Barton çekirdekli AthlonXP 2500+
Devre tasarımcıları için en önemli degiskenler besleme gerilimi (voltaj), sıcaklık ve fabrikasyon parametreleridir. Bu degiskenler devrenin çalısma hızını, yani frekansını belirler. Elektronik devrelerin yapı tasları olan transistörler yüksek besleme voltajını ve düsük sıcaklıkları severler. Bu sartlar saglandıgında daha hızlı çalısırlar ve dolayısıyla da devre daha yüksek frekanslarda çalısabilir. Besleme voltajı sistemdeki yük miktarına, sıcaklıga ve güç kaynagının kalitesine gore belli bir deger etrafında belli bir tolerans aralıgında salınır. Sıcaklık da, besleme voltajı gibi yük miktarına ve kasanın sogutma sistemine baglı olarak belli degerlerde salınır.
Diger degiskenimiz olan fabrikasyon parametreleri ise tasarımcının ya da kullanıcının kontrolünde degildir. Dogası itibariyle rastgele bir prosestir (random process). Aranızdan olasılık teorisine asina olanların bilebilecegi gibi, rastgele proseslerin belirli dagılım fonksiyonları vardır. İste mikroelektronikteki fabrikasyon prosesleri normal bir dagılıma sahiptir. Uzun lafın kısası fabrikasyon parametrelerini önceden kesin olarak tahmin etmek mümkün degildir ancak ortalama degerlerini ve bu degerden olabilecek sapmalarını (standart sapma) hesaplamak mümkündür. Yani aynı devre aynı fabrikada islendiginden, farklı silikon waferları üzerindeki transistörler birgün hızlıyken, ertesi gün yavas çıkabilir. Bu bahsettigimiz rastgeleligin bir sonucudur ama bu sapmalar elbette mantıklı sınırlar içindedir. Buna bir örnek olarak AMD�nin ya da Intel�in aynı mimariye ve tasarıma, yani çekirdege, sahip ancak farklı frekanslarda satılan islemcilerini verebiliriz. Mesela AMD Athlon XP 1700 ve XP 2100�ü ele alalım. AMD�nin yaptıgı üretilen çipleri aynı voltaj ve sıcaklıkta teker teker test etmek, her birinin maksimum çalısma frekansını belirlemek ve üstlerine bunu belirten bir etiket basmaktan ibaret. Yani AMD, XP 2000 için ayrı XP 1700 için ayrı tasarım yapmıyor. Çekirdek aynı, ancak fabrikasyon sonrasında çiplerden birinin sansı daha yaver gitmis ve bahsettigimiz rastgele dagılım içinde daha hızlı bir noktaya düsmüs. İste bu yüzdendir ki tasarımcı isin dogasında olan bu rasgeleligin getirebilecegi sürprizlerden korunmak için tasarımına bazı güvenlik marjları diger bir deyisle toleranslar ekler. Örnek olarak 1.6V besleme voltajı ve 70 derece çekirdek sıcaklıgında test edilerek 2 GHz�de güvenli olarak çalısabilecegine karar verilmis ve ona gore etiketlenip satısa sunulmus bir islemci 1.8V besleme voltajında ve iyi bir sogutmayla çekirdegi 30 derecede tutuldugunda rahatlıkla 2.2 GHz frekansında güvenli olarak çalıstırılabilir.
İste overclockingin temelinde yatan ve onu mümkün kılan prensipler bunlar. Gelelim aldıgımız risklere.
Overclocking Yaparak Hangi Riskleri Göze Alıyoruz?
Mikroelektronik sektöründe tasarım ve üretim yapan firmaların üretim sonrası testlerden elde ettigi ölçümler ısıgında, her çip için güvenli voltaj, sıcaklık ve frekans çalısma aralıklarını belirleyip kılıf üzerinde bunu belirtmesindeki amaç, fonksiyonel olarak güvenilirligin yanı sıra çipin uzun vadede ömrünü de belirli bir degerin üzerinde tutmaktır. Her elektronik parçanın tıpkı otomobildeki mekanik parçalar gibi yıpranmadan dolayı bir ömrü vardır. Elektronikteki yıpranmanın sebebi aslında yine mekanik sebeplere dayanır ancak burada hareket halinde olan disliler ya da pistonlar degil, elektronlardır. Elektronların hareket kabiliyeti, çiplerin yapı tasları olan transistörlerin iletkenlikleri kontrol edilerek ya arttırılır ya da azaltılırak tamamen engellenir. Bu sayede, 0 ve 1 diye tabir ettigimiz mantık seviyeleri gerçeklenir.
İdeal olarak bir transistor ya açıktır ve üzerinden belli bir elektron hareketine yani akıma izin verir, ya da kapalıdır ve üzerinden hiçbir elektronun hareketine izin vermez. Pompalanan akım degeri voltajla orantılıdır; yani besleme voltajı artarsa akım da artar. Açık oldukları durumda izin verebilecekleri akım transistörün fiziksel boyutlarıyla orantılıdır. Normal olarak bu akım degeri arttıkça transistor daha hızlı çalısır. Transistörleri, içlerinden su pompalanan vanalara ve elektronları da suya benzetebiliriz. Ne kadar hızlı su pompalanırsa, yani akım arttırılırsa, belli bir süre içinde o kadar fazla su, yani elektron bir yerden bir yere tasınır; yani daha cok is yapılır ve daha hızlı çalısma saglanır. Belli bir degerden fazla akım geçirilmeye zorlanırsa transistörün iletkenligi doymaya baslar ve hız artısı kesilir. Artan akımla beraber elektronların maruz kaldıgı sürtünme de artar, güç tüketimi artar ve açıga çıkan ısı, çipin sıcaklıgını normal seviyelerin üzerine tasır. Yüksek sıcaklıklar ve yüksek akım degerleri transistörlerin performansını düsürdügü gibi, iletken metal hatların da elektron göçü (electromigration) denilen fiziksel olay sonucu yıpranmasını hızlandırır. Bunun yanında yüksek sıcaklıklarda elektronların silikon içindeki hareket kabiliyetleri, diger bir deyisle mobiliteleri azalır ve sistemin hızının doymasına, hatta azalmasına sebep olabilir. Tıpkı vana örneginde oldugu gibi bu akım degeri daha da artarsa vana ve borular bunu kaldıramaz ve sistemdeki yıpranma artar, vana (transistör) ve borular (metal hatlar) hızla asınır ve bozulmaya ugrar, sistemin ömrü kısalır ve sonunda bir anda sistemde kalıcı hasarlar olusmaya baslar. Devreler, normal çalısma kosullarında (voltaj ve sıcaklık) bu akım degeri hiçbir zaman normal ve emniyetli seviyelerin üzerine çıkmayacak sekilde tasarlanmıstır. Ancak overclocking amacıyla çipin besleme voltajı normal seviyesinin üzerine çıkarıldıgında ve yeterli sogutma saglanmadıgında yukarıda anlatılan senaryo gerçeklesir. Güç tüketimini belirleyen en etkili unsur voltajdır. Güç tüketimi besleme voltajının karesiyle orantılıdır. Mesela voltaj 1.6V tan 1.8Va çıkarıldıgında (%13) güç tüketimi ((1.8^2-1.6^2)/(1.6^2)*100)=%27 artar.
Voltaj ve sıcaklıgın artmasının yanı sıra frekansın arttırılmasının da olumsuz yan etkileri vardır. Yüksek frekanslarda ortalama güç tüketimi artar ve yeterli sogutmanın olmadıgı durumlarda sıcaklık da yükselir. "Ortalama güç tüketimi frekansla nasıl artar?" sorusu akla gelirse bunun cevabı biraz daha karısıktır. Güç tüketimi denildiginde bunu iki gruba ayırmak mümkün : Duragan (statik) ve dinamik. Her çipin hem dinamik hem de duragan güç tüketimi birlesenleri bulunur ve güç tüketimi denildiginde basit olarak bu ikisinin birleskesi kastedilir. Voltaja baglı olan güç tüketimi duragandır, yani dogru akımlardan (DC) kaynaklanır. Frekansa baglı olan birlesen ise dinamiktir, yani dogru akımların aksine zaman içinde degisik degerler alan akımlardan kaynaklanır. Bunu basit olarak bir kapasitorü doldurma ve bosaltma olayı olarak açıklayabiliriz. Her saat darbesinde çip üzerindeki kapasitörler kısa bir süre içinde dolar ya da sansurır ve bu kısa süreler zarfında dinamik güç tüketimi gerçeklesir. Saatin frekansı arttıgında saat darbelerinin, yani doldurma bosaltma isleminin sıklıgı artacagından, ortalama dinamik güç tüketimi dolayısıyla da toplam güç tüketimi artar.