons qu’il n’y a pas d’absolu pour les paramètres d’overclocking ou d’underclocking. C’est une question de temps consacré à faire des tests exhaustifs, ou bien du risque de l’on prend à voir le système devenir instable dans certains cas. Ces pratiques n’étant pas des sciences exactes on ne peut pas garantir que chacun pourra reproduire les résultats qui suivent, c’est pourquoi nous conseillons des réglages un brin plus conservateurs (comprendre par là des tensions très légèrement supérieures) pour être certain de la stabilité. Le potentiel d’économie d’énergie restera de toute façon significatif.

Sous-voltage du Phenom II X4 955

Depuis son lancement en avril dernier, le Phenom II X4 955 est le fer de lance d’AMD sur le segment PC (mais plus pour longtemps…). Avec sa gestion de la DDR3 et sa fréquence de 3,2 GHz, AMD a fini par menacer le Core 2 Quad dans certains tests tout en étant moins cher, qu’il s’agisse du processeur seul ou bien du coût moyen de la plateforme. En revanche, le Core i7 reste intouchable.

Le Phenom II X4 se décline en modèles allant de 2,5 à 3,2 GHz (la gamme est détaillée sur le site d’AMD). La série 800 dispose de 512 Ko de cache L2 par core ainsi qu’un cache L3 partagé de 4 Mo, lequel passe à 6 Mo sur la série 900. Les processeurs Phenom II sont tous fabriqués par Globalfoundries avec la technologie 45 nm DSL SOI d’AMD qui permet une consommation contenue et de bonnes aptitudes à l’overclocking. Nous étions donc curieux de voir le résultat en underclocking.

Tension par défaut : 1,32 Volt

Les paramètres par défaut du BIOS font fonctionner le Phenom II X4 955 avec 1,32 Volt comme l’indique CPU-Z. Il en résulte une consommation allant jusqu’à 216 Watts en pic d’activité. Peut mieux faire donc.

Tension en idle : systématiquement maintenue à 0,960 Volt par le BIOS

Lorsque le Cool’n’Quiet est activé, tous les processeurs AMD passent à une fréquence de 800 MHz en veille, de même qu’une tension commune est appliquée à cette fréquence : 0,96 Volt. Comme vous pouvez le voir sur le tableau ci-dessous, le Phenom II passe systématiquement à 0,96 Volt en idle une fois que le mode Cool’n’Quiet est activé, et ce quelque soit la tension CPU paramétrée dans le BIOS. En conséquence, la consommation de la plateforme en veille est restée parfaitement constante : 99 Watts. Il n’y a donc rien à optimiser ici, à moins que le BIOS permette un jour d’ajuster la tension en veille.

Tension en charge optimisée : 1,152 Volt

Après avoir essayé huit tensions puis avoir vérifié leur stabilité avec 30 minutes minimum de Prime95, la tension par défaut de 1,32 Volt a pu être abaissée jusqu’à 1,152 Volts, soit une baisse d’environ 13 %. Ceci a permis de diminuer la consommation de la plateforme en charge d’à peu près 17 %, celle-ci passant de 216 à seulement 179 Watts. Plutôt pas mal.

Tableau récapitulatif

*géré par Cool’n’Quiet

Sous-voltage du Core 2 Extreme QX9650

Voyons maintenant ce que l’on peut obtenir avec un Core 2 Quad. Vu l’exercice, le choix du processeur parait curieux, mais il s’explique tout simplement par le fait que nous n’avions pas d’autre Core 2 Quad à disposition.

Les C2Q offrent encore de très belles performances à des niveaux de consommation acceptables, parmi lesquels les séries Q8000 et Q9000 qui sont toutes deux basées sur le Yorkfield 45 nm. Les Q8000 sont pourvus de 6 Mo de cache L2, alors que les Q9000 en embarquent 6 voire 12 Mo.

Tous les processeurs de ces séries sont conçus avec deux puces Wolfdale dual-core, bien entendu gravées en 45 nm.

Tension par défaut : 1,256 Volt

En laissant le BIOS en mode automatique, la tension est de 1,256 Volt pour le Core 2 Extreme QX9650, ce qui se traduit par une consommation de 185 Watts à pleine charge.

Tension par défaut en idle : 1,192 Volt

La tension en veille ne peut pas être modifiée individuellement, puisque toujours dépendante de la tension CPU appliquée par l’utilisateur. En mode automatique, le SpeedStep permet d’abaisser le coefficient multiplicateur à 6 avec une fréquence de 2 GHz à la clé, pour une tension de 1,192 Volt en veille. Malgré cela, les 94 Watts qui en résultent en idle sont inférieurs à ce que nous avons relevé chez AMD, en dépit d’un Vcore de seulement 0,96 Volt et d’une fréquence de 800 MHz. Intéressant.

Tension en charge optimisée : 1,072 Volt

La plus basse tension stable, 1,072 Volt, a pu être atteinte en paramétrant 1,0785 Volt dans le BIOS. En pleine charge, la consommation de la plateforme ne dépasse pas 148 Watts, soit une baisse de 20 % alors que la tension du processeur n’a été abaissée que de 15 %. L’étape suivante aurait été 1,0655 Volt, tension à laquelle la plateforme est devenue instable. Par chance, la consommation en veille comme en charge étaient identiques, ce qui ne laissa pas de regret quant à la poursuite du sous-voltage.

Tension en veille optimisée : 1,008 Volt (imposée par le BIOS)

Grâce à la tension processeur en charge de 1,0875 Volt, la tension en veille est de 1,008 Volt, ce qui nous permet d’obtenir une consommation de la plateforme à seulement 87 Watts en veille. Certes, il n’y a même pas 8 % d’écart, mais cette amélioration ne coûte rien et s’est avérée stable après une session de Prime95.

Tableau récapitulatif

Configuration du test

Consommation en veille/charge

Consommation en veille

La consommation en veille étant constante sur les processeurs AMD, il n’y a pas de graphique montrant l’évolution de la consommation en idle pour le Phenom II X4 955 : une fois le Cool’n’Quiet activé, le processeur se maintient à 800 MHz pour 0,96 Volt dans le cas de notre carte mère MSI 790FX-GD70. La plateforme AMD consomme donc constamment 99 Watts en veille.

En revanche ce graphique montre la consommation en idle de la plateforme Intel embarquant le Core 2 Extreme QX9650 à toutes les tensions testées. Il faut donc à peine 1,008 volt pour atteindre une consommation de 87 Watts, alors que l’on arrive à 94 Watts pour 1,192 Volt.

Consommation en charge

Dans le cas du fer de lance d’AMD, les économies réalisées grâce au sous-voltage sont significatives. Nous avons commencé avec une tension de 1,32 Volt par défaut, entrainant une consommation en charge de 216 Watts au niveau de la plateforme, pour finir à seulement 1,175 Volt et une consommation de 179 Watts. Concrètement, les quelque 17 % ou 32 Watts économisés sont suffisants pour rajouter un écran 20 pouces sans dépasser le niveau de consommation de la plateforme par défaut !

La plateforme Intel peut-elle faire mieux que ces 17 % en charge ? La réponse est oui : la quête du sous-voltage maximum s’est soldé par 1,078 contre 1,255 Volt par défaut, la consommation de la plateforme passant alors de 185 à 148 Watts. Le gain est donc de 20 %.

PCMark : consommation et rendement

Nous avons relevé la performance et la consommation des plateformes AMD et Intel sous PCMark Vantage, avec les tensions optimisées comme les tensions par défaut.

Consommation moyenne sous PCMark Vantage

La consommation moyenne a pu être réduite de 157 à 141 Watts, soit 10,2 % de mieux dans le cas d’AMD. La plateforme Intel est passée de 135 à 117 Watts, un résultat impressionnant sachant que le Core 2 Extreme QX9650 possède une puissance de calcul supérieure à celle du Phenom II X4 955. Dans ce dernier cas, le gain est de 13,1 %.

Consommation totale pour une session de PCMark Vantage

En conséquence, la consommation totale (exprimée en Watts par heure) a baissé elle aussi : respectivement 11,4 et 12,4 % d’amélioration pour les plateformes AMD et Intel. Le gain est appréciable.

Performance par Watt sous PCMark Vantage

Enfin, nous avons fait le lien entre les scores obtenus sous PCMark Vantage et les consommations relevées (le résultat est exprimé en score par Watt). Il faut bien noter qu’il n’y a pas de dégradation des performances, et ce quelle que soit la plateforme : seules les tensions processeur ont été modifiées. Avec PCMark Vantage comme outil de mesure, le rendement augmente de 11,6 % pour la configuration AMD et 13,8 % pour la plateforme Intel.

Conclusion

Nous avons donc passé en revue deux processeurs haut de gamme d’AMD et Intel avec deux cartes mères MSI récentes pour analyser les économies énergétiques réalisables grâce au sous-voltage des CPU. Bien entendu, nous voulions aussi sous-volter mémoire et chipset pour tirer parti du potentiel de ces composants, mais aucune des cartes mères que nous avons examinées en amont ne permettait d’ajuster leur tension à la baisse. Outre la MSI 790FX-GD70 pour Socket AM3 et la P45D3 Neo pour Socket LGA775 retenues dans le cadre de cet article, nous avons été regarder du côté des Asus P6T, Rampage II Gene, Gigabyte MA790FXT-UD5P et X48T-DQ6.

AMD Phenom II X4 : consommation en baisse de 17%, rendement en hausse de 11.6%

Avec la plus faible tension stable, la consommation en charge de la configuration AMD a pu être abaissée de 17 %. Vu que les performances sont restées constantes, cette baisse a pu se répercuter sur le rapport performance/Watt, en hausse de 11,6 % avec PCMark Vantage comme outil de mesure. Cependant, la technologie d’économie d’énergie Cool’n’Quiet de AMD réduit le potentiel d’économies énergétiques en underclocking, puisque le processeur bascule en permanence sur les paramètres par défaut quelque soit la configuration de la tension. La consommation s’est donc maintenue à 99 Watts dans tous les cas de figure.

Intel Core 2 Extreme : consommation en baisse de 20%, rendement en hausse de 13.8%

Le résultat fut encore plus convaincant avec la configuration Intel puisque la consommation à pleine charge s’est vue abaissée jusqu’à 20 % sans la moindre perte de performances. Sous PCMark Vantage, la performance par Watt a pu progresser de 13,8 %. Vu que la tension du processeur Intel avec SpeedStep activé dépend de la tension paramétrée dans le BIOS, nous avons pu diminuer la valeur en veille de façon significative là aussi, jusqu’à seulement 1,008 Volt. Ceci s’est traduit par des économies d’énergie de 8 % en idle.

Sous-voltage pour tout le monde ?

Nous avons été très agréablement surpris par les gains conséquents réalisés grâce au sous-voltage dans la mesure où nous pensions rencontrer des problèmes de stabilité bien plus tôt. Les deux plateformes ont montré que les processeurs modernes peuvent donc fonctionner avec des tensions significativement réduites. Ceci s’est traduit par une baisse de la consommation des plateformes comprise entre 17 et 20 % en pic d’activité.

Il faut toutefois s’assurer que les réglages d’underclocking sont stables, de même que nous recommandons une approche prudente des potentiels d’économie énergétique. Il est donc nécessaire de ne pas se focaliser sur une baisse de 16 % de la tension : à 10 %, la baisse de la consommation est déjà significative sans coûter un centime ni impacter négativement les performances !