인텔 8/9/10세대 오버클러킹 가이드 - CPU 편

CPU 오버클럭

이전 (링크)오버클러킹 가이드 - 메모리 편에서 이야기했던 IMC(멤컨)의 수율이 각기 다르듯, IA 코어의 수율 또한 다르다.

또한, IMC의 수율과 상/하위 모델과의 수율 관계와 CPU IA/Cache 수율 관계도 매우 유사하다. (i9 > i7 > i5 순으로 고수율 확률이 높음)

1. CPU 오버클러킹의 개념과 특성

[그림 1] CPU-Z 상에서 확인 가능한 Bus Speed(BCLK), IA Multiplier (배수), NB Frequency (Uncore 클럭)

인텔 링버스 아키텍처 기반 CPU의 구조

[그림 2] 인텔 링버스 아키텍처 - i5-10600K Diagram (출처: Techpowerup)

샌디브릿지 이후 코멧레이크까지, 아홉 세대에 걸쳐 계속 사용된 인텔의 링버스 아키텍쳐에 대해 간단히 알아보고 넘어간다.

링버스 아키텍쳐의 가장 큰 이점은 IMC와 Core가 하나의 링버스에 Tied-up 되어 있기 때문에 메모리 접근 레이턴시가 매우 낮은 편이라는 것이다.

링버스는 베이스 클럭(BCLK, Bus Speed)으로 작동하며 각 코어 및 SA, GT를 동기화한다. 각 파트는 배수(Multiplier)를 곱해 서로 다른속도로 작동된다.

1) IA Core (산술연산 코어)

CPU가 실질적으로 연산을 수행하는 부분이다.

오버클럭된 PC에서 "52배수", "50배수" 라고 지칭하는 것이 해당 부분의 배수이다.

2) Uncore (언코어; 코어가 아닌 부분의 지칭)

IA Core와 GT Core가 아닌 모든 부분을 Uncore라고 지칭한다.

Uncore에는 대표적으로 IMC(멤컨)과 DDR4 PHY, L3 캐시가 있다.

주로 "47캐시, 캐쉬배수"라고 이야기하는 부분이 해당 부분의 배수를 지칭하는 것이다.

 3) GT Core (내장 그래픽 코어)

내장 그래픽 프로세서가 탑재된 부분이다.

Power Limit (PL)과 전력 제한 해제

[그림 3] Intel Power Limit - Intel 9th Generation (출처: anandtech)

인텔은 Power Limit이라는 파워 디자인을 사용한다. Power Limit에는 일반적으로 PL1, PL2의 종류가 있으며 최근 TVB에 PL3도 활용된다.

하지만 AVX 명령어 등의 고부하 사용 조건에서는 기본값으로 PL1가 가장 오랜 시간 유지된다. PL1은 CPU를 구매할 때 보이는 상품설명의 TDP 값과 동일하다.

PL2는 가장 맥시멈 퍼포먼스를 뽑아내는 상태인데, 그 만큼 많은 전력을 소모한다.

PL2 또한 PL1과 같이 어떠한 평범한 쿨러를 사용하더라도 CPU에 치명적 영향을 끼치지 않도록 220W 내외로 전력제한이 설정되어 있다.

PL2 상태에서 열이 누적되어 프로세서가 제 성능을 내지 못하는 상태가 되거나 고온에 의해 손상되는 것을 방지하기 위해 Tau라는 값이 설정되어 있다.

Tau 값은 PL2를 지속할 수 있는 시간 파라미터이다.

10세대 K 프로세서의 기본 값은 56초이다. 즉, 56초 동안 PL2 상태를 지속하다가 이후에는 PL1로 작동한다.

시대가 바뀌어오면서 PC의 냉각 수준이 매우 많이 향상되었다. 그렇기에 PL2의 지속 시간과 전력 제한을 해제하면 극한의 상황에서 더 나은 성능을 보여준다.

PL2의 Tau값 상향조정과 전력제한을 해제하는 옵션은 현재 "전력 제한 해제"라는 명칭으로 많이 불리우고 있다.

보드의 BIOS에서 Short Duration 관련 옵션이 PL1, Long Duration 관련 옵션이 PL2를 조정할 수 있는 옵션이다.

전력 제한 해제는 Duration 및 Time 관련 항목을 MAX 값으로 설정하는 것으로 적용할 수 있다.

스로틀링 (Throttling)

스로틀링은 프로세서를 보호하기 위해 온전한 성능을 내지 못하도록 성능을 제한하는 장치이다.

스로틀링이 활성화 되면 코어 및 언코어 배수가 하락하며 프로세서의 기본 속도로 동작하게 된다.

스로틀링의 조건은 크게 3가지가 있다.

1. 최대 CPU 허용 온도(Tj.Max) 초과

2. 최대 VRM 온도 초과

3. PSU의 ATX 12V 레일 불안정

1번의 경우 쿨링 솔루션을 개선하거나 BIOS에서 해당 옵션의 최대 허용 온도를 상향 조정함으로써 해결할 수 있다.

2번의 경우 또한 VRM의 쿨링 솔루션을 개선(스팟쿨링 등) 하거나 BIOS에서 해당 옵션의 최대 허용 온도를 상향 조절함으로써 해결할 수 있다.

다만, VRM의 경우에는 MOSFET의 품질에 따라 고온에서 좋은 품질의 Vcore 전압을 만들어내지 못할 수 있으므로, 쿨링 솔루션을 개선하는 것을 추천한다.

3번의 경우 일반적으로 스로틀링보다는 셧다운 현상이 더 많이 나타난다.

ATX 12V(보드 상단의 8핀 입력)가 불안정하면 생기는 문제로써 연장 케이블을 제거하거나 PSU를 교체하면 해결된다. 

전압과 온도의 관계

전압이 높을수록 온도가 높아진다는 사실은 자명하다. 그러나 그 역순(온도가 낮을수록 전압이 낮아진다)도 성립한다.

겨울에 안정화한 오버클러킹 셋팅이 여름에 작동하지 않는 것, LN2 쿨링을 하게 되면 보다 낮은 전압에서 같은 클럭이 들어가는것과 같은 맥락의 이야기이다.

단, CPU의 온도 마진(온도 수율)이 안정화에 큰 영향을 끼친다.

일반적인 코어수율과는 다르게 온도수율이 존재하는데, 온도수율이 좋은 CPU의 경우는 많은 전압을 인가하더라도 온도가 낮다.

der8auer의 자료 중 30개의 10900K Binning 결과에서 많은 전력을 소모함에도 불구하고 온도가 낮은 CPU 샘플을 확인할 수 있었다.

낮은 전력 소모하면서 더 낮은 온도를 보여준 샘플의 경우 고전압에서 매우 유리하므로, LN2 등의 익스트림 오버클러킹 환경에서 좋은 결과를 낼 수 있다.

2. CPU 오버클러킹을 하는 여러가지 방법 (Methodologies)

Multiplier(배수) O.C

배수 오버클러킹은 우리가 흔히 이용하는 오버클러킹 방식이다. 베이스클럭을 건드리지 않고 배수를 조정하여 목표 클럭을 달성하는 방법이다.

CPU-Z 상에서 나타나는 Multiplier가 현재 배수를 가리킨다.

BIOS 상에서 배수 값을 설정하여 오버클러킹을 진행하면 된다.

Core Ratio와 Cache/Uncore Ratio가 있는데, Core Ratio의 경우 연산부의 배수이고 Cache/Uncore Ratio의 경우는 L3캐시 및 언코어의 배수이다.

코어 수율과 언코어의 수율은 별개이나, 한 Die 내에 같이 패키징 되기 때문에 코어 수율과 언코어 수율이 비슷한 편이다.

코어수율이 좋은 경우 낮은 전압 대비 Core Ratio가 높게 올라갈 수 있으며, 언코어의 수율이 좋은 경우 메모리 오버클러킹 능력이 탁월하다는 특징이 있다.

방법으로는 Core/Uncore Ratio를 설정하고 Core Voltage를 수동 모드(Fixed, Override Mode)로 설정하여 목표한 클럭에 맞는 전압값을 찾는다.

이 과정에서 램 오버클러킹이 먼저 설정된 경우 VCCSA와 VCCIO 전압의 추가 인가가 필요할 수 있다.

전압 값을 찾는 방법은 일반적으로 Prime95 AVX 혹은 non-AVX로 찾으면 되는데, 램 오버클러킹을 통해 타이트한 램타이밍 설정이 완료되었다면 LinX 0.9.7을 이용하여 전압값을 찾을 수 있다.

스트레스 테스트를 통해 전압값을 찾을 때 주의할 점은 쿨링 퍼포먼스를 최상으로 유지시켜야 한다는 것이다.

실사용의 경우에는 LinX나 Prime95의 극한의 스트레스 테스팅 부하량에 비해 많아야 75%정도 선의 사용률을 보인다.

그러나 극한으로 테스트 하는 이유는 오류 발생률을 최소화하기 위함이며, 이를 낮추기 위해서는 전압의 보다 미세한 튜닝이 필요하다.

정확한 튜닝을 위해서는 온도 등 테스트에 영향을 줄 수 있는 변인요소를 최대한 제거해야 한다.

ASUS 보드에서 XMP 1 모드를 적용할 시 자동으로 약 0.55MHz 가량의 BCLK 오버클러킹이 들어간다. ASUS보드를 통해 오버클러킹 하려는 경우 AI Overclocking 부분을 Manual 로 설정하고 BCLK를 100.00으로 설정해 주어야 한다.

BCLK(베이스 클럭) O.C

BCLK를 이용한 오버클러킹은 링버스의 클럭을 높여 낮은 배수에서도 높은 클럭을 달성하게 하는 오버클러킹 방식이다.

린필드 이전 시스템에서 거의 FSB(Front Side Bus) 오버클러킹을 진행했다면, 샌디브릿지 이후 실사용을 위한 BCLK 오버클러킹은 거의 하지 않는 편이다.

전용 유틸리티(Auto FSB 등)를 통해 적정한 값을 찾아야 하므로 OC 레코드를 세울 때 오버클러커들이 많이 이용한다.

높은 BCLK에서 안정적이려면 여러가지 전압 및 옵션 튜닝이 필요한데 배수를 이용한 오버클러킹보다 등한시되는 이유 중 하나이기도 하다.

오버클러킹 경험이 생긴다면 내용을 추가할 예정이다.

3. 무엇을 사야 하는가?

CPU

용도에 맞는 원하는 CPU 라인업 중 K 프로세서를 구매하면 된다.

9600K, 9700K, 9900K, 10600K, 10700K, 10850K, 10900K ...

단, i9 - i7 - i5 순으로 고수율 확률이 높으니 참고하면 좋다. (10850K의 경우 10900K보다 낮은 수율의 제품)

메인보드

CPU와 메모리 오버클러킹 모두 진행한다는 가정 하에 아래 제품들을 추천한다.

9세대

ASUS: 막시무스 에이펙스 / 히어로

MSI: 게이밍 엣지 ITX / 에이스 / 갓라이크

ASROCK: 팬텀 게이밍 ITX / Taichi

GIGABYTE: 추천 안함

10세대

ASUS: 막시무스 에이펙스 / 히어로 / 익스트림 / 터프

MSI: 유니파이 ITX / 유니파이 / 갓라이크 / 게이밍엣지

GIGABYTE: 어로스 울트라 ITX / 익스트림 / 마스터

ASROCK: 추천 안함

PSU (파워서플라이)

그래픽카드의 전력소모율을 고려하여 500W 이상의 정격 출력을 지원하는 파워 서플라이 중 출력이 일정한 제품을 고르면 된다.

가장 하이엔드는 시소닉 프라임이며, 그 이하는 파워 3대장 (시소닉 / 델타 / 에너맥스)과 FSP 등 유명 제조사 제품 중 OEM이 아닌것을 고르면 된다.

4. CPU 오버클러킹시 알아두면 좋은 노하우

램 오버클러킹 이후 CPU 오버클러킹을 진행할 때의 VCCSA와 VCCIO의 튜닝

VCCIO의 경우 Cache 배수가 올라갈수록 추가적인 인가가 필요할 수 있고, VCCSA의 경우는 CPU IMC의 수율에 고정값을 띤다.

(설명추가 예정)

VCC Sense와 Die Sense, Socket Sense

VCC Sense(MSI)와 Die Sense(ASUS)의 경우는 Substrate를 지나 Die에서 측정되는 전압의 세기이다. 

Socket Sense의 경우 Super I/O 모듈을 이용하여 측정하는 방식인데, 이 방식은 Traditional 한 방식으로 오차가 있을 수 있다.

반면 Die Sense의 경우 PWM Controller에서 출력되는 실 전압을 측정하는 것으로 매우 정확하다고 한다. 

[그림 4] Die/VCC Sense VS. Socket Sense (출처: Actually Hardcore Overclocking)

Socket Sense가 부정확하다고 하는 이유는 소켓과 PCB에서 약 1밀리옴의 저항이 발생하는데, 100A를 인가하게 되면 0.1V의 전압 하강이 일어나게 된다.

그러므로 실 인가전압을 정확하게 계측하는 데에는 VCC/Die Sense를 이용하는 것을 권장한다.

혹시 추가해주셨으면 하는 내용이 있다면 알려주시고 질문도 환영합니다. ^^