VID と Vcore

 VID(Voltage Identification)とVcoreの関係を扱うわけだが、これはシステムによって違ってくる。この記事では、AMDのAM3+のFXシリーズをベースにする。

 記事中に出てくるデータは、以下の構成のPCに由来する。
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CPU AMD FX-8320E
Mother Board GIGABYTE 970-GAMING
Memory Kingston 2x4GB DDR3 1866MHZ
SSD Crucial CT256MX100 256GB
HDD WDC WD10EZEX
ATAPI PIONEER DVD-RW DVR-212
Graphics Zotac GT710 DDR3 2GB
PowerSupply Seasonic SSR-450RM(80PLUS Gold)
Display 1xDVI 1920x1080+1xHDMI 1920x1080
PS/2 KeyBoard
USB Mouse
Windows8.1 64bit
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 FXシリーズが動作するAM3+のシステムでは、デフォルトでCool&Quiet(以下C&Q)とCore Perfomance Boost(以下CPB)という機能が有効になっている。

 これらが有効になっていると、CPUのクロックは、速くなったり遅くなったりする。FX-8320Eの場合だと、その範囲は、最低が1400MHzで、最高が4000MHzだ。クロックの上下は、階段状で、P4からP0、PB1とPB0の7段階がある。その一段階ごとに、VIDがCPUの製造段階で書き込まれている。この値は、どのCPUでも同じものというわけではなく、個体ごとに少しずつ違う。

 このPCのFX-8320Eでは、以下のようになっていた。
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PB0(4000MHz) 1.412V
PB1(3500MHz) 1.275V
P0(3200MHz) 1.1625V
P1(2800MHz) 1.100V
P2(2300MHz) 1.025V
P3(1800MHz) 0.9375V
P4(1400MHz) 0.850V

 P4からP0はC&Qの領域で、PB1とPB0はCPBの領域だ。
 データの並びは、Pstate(クロック)、VIDの順だ。
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 停止状態から、プログラムの実行が始まると、時間の経過とともに、P4からPB0までPstateが上昇していく。VIDもそれにつれて変化するが、マザーボードはそれに応じて、VRMの出力電圧を変えてゆく。

 このPCでは、その関係は以下のようになっていた。
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1.404V  PB0(4000MHz) 1.412V
1.260V  PB1(3500MHz) 1.275V
1.164V  P0(3200MHz) 1.1625V
1.092V  P1(2800MHz) 1.100V
1.020V  P2(2300MHz) 1.025V
0.936V  P3(1800MHz) 0.9375V
0.852V  P4(1400MHz) 0.850V

 データの並びは、Vcore、Pstate(クロック)、VIDの順だ。

 Vcoreは、P4については、アイドル時の値だ。P3からP0と、PB0については、CINEBENCH R15を1スレッドで実行中の値だ。PB1については、CINEBENCH R15を5スレッドで実行中の値だ。システムの特性で、PB1については、軽負荷での値を得ることができない。軽負荷ならVcoreは、1.260Vではなく、1.272Vだろう。
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 VRMの出力電圧は、負荷が重くなると低下する。この低下が大きいと、安定性に問題が出てくる。どの程度の低下があるのか調べてみた。

 PstateをPB4に固定し(クロックは1400MHz固定になる)、CNEBENCH R15を8スレッドで実行して、Vcoreを調べてみたところ、0.840Vだった。アイドル時の0.852Vに対して、0.012Vの低下だ。VIDの0.850Vに対しては、0.010Vの低下だ。消費電力は、77~78ワットだった。

 CPBを無効にして(クロックは最高3200MHzになる)、CINEBENCH R15を8スレッドで実行し、Vcoreを調べてみたところ、1.140Vだった。1スレッド時の1.164Vに対して、0.024Vの低下だ。VIDの1.1625Vに対しては、0.0225Vの低下だ。消費電力は、131~133ワットだった。

 この程度の低下なら、問題はなさそうだが、本当に問題ないか確かめることもできる。


 すべてのPstateのクロックで、安定性のテストを実行し、安定動作可能な最低のVcoreを求め、それと高負荷時のVcoreを比較すればよい。

 全部については無理だが、3200MHzの場合については、以前に実験済みだから、転記しておく。安定動作が可能な最低のVcoreは、1.104Vだった。今回の実験結果の高負荷時のVcoreの1.140Vから、0.036V低い値だ。これならば、問題ないと判断してよいだろう。


 BIOSのデフォルト設定でPCを使用する場合、VRMの出力電圧の高負荷時の電圧降下が多いマザーボードを使用すると、CPUの安定動作を損なう可能性があるということなのだが、AMDのシステムの場合その可能性はかなり低いはずだ。理由は、VIDがかなり高く設定されているからだ。これが、消費電力の多いことの原因の一つでもあるのだが、AMDのCPUの安定性が優れていることの理由の一つという見方もできる。Intelの不安定性の原因は、ここら辺りに関係があるのではないかという気もする。


 OCなどのために、手動で電圧を設定する場合は、VRMの出力電圧の低下は、まず問題にならない。それらの状態での安定性のテストに、Prime95などの高負荷をかけるプログラムを使用するため、VRMの電圧低下を取り込んだ上での試験になるためだ。問題になる場合は、VRMの電圧の設定の最大値が1.600Vで、その時の電圧降下が0.080Vで、実質1.520Vにしかならないというような時に、実質1.600Vまで電圧を上げたいという場合だ。こういう場合には、LLCなどを試すということになりそうだ。


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VRMとは、どの程度のものなのか?

 VRMの出力側の負荷を変えると、電圧がどの程度変化するのか、実験してみた。


使用したPCの構成
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CPU AMD FX-8320E
Mother Board GIGABYTE 970-GAMING
Memory Kingston 2x4GB DDR3 1866MHZ
SSD Crucial CT256MX100 256GB
HDD WDC WD10EZEX
ATAPI PIONEER DVD-RW DVR-212
Graphics Zotac GT710 DDR3 2GB
PowerSupply Seasonic SSR-450RM(80PLUS Gold)
Display 1xDVI 1920x1080+1xHDMI 1920x1080
PS/2 KeyBoard
USB Mouse
Windows8.1 64bit
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BIOSの設定
fix x19 0_120 crop
 これで、クロックは固定の3800MHzになる。このままでは、電圧不足で正常動作しないので、Vcoreのオフセットを、+0.120Vに設定している。


 CINEBENCH R15を、1から8スレッドで走らせることで、VRMの負荷を変え、Vcoreの変化を検証した。VcoreはHWiNFOのSensor Status中のVcoreで、表示されたすべての値を記録した。


1スレッドの場合  1.272V/1.260V
2スレッドの場合  1.272V/1.260V
3スレッドの場合  1.260V
4スレッドの場合  1.260V
5スレッドの場合  1.260V
6スレッドの場合  1.260V/1.248V
7スレッドの場合  1.248V
8スレッドの場合  1.248V

アイドルの場合  1.272V


 負荷が重くなると、VRMの出力電圧が低下していることがわかる。VRMの制御の目標値は一定であるはずで、電圧の変化は連続的であるはずだ。電圧の低下が0.012V刻みになっているのは、電圧をモニターしているITEのIT8620Eの出力が、0.012V刻みとなっているためだろう。

 この電圧降下が、果たして、仕様上の許容範囲に収まっているのかどうかは、わからない。仮に、期待値あるいは目標値が、1.272Vであったとすると、1.248Vは-0.024Vということになる。1.272Vに対して、1.88%程度の低下ということで、これだけを見ると、許容範囲であってもおかしくないようにも思える。

 このマザーボードは、BIOSでCPU電圧の変更が可能で、その刻みは0.020Vになっている。設定値の一段分である0.020Vに対して、0.024Vの電圧降下。これを、どう評価すべきなのだろうか。

 マザーボードによって、BIOSによる、CPU電圧の変更の刻みは、かなり違う。中には、0.00625V刻みというものもある。0.020Vの約1/3だ。その様なマザーボードの場合、0.024Vの電圧降下は、問題だろう。問題といっても、設定の刻みと、電圧降下の大きさの関係からの判断で、言わば、形式的なもので、本当に問題なのかどうかは、また別の話だ。

 最終的な評価は、例えば、FX-8320EというCPUが確実に動作するかということで、たとえ電圧降下が多めであったとしても、正常に動作するならば、それで、とりあえず問題なしということにもなる。


 その商品の価格を抜きにしては、商品の価値を語れないという面もある。価格に見合った性能を持つ商品かどうかということと、その商品の持つ性能そのものの評価は、当然のことながら、まったくの別物だ。


 CINEBENCH R15実行時の消費電力は、以下の通りだ。消費電力は、PC全体のもので、ディスプレーは含まない。計測には、サンワサプライのワットチェッカーPlusを使用した。

1スレッドの場合  93~95W
2スレッドの場合  104~109W
3スレッドの場合  118~121W
4スレッドの場合  129~132W
5スレッドの場合  140~143W
6スレッドの場合  149~153W
7スレッドの場合  160~162W
8スレッドの場合  163~167W

アイドルの場合  68~69W


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CINEBENCHのスコア OSによる違い

 Windows7と、Windows8.1では、スケジューリングのスタイルが異なる。その影響は、OSの支配下で動作するプログラムに出てくる。

 CINEBENCH R15を、Windows7と、Windows8.1の下で走らせ、スコアを記録してみた。実験用のPCの都合上、Windows7と、8.1のPCは同じものではない。CPUは同じFX-8320Eだが、マザーボードが違う。他のパーツにも違いがあるので、厳密な比較にはならないことを、明記しておく。


(1)Windows7の場合

 過去の記事の実験結果で代用する。

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 PCの構成
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CPU AMD FX-8320E
Mother Board MSI 970 GAMING
Memory Kingston 2x4GB DDR3 1866MHZ
HDD WDC WD10EZEX
ATAPI PIONEER DVD-RW DVR-212
Graphics Sapphire HD7750 GDDR5 1GB
PowerSupply Antec EA-500D(80PLUS Standard)
Display 1xDVI 1920x1080+1xHDMI 1920x1080
PS/2 KeyBoard
USB Mouse
Windows7 64bit

注)CPUクーラーの能力を考慮して、UEFIで、CPUのクロックを、ベースに3200MHZ、最高に3600MHzを設定している。デフォルトは3200MHzと4000MHzだ。CPU電圧もデフォルトから、0.12ボルト下げている。
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 CINEBENCH R15のスコアだけでなく、実行時の消費電力についても記録した。消費電力は、アイドル状態と、CHNEBENCH R15を実行している状態について計測した。消費電力は、PC全体のもので、ディスプレーは含まない。計測には、サンワサプライのワットチェッカーPlusを使用した。

(1)CINEBENCH R15 1スレッド  086cb  94~98ワット
(2)CINEBENCH R15 2スレッド  172cb  110~115ワット
(3)CINEBENCH R15 3スレッド  246cb  116~118ワット
(4)CINEBENCH R15 4スレッド  314cb  122~125ワット
(5)CINEBENCH R15 5スレッド  368cb  124~128ワット
(6)CINEBENCH R15 6スレッド  422cb  129~131ワット
(7)CINEBENCH R15 7スレッド  474cb  133~134ワット
(8)CINEBENCH R15 8スレッド  520cb  133~136ワット

(10)アイドル状態  69~70ワット

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(1)Windows8.1の場合

 PCの構成
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CPU AMD FX-8320E
Mother Board GIGABYTE 970-GAMING
Memory Kingston 2x4GB DDR3 1866MHZ
SSD Crucial CT256MX100 256GB
HDD WDC WD10EZEX
ATAPI PIONEER DVD-RW DVR-212
Graphics Zotac GT710 DDR3 2GB
PowerSupply Seasonic SSR-450RM(80PLUS Gold)
Display 1xDVI 1920x1080+1xHDMI 1920x1080
PS/2 KeyBoard
USB Mouse
Windows8.1 64bit

注)UEFIで、ベースに3200MHZ、最高に3600MHzを設定している。デフォルトは3200MHzと4000MHzだ。
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 CINEBENCH R15のスコアだけでなく、実行時の消費電力についても記録した。消費電力は、アイドル状態と、CHNEBENCH R15を実行している状態について計測した。消費電力は、PC全体のもので、ディスプレーは含まない。計測には、サンワサプライのワットチェッカーPlusを使用した。
 
(1)CINEBENCH R15 1スレッド  085cb  88~103ワット
(2)CINEBENCH R15 2スレッド  158cb  100~115ワット
(3)CINEBENCH R15 3スレッド  232cb  113~118ワット
(4)CINEBENCH R15 4スレッド  303cb  119~124ワット
(5)CINEBENCH R15 5スレッド  364cb  125~129ワット
(6)CINEBENCH R15 6スレッド  416cb  127~130ワット
(7)CINEBENCH R15 7スレッド  470cb  132~134ワット
(8)CINEBENCH R15 8スレッド  513cb  133~135ワット

(10)アイドル状態  54~55ワット

===============


 冒頭にも記したが、実験機材が、Windows7と、8.1では異なるため、厳密な比較には適さない。特に消費電力については、Windows7の実験では、BIOSで、CPU電圧を0.12ボルト低く設定していることもあり、比較には無理がある。二つの実験の記録という以外の意味はない。参考までに、Windows8.1で、CPU電圧を0.115ボルト低く設定して、CINEBENCH R15を、8スレッドで実行した場合の消費電力を記しておく。121~124ワットだった。


 以下に、CINEBENCH R15のスコアを、対比できる形で示すが、機材が異なるため、比較には適当ではないことを断っておく。cb値は、左がWindows8.1の場合で、右がWindows7の場合だ。

(1)CINEBENCH R15 1スレッド  085cb  086cb
(2)CINEBENCH R15 2スレッド  158cb  172cb
(3)CINEBENCH R15 3スレッド  232cb  246cb
(4)CINEBENCH R15 4スレッド  303cb  314cb
(5)CINEBENCH R15 5スレッド  364cb  368cb
(6)CINEBENCH R15 6スレッド  416cb  422cb
(7)CINEBENCH R15 7スレッド  470cb  474cb
(8)CINEBENCH R15 8スレッド  513cb  520cb

 理想的な状況では、1スレッドの場合と、7スレッドと、8スレッドの場合は、スコアがほぼ同じになるはずだ。その他の場合は、Windows8.1のほうがスコアが低くなるはずで、実際にそういう傾向が出ている。

 勘違いされると困るので、明確にしておくが、この結果は、単にCINEBENCH R15のスコアが、高い低いということであって、それ以上の意味はない。


 スコアに差が出るのは、冒頭に記した通り、Windows8.1と7で、スケジューリングのスタイルに違いがあるからだ。それを裏書きする画像をコピーしておく。

CINEBENCH R15 3th cpb18 crop

 この画像は、Windows8.1でCINEBENCH R15を3スレッドで実行中に取ったスクリーンプリントだ。Windows7のものも、提示できればいいのだが、残念ながら用意できない。

 使用したWindows7には、FX Patchが適用されていることを、付記しておく。


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Windows 7、8.1 と AMD FX Series

 AMDのFXシリーズが発売されたころ、Windows7に、FX Patchと呼ばれたアップデートが、提供された。主旨は、FXシリーズのCPUを効率的に働かせるためにスケジューラーを改変した、ということだった、と理解している。

 このブログでも、当時、この件を取り上げている。『AMD 3250 HE と スケジューラー』という記事だ。(『 』内をクリックで記事に飛びつく)


 その記事では、Opteron 3250 HEという、名前はOpteronだが、実態はFXシリーズというCPUを使用したPC(以下、Opteron PCと呼ぶ)で実験している。その記事から、画像を二枚コピ-しておく。


p95 flat 1 task

 この画像は、FX PatchをあてていないWindows7で、Prime95を1スレッドで実行中に、取ったスクリーンプリントから、タスクマネージャーの部分を切り出したものだ。


p95 fx 1 task

 この画像は、FX PatchをあてたWindows7で、Prime95を1スレッドで実行中に、取ったスクリーンプリントから、タスクマネージャーの部分を切り出したものだ。


 上の二枚の画像を比べてみると、CPUの使用率の履歴のグラフの違いに気付くはずだ。その違いが、FX Patchの結果だ。その意味については、先に示した記事に書いてあるので、ここでは触れない。


 次に示す画像は、FX-8320Eを使用し、Windows 8.1をインストールしたPC(以下、8320E PCと呼ぶ)で、Prime95を1スレッドで実行中に、取ったスクリーンプリントから、タスクマネージャーの部分を切り出したものだ。8320E PCは、実験の条件をOpteron PCと合わせるため、BIOSでコア数を4にしている。

8320e 4core prime95 1th crop

 CPUの使用率のグラフは、左上がコア#0、右上が#1、左下が#2、右下が#3だ。前の二つ画像との違いが、判るだろうか。一番目との違いは微妙だが、2番目との違いは明確だろう。Windows8.1では、Windows7のFX Patchのような方式を採用していないと、推測できる。


 次の画像は、8320E PCで、Windows8.1のUpdateを実行中に取ったスクリーンプリントから、タスクマネージャーの部分を切り出したものだ。

win81 update crop

 CPUの使用率のグラフは、上の段が左から、コア#0から#3で、下の段が左から、コア#4から#7だ。傾向がわかるだろうか。これを見た上で、4枚のグラフを、もう一度、見直してもらいたい。


 念のため、もう一枚画像を用意した。AMDのBulldozer系のCPUではなく、IntelのCPUのものだ。

i5 4670 prime95 1th crop

 Intel i5 4670を使用し、Windows 7をインストールしたPC(以下、4670 PCと呼ぶ)で、Prime95を1スレッドで実行中に、取ったスクリーンプリントから、タスクマネージャーの部分を切り出したものだ。


 個人的には、Windows8.1の方式は、Windows7のFX Patch有り無しの、どちらとも異なる方式だと考えている。


 ここからは、過去を振り返る話になる、2012年7月ごろ、FX-6100を、Windows8のプレビュー版で、使用していた。私の行動様式からすると、Windows8のプレビュー版のスケジューリング方式ぐらいは確認しているはずだ。ところが、その記憶が全くない。当時すでに、Windows7のFX Patchは、提供されていた。Windows7は使用していなかったが、それについては認識していたはずだ。記憶がないのは、Win7のFX Patchなしか、Patchありかのどちらかのタイプだったから、それなりに納得したと考えるのが妥当だろう。つまり、正式リリース版とは違うスケジューラーが、プレビュー版に組み込まれていたのではないだろうか。


 FX Patchが提供されてたころ、取りざたされていたのは、Bulldozer Module内のリソースの競合を排除するようなスケジューリング(FX Patchがそれにあたる)がよいという説と、Bulldozer Module内のリソースの競合部分でもあり、共用部分でもある、データキャッシュと、L2キャッシュ上のデータの共用(同じデータをアクセスする2スレッドというイメージだ)にメリットがあるという説だった。個人的には、そんなことは必要なしで、どのコアも独立したものという扱いでよいと考えていた。ところが、Windows8.1のリソースアロケーターは、どうやらデータの共用の可能性を重視する方向に向かったようだ。



 昨年の年末にFX-8320Eを購入して、Windows7で使用してきた。先週、そのPCのOSをWindows8.1に変更した。そして、Windows8.1のスケジューラーが、Windows7のものと違うことに気付いた。違っているとは、思っていなかったため、Windows7時代の、スクリーンプリントなどは残していない。記事に使用したWindows7がらみの画像が、FX-8320Eのものではないことについては、そういう経緯がある。AMD FXも、Windows8.1もモデル末期という時期に、こんな記事を書いて、どうなんだという感じだが、こういうめぐりあわせなのだろう。


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FX-8320E Clock Vcore

 AMD FX-8320Eの、安定動作可能な、最低のCPU電圧を、クロック別に、調べてみた。


使用したPCの構成
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AMD FX-8320E CPU
GIGABYTE 970-GAMING(BIOS F1) Mother Board
2x4GB DDR3 1866MHz Memory
GeForce GT730 1GB GDDR5 Graphics
1TB HDD
DVD Drive
Seasonic SSR-450RM(80PLUS Gold) PowerSupply
1xDVI 1920x1080+1xHDMI 1920x1080 Display
PS/2 Keyboard
USB マウス
Windows7 64bit
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 調べたクロックは、3.2GHzから4.0GHZまで。AMD OverDriveの、安定性テストを1時間実行し、エラーが出なければ、合格とした。

 CPUの電圧は、マザーボードのBIOSで調整したが、オフセットでしか電圧を設定できないので、そのオフセット値と、CPU-Z上のCore Voltageを併記した。

 オフセット電圧の設定は、任意の値の入力ではなく、BIOSが提示してきた値を選択する形式だ。その値の並びが変則的なもので、マイナス側は、0.0、-0.075、-0.095、-0.115、、、という並びで、プラス側は、0.0、+0.020、+0.040、+0.060、、、という並びになっている。

 CPU-Z上のCore Voltageは、安定性テスト実行中の最大値を採用した。


x16.0(3200MHz)、-0.075V、1.104V (CPU倍率(クロック数)、オフセット電圧、Core Voltageの順)

x16.5(3300MHz)、+0.020V、1.164V

x17.0(3400MHz)、+0.020V、1.164V

x17.5(3500MHz)、+0.040V、1.176V

x18.0(3600MHz)、+0.060V、1.200V

x19.0(3800MHz)、+0.120V、1.248V

x20.0(4000MHz)、+0.180V、1.308V

(参考)x16(3200MHz)、+0.000V、1.140V


 オフセットの増減と、Core Voltageの変化の関係が、結構でたらめだが、これはVRMの電圧制御の刻みが、0.012V単位になっていることに、原因のひとつがあると、x16の+0.0Vと、x18の+0.060Vの関係から、推測できる。しかしながら、x16の+0.0Vと、x16の-0.075Vの関係については、意味不明だ。


 x16は、8320Eのベースクロックだが、これは-0.036Vでもテストをパスする。ところが、そのすぐ上の16.5倍では、+0.024Vにしないとパスしない。きわどい選別とも、余裕の選別とも取れるが、面白い数値には違いない。

 x17.5は、FX-8320のベースクロックだが、8320が17.5倍のとき、何ボルトで動作可能なのか知りたいものだ。


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