آموزش اورکلاک پردازنده‌های AMD (قسمت اول)

مقدمهامروزه با پیشرفت نرم‌افزارهای کاربردی نظیر نرم‌افزارهای فنی مهندسی، آمار و محاسبات، پردازش تصاویر سه‌بعدی و ویدیویی و بازی‌های جدید که توان پردازش بسیار بالایی می‌طلبند، کاربران نیاز به سرعت هرچه بیشتر پردازش اطلاعات در سیستم خود دارند. این انتظارات گاهی به سطحی می‌رسد که حتی یک کاربر نیمه حرفه‌ای را نیز با هزینه‌های هنگفتی مواجه می‌کند. 
از سوی دیگر پیشرفت صنعت ساخت قطعات سخت‌افزاری به قدری سریع شده که اگر شما از آن دسته کاربرانی باشید که علاقمند به داشتن کامیپوتر شخصی به‌روز و قدرتمندند، شاید مجبور باشید هر 15 ماه یک بار به طور کامل قطعات کامپیوتر خود را تعویض کنید! 
از این شماره طی چند سلسله مقاله قصد داریم شما را با یکی از راه‌هایی که می‌توانید بدون صرف هزینه‌های بالا از حداکثر توانایی قطعات سخت‌افزاری خود به صورتی کاملا کاربردی بهرمند شوید، آشنا کنیم.

شرح اولیه و تعریف اصطلاحات Pulse Clock چیست؟ در علم الکترونیک و مخصوصا در مدارات سنکرون دیجیتال، عملیات مدار توسط یک پالس به نام کلاک همزمان می‌‌شود. البته غالبا کلاک سیستم‌ها یک پالس تکرار شونده و یا به عبارتی دیگر یک موج مربعی با فرکانس مشخص است. اغلب کلاک را به صورت clk و یا(CP (Clock Pulse نمایش می‌دهند. یک پالس کلاک، پایه و اساس انجام شدن یک کار و یا بخشی از یک کار در واحد زمان است. 
هر پالس کلاک در واحد زمان در 2 سطح بالا (High) و پایین(Low) نوسان می‌کند. به این صورت، با هر بار تکرار شدن این وضعیت، یک کار و یا بخشی از آن انجام می‌شود. 
حال این کار ممکن است انواع مختلف داشته باشد. برای مثال در یک IC میکروکنترلری که در مدار هشدار دهنده امنیتی به کار رفته است، ممکن است دستور به صدا درآمدن هشدار دهنده را صادر کند و در یک پردازنده مدرن امروزی ممکن است یک دستورالعمل محاسباتی از میان میلیون‌ها دستورالعملی که در عرض 1 ثانیه توسط پردازنده اجرا می‌شود، باشد. 

شکل 1 : هر پالس کلاک در واحد زمان در 2 سطح High و Low نوسان می‌کند. به در هر پالس یک کار و یا بخشی از آن انجام می‌شود.

در واقع یکی از مهم‌ترین معیارهای سنجش سرعت پردازش و انتقال اطلاعات در کامیپوترهای امروزی، سرعت نوسان کلاک پالس در واحد زمان (در این جا ثانیه) است. این کمیت فرکانس نام دارد و واحد سنجش این کمیت هرتز (HZ) است.
 برای مثال یک پردازنده تک‌هسته‌ای که با فرکانس 3 گیگاهرتز کار می‌کند، قادر است در هر ثانیه 3 میلیارد دستورالعمل یک سیکلی را اجرا کند. هر چه فرکانس مورد نظر افزایش یابد، عملکرد نهایی سیستم نیز افزایش خواهد یافت.

اورکلاک (OverClock) چیست؟اورکلاک فرآیندی است که در آن، قطعات مختلف یک کامیپوتر را در فرکانس‌هایی فراتر از فرکانس‌های نامی ‌خودشان راه‌اندازی می‌کنیم. افزایش فرکانس، در نهایت باعث افزایش کارآیی و توان مصرفی قطعه مورد نظر می‌شود. افزایش توان مصرفی در نهایت افزایش حرارت را در بر دارد.
در ادامه مقاله جزییات این فرآیند را تشریح خواهیم کرد و راه‌های مختلف برای غلبه بر تغییرات ایجاد شده در عملکرد عادی سیستم را بررسی خواهیم کرد.  در حال حاضر دو نوع رفتار مرسوم در اورکلاک وجود دارد: 

• اورکلاک کاربردی در این روش، نهایت شرایط لازم برای داشتن پایداری کامل و حفظ سلامت قطعات مختلف کامپیوتر در نظر گرفته می‌شود.
همچنین معمولا قطعه مورد نظر بیشتر از 20 الی 30 درصد فرکانس نامی، ‌اورکلاک نمی‌شود (بسته به نوع قطعه)،  و حرارت به شدت کنترل شده و در مواقعی که نیاز به افزایش ولتاژ قطعه است، از مقادیر نامتعارف استفاده نمی‌شود. 
در این نوع اورکلاک می‌توان حتی با استفاده از خنک کننده‌های متعارف نظیر خنک کننده معمولی (Air Cooling) که هزینه ناچیزی دارد، به راحتی حرارت را کنترل کرد. 
در این حالت می‌توان به صورت دایمی ‌و بدون وقفه از کامپیوتر استفاده کرد، بدون اینکه نگرانی خاصی در خصوص آسییب دیدن قطعات مختلف کامپیوتر وجود داشته باشد.
ما قصد داریم طی سلسله مقالات آینده به تشریح و بررسی این نوع اورکلاک بپردازیم. 

شکل 2 : در اورکلاک کاربردی می‌توان حتی با استفاده از خنک کننده‌های متعارف نظیر Air Cooling که هزینه ناچیزی دارد، به راحتی حرارت را کنترل کرد

• اورکلاک جهت ثبت رکورداین نوع اورکلاک به تازگی به صورت رسمی ‌مورد توجه کمپانی‌های ساخت قطعات سخت‌افزاری قرار گرفته است! در این نوع اورکلاک رسیدن به فرکانس‌های بالاتر به هر قیمتی مد نظر قرار داده می‌شود. به این صورت که پایداری کامل سیستم و محدودیت‌های حرارتی برای حفظ سلامت قطعات سخت‌افزاری مورد نظر نیست. در این نوع اورکلاک، برای خنک‌سازی قطعات از خنک کننده‌هایی نظیر نیتروژن مایع(LN2)، یخ خشک(Dry Ice) و انواع خنک کننده‌های آبی(Water Cooling) استفاده می‌شود که برای مثال خنک کننده نیتروژن مایع گاهی دما را تا 150- درجه سانتی‌گراد زیر صفر کاهش می‌دهد. 
در حال حاضر، کمپانی‌های معروف و با سابقه سازنده سخت‌افزار هر ساله اقدام به برگزاری مسابقات گوناگون اورکلاک در سطح جهانی می‌کنند. این مسابقات علی‌رغم هزینه‌های قابل توجهی که برای کمپانی‌های سازنده در بر دارد، یکی از تاثیرگذارترین نوع تبلیغات در حال حاضر به حساب می‌آید.
همچنین وب‌سایت‌های معتبر زیادی نیز اقدام به ثبت رکوردهای جهانی قطعات مختلف در سطوح مختلف تیمی ‌و کشوری می‌کنند.
این نکته را در نظر داشته باشید، قطعاتی که برای اورکلاک سنگین و حرفه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند، متشکل از عناصری با کیفیت بالا و گران‌قیمت هستند.

شکل 3 : در اورکلاک جهت ثبت رکورد، از خنک کننده‌هایی نظیر نیتروژن مایع(LN2)، یخ خشک(Dry Ice) و انواع خنک کننده‌های آبی(Water Cooling) استفاده می‌شود.

چرا اورکلاک می‌کنیم و چه قطعاتی اورکلاک می‌شوند؟به بیانی ساده، اورکلاک کاربردی به گونه‌ای کاملا حساب شده و یکی از بهترین راه‌های مقرون به صرفه است که به واسطه آن می‌توان از حداکثر توانایی سخت‌افزار استفاده کرد. برای مثال شخصی را در نظر بگیرید که با نرم‌افزار فنی مهندسی خاصی کار می‌کند و برای کامل شدن پروسه مورد نظرش نیاز به 2 روز کامل (48 ساعت) پردازش مداوم کامپیوتری دارد. حال در صورتی که پردازنده همان کامپیوتر چیزی حدود 20 الی 25 درصد اورکلاک شود، این زمان 48 ساعته تقریبا به همان اندازه (9 الی 12 ساعت) کاهش می‌یابد! به طوری که هیچ‌گونه آسیب یا خطری کامپیوتر را نیز تهدید نمی‌کند. قطعاتی که در حال حاضر به صورت کاربردی اورکلاک می‌شوند به شرح زیرند: 
• پردازنده و مادربورد
• حافظه اصلی سیستم (RAM)
• کارت گرافیک (حافظه و پردازنده گرافیکی)

انواع روش‌های اورکلاک• اورکلاک از طریق بایوس: هر قطعه مستقل سخت‌افزاری، بایوسی مخصوص خود دارد. بایوس نرم‌افزاری است که به صورت دایمی ‌در چیپ قطعه سخت‌افزاری ذخیره می‌شود. زمانی که کامپیوتر روشن می‌شود، ابتدا برنامه گنجانده شده در بایوس راه‌اندازی می‌شود. در این چیپ اطلاعات و تنظیمات مهم و پایه‌ای کنترل و بررسی قطعه مورد نظر ذخیره شده است. از جمله این اطلاعات، می‌توان به فرکانس‌ها، ولتاژ‌ها و تایمینگ‌های کاری، اطلاعات مربوط به کنترل سیستم‌های خنک کننده، اطلاعات مربوط به مدل و کمپانی سازنده و ... اشاره کرد.
هنگام اورکلاک لازم است تقریبا تمامی تنظیمات نام برده به طور دستی تغییر کنند. 
اورکلاک از طریق بایوس در اورکلاک پردازنده، مادربورد و حافظه اصلی سیستم بیشترین کاربرد را دارد (شکل 4). 

شکل 4 : هنگام اورکلاک لازم است فرکانس‌ها، ولتاژ‌ها و تایمینگ‌های رم به طور دستی تغییر کنند.

• اورکلاک از طریق نرم‌افزار :در این نوع اورکلاک تمامی تنظیمات ایجاد شده، فقط و فقط از طریق نرم‌افزار و سیستم عامل اعمال می‌شوند و خارج از سیستم عامل هیچ تغییری در فرکانس‌ها و ولتاژها ایجاد نمی‌شود. در واقع نرم‌افزار اورکلاک با تغییر غیر مستقیم تنظیمات بایوس، در نهایت باعث افزایش فرکانس و ولتاژها می‌شود. با این تفاوت که تنظیمات یاد شده در چیپ بایوس ذخیره نمی‌شوند و به صورت موقتی فقط در سیستم عامل مورد نظر اعمال می‌شوند و با خاموش شدن کامپیوتر، تمام تنظیمات به حالت پیش‌فرض باز خواهند گشت. این گونه نرم‌افزارها معمولا به صورت رسمی ‌توسط کمپانی‌های سازنده، در سی‌دی درایور قطعه گنجانده می‌شوند. این روش در اورکلاک کارت گرافیک، بیشترین کاربرد را دارد (شکل 5). 

شکل 5: در اورکلاک از طریق نرم‌افزار، تمامی تنظیمات از طریق نرم‌افزار و سیستم عامل اعمال می‌شوند.

اورکلاک بی‌خطر و ملاحظات آن همانطور که در ابتدای مقاله اشاره شد، کمیتی که در نهایت باعث افزایش حرارت قطعه در اورکلاک می‌شود، افزایش توان مصرفی قطعه است. حال برای روشن شدن بهتر موضوع، مهم‌ترین عوامل دخیل در افزایش توان مصرفی پردازنده را بررسی می‌کنیم:
فرکانس * ولتاژ * ولتاژ * ظرفیت دینامیک = توان مصرفی

• ولتاژ:ولتاژ یا پتانسیل الکتریکی یک کمیت اسکالر (غیر برداری) است که معمولاً آن را با حرف V نشان می‌دهند و عبارت است از مقدار انرژی الکتریکی بر بار الکتریکی و واحد آن ولت است. 
در پردازنده دیجیتال، این ولتاژ جریان مورد نیاز تغذیه میلیون‌ها ترانزیستور موجود در پردازنده و بافرهای ورودی و خروجی را تامین می‌کند.
در واقع عاملی که باعث ایجاد جریان الکتریکی در یک مدار بسته می‌شود، اختلاف پتانسیل الکتریکی است. هر چه این مقدار افزایش یابد، توان مصرفی پردازنده نیز افزایش خواهد یافت. این کمیت به (توان 2) در فرمول محاسبه توان مصرفی پردازنده، اعمال می‌شود.

• فرکانس: این کمیت سرعت سوییچ ترانزیستورهای به کار رفته در پردازنده را تعیین می‌کند. واضح است هر چه تعداد دفعات قطع و وصل شدن یک ترانزیستور در واحد زمان افزایش یابد، انرژی مصرفی آن نیز افزایش خواهد یافت. حال با در نظر گرفتن وجود میلیون‌ها ترانزیستور در یک پردازنده دیجیتال، می‌توان تاثیر قابل توجه این کمیت را در افزایش توان مصرفی پردازنده درک کرد.

• ظرفیت دینامیک: ظرفیت دینامیک، مقدار انرژی ذخیره شده در یک رسانا به نسبت اختلاف پتانسیل دو سر رساناست که برای پایداری این انرژی ذخیره شده لازم است. این عامل توسط سازندگان پردازنده تعیین می‌شود تا در نهایت با برقراری موازنه در کمیت‌هایی نظیر ولتاژ و فرکانس بتوانند توان مصرفی پردازنده‌های یک خانواده را تعیین کنند.

اکنون با توجه به توضیحات فوق، دید بهتری نسبت به مصرف انرژی الکتریکی در پردازنده دیجیتال پیدا کردیم. البته شاید ابهاماتی در این بین به وجود آمده باشد که در ادامه به رفع برخی از مهم‌ترین آنها می‌پردازیم. 
 
چرا پردازنده‌های یک خانواده با وجود فرکانس‌های مختلف، توان‌های مصرفی مشابهی دارند؟
همانطور که در شکل 6 مشاهده می‌کنید، به غیر از فرکانس کاری، تمامی مشخصات فنی پردازنده‌های سری E8XXX کمپانی اینتل یکسان است، اما توان مصرفی (TDP) مشابهی دارند. حال آنکه فرکانس یکی از عوامل افزایش توان مصرفی پردازنده است!
دلیل این امر آن است که ظرفیت دینامیک (Dynamic Capacitance) نیز یکی از عوامل تعیین کننده توان مصرفی پردازنده است. بنابراین کمپانی سازنده با ایجاد تغییرات مختصر در ساختار نیمه هادی به کار رفته در پردازنده، می‌تواند این مقدار را کاهش یا افزایش دهد. در نتیجه پردازنده‌هایی با فرکانس‌های متفاوت و توان‌های مصرفی مشابه و البته محدوده قیمت متفاوت روانه بازار می‌کنند. 

شکل 6: همانطور که مشاهده می‌شود، به غیر از فرکانس کاری، تمامی مشخصات فنی پردازنده‌هایکسان است، اما توان مصرفی (TDP) مشابهی دارند.

چرا کمپانی‌های سازنده، خود اقدام به اورکلاک قطعات نمی‌کنند؟ کمپانی‌های سازنده قطعات سخت‌افزاری مانند پردازنده‌ها، معمولا محدودیت‌هایی در این مورد دارند که برخی از مهم‌ترین آنها عبارتند از:

• محدودیت حرارتی:برای مثال کمپانی سازنده پردازنده، با توجه به توان مصرفی (TDP) و حداکثر حرارت قابل تحمل پردازنده، اقدام به طراحی خنک کننده (فن + هیت‌سینک) برای پردازنده مورد نظر می‌کند. همچنین در این طراحی بدترین شرایط آب و هوایی نظیر میانگین دمای هوا در مناطق استوایی و ... در نظر گرفته می‌شود. از طرف دیگر بیشترین تلاش را نیز برای کاهش قیمت تمام شده این خنک کننده انجام می‌دهد.

• محدودیت توان مصرفی: کمپانی سازنده پردازنده، از نقطه نظر فنی باید با کمپانی‌های سازنده مادربورد هماهنگی کامل داشته باشد. در نتیجه حداقل شرایط لازم برای طراحی مادربورد استاندارد را به کمپانی‌ها ابلاغ می‌کند. کمپانی‌های سازنده مادربورد نیز با توجه به این شرایط و در نظر گرفتن قیمت تمام شده نهایی، اقدام به طراحی مادربورد در محدوده قیمت‌های متفاوت می‌کنند. در نتیجه در محدوده قیمت پایین، حداقل شرایط برای طراحی مدارهای مختلف مادربورد، از جمله مدارهای کنترل کننده ولتاژ پردازنده، حافظه و چیپست‌های کنترلی موجود در مادربورد در نظر گرفته می‌شود. بنابراین ممکن است چنین مادربوردهایی از پس تامین توان مصرفی پردازنده در حالت اورکلاک شده بر نیایند. 
 
آیا با اورکلاک، عمر قطعه کاهش می‌یابد؟ اگر اورکلاک با رعایت مواردی که قبلا اشاره شد انجام شود، هیچ خطری قطعه مورد نظر را تهدید نمی‌کند. از سوی دیگر معمولا توصیه می‌شود در مواقعی که از کامپیوتر برای گشت و گذار در محیط وب، پخش موسیقی و ویدیو و کارهای اداری و مسایلی از این قبیل استفاده می‌شود، به دلیل سبک بودن بار پردازش این‌گونه نرم‌افزارها بهتر است اورکلاک طولانی مدت اعمال نشود.

رفع محدودیت برای داشتن اورکلاکی پایدار و کاربردی محدودیت توان مصرفی همانطور که قبلا اشاره شد، با افزایش فرکانس کاری پردازنده، توان مصرفی آن نیز افزایش می‌یابد. در نتیجه برای جبران توان مصرفی اضافی در حالت اورکلاک، با افزایش ولتاژ، می‌توان مدارهای تنظیم کننده ولتاژ مادربورد را تا حدودی برای عبور جریان بیشتر از پردازنده ترغیب کرد. با این کار می‌توان تا حد زیادی محدودیت مذکور را کاهش داد تا پردازنده در فرکانس‌های بالاتر از مقدار نامی‌ خود، به صورتی کاملا پایدار فعالیت کند. 
از سوی دیگر با اورکلاک چندین قطعه در یک کامپیوتر، ممکن است مجموع توان مصرفی اضافی کلیه قطعاتی که اورکلاک شده‌اند، محاسباتی را که برای تهیه منبع تغذیه سیستم کرده‌اید را بر هم بزند. بنابراین در هنگام خرید منبع تغذیه به همان مقدار که قصد اورکلاک دارید، منبع تغذیه‌ای با توان خروجی بیشتر تهیه کنید.

محدویت حرارتی برای رفع این محدودیت، بهترین راه فراهم کردن دمای خنک‌تر برای فعالیت پردازنده است. بنابراین بهتر است با تهیه خنک کننده‌های متعارف (Air یا Water) این محدودیت را مرتفع سازیم. البته همانطور که قبلا اشاره شد، کمپانی‌های سازنده بدترین شرایط حرارتی محیط را برای طراحی خنک کننده قطعه، در نظر می‌گیرند. از سوی دیگر در بسیاری از نقاط کشورمان در طی سال آب و هوایی نسبتا خنک حکم فرماست. از این رو با استفاده از کیس‌هایی که از تهویه هوای مناسب برخوردارند و همچنین فراهم ساختن شرایط لازم برای داشتن محیطی با هوای نسبتا خنک، می‌توان با استفاده از خنک کننده‌های مرجع خود قطعات نیز تا حد قابل قبولی اورکلاک را به صورت کاربردی تجربه کرد.

تست پایداری قطعاتمهم‌ترین قسمت در اورکلاک کاربردی، ارزیابی پایداری سیستم است. در واقع زمانی می‌توان اورکلاک را موفقیت‌آمیز تلقی کرد که سیستم بدون هیچ مشکلی، مدت زمان طولانی و بدون وقفه به فعالیت خود ادامه دهد. 
برای این منظور از نرم‌افزارهایی استفاده می‌شود که قطعات را تحت فشار قرار می‌دهند. این‌گونه نرم‌افزارها معمولا با تکرار الگوریتمی‌ خاص نظیر محاسبه عدد پی یا تخمین تابع به روش نیوتن و دیگر توابع ریاضی، پردازنده و حافظه را تحت فشار کاری شدید قرار می‌دهند و یا با اجرای صحنه سه‌بعدی خاص، این شرایط را برای پردازنده گرافیکی (GPU) ایجاد می‌کنند. اگر پس از گذشت زمانی خاص (در مقالات بعد اشاره خواهد شد) سیستم بدون مشکل همچنان به فعالیت خود ادامه دهد، می‌توان پایداری کامل سیستم را تضمین کرد.
از جمله نرم‌افزارهای معتبر در این زمینه برای تست پردازنده و حافظه می‌توان به Prime95) Orthos، OCCT،  IntelBurnTest)و برای تست پردازنده گرافیکی به 
ATI Tool، OCCT GPU و FurMark اشاره کرد (شکل 7). 

شکل 7 : نمایی از نرم‌افزار FurMark

همچنین می‌توان حین تست نیز حداکثر حرارت تولید شده از قطعه مورد نظر را مشاهده کرد. از معتبرترین این‌گونه نرم‌افزارها می‌توان به 
Real Temp، Core Temp، Everest وHWMonitor اشاره کرد (شکل 8). 

شکل 8 :نمایی از نرم‌افزار Core Temp که حرارت هسته‌های پردازنده را نمایش می‌دهد.

جمع بندیهدف اصلی این مقاله آشنایی با واژه اورکلاک تا حد زیاد بود و اینکه معایب و مزایای آن را بشناسیم تا در کل، ضمن آشنایی اولیه با مفاهیم موضوع، آمادگی لازم برای ادامه سلسله مقالات بعدی حاصل شود. از این رو در مقالات شماره‌های بعد به صورت تئوری و عملی اورکلاک قطعات مختلف کامپیوتر را تشریح و آزمایش خواهیم کرد.