[📋정보] 젠4 라파엘 오버클럭 심화편: CPU 오버클럭 1편

[7950X3D(666tuna)]

젠4 CPU 사용자들이 PBO나 커브 옵티마이저 관련해서 질문할 때

보통은 "커브 옵티마이저가 코어 당 인가전압을 줄여서 생긴 온도의 여유만큼 코어클럭을 더 올리는 메커니즘" 이라고 설명했었음

그러다가 문득 나도 내가 아는 지식이 맞는지 검증이 필요하다느 생각이 들어서

자세히 알아보는 김에 요약 정리해서 이렇게 글을 쓰게 되었음

복잡한 내용은 모르겠다 하는 사람들은 맨 아래 결론만 빠르게 보고 넘기고

궁금한 사람들은 한 번 스윽 보고 넘어가자

힘들게 썼는데 뒷부분 용량 초과인지 다 날라감

에라이

1편 2편 나눠서 쓰겠음

1편은 0 ~ 3 까지

2편은 4. 본격, 라파엘 CPU Core 오버클럭

목차

0. 젠4 라파엘 아키텍처

1. 라파엘의 전원 공급

2. 라파엘의 클럭 생성

3. Precision Boost 2 알고리즘

3-1. SMU – System Management Unit

3-2. Precision Boost Infrastructure Limiters

3-3. Adaptive Voltage Frequency Scaling

4. 본격, 라파엘 CPU Core 오버클럭

4-1. PBO2 (Precision Boost Overdrive 2)

4-2. 수동 오버클럭 (OC Mode)

4-3. BCLK 오버클럭 (ECLK Asynchronous Mode)

출처

https://skatterbencher.com/2022/09/26/raphael-overclocking-whats-new/

https://www.custompc.com/inside-amd-zen-4-ryzen-cpu-architecture

0. 젠4 라파엘 아키텍처

젠4 cpu를 뜯어보면, 외부 입출력을 담당하는 I/O Die 1개와

연산 코어가 들어가있는 CCD (Core Complex Die) 1개 또는 2개로 구성되어있다

7950X3D, 7950X, 7900X3D, 7900X, 7900 는 2개의 CCD를 가지고,

나머지 7500F, 7600, 7600X, 7700, 7700X, 7800X3D 는 1개의 CCD를 가진다

참고한 정보글에는 7000X 라인업 제품 제원만 올라와있으니

나머지 제품의 제원이 궁금한 사람은

https://www.techpowerup.com/cpu-specs/

위 링크를 참고하자

1. 라파엘의 전원 공급

젠4에서 CPU 전압 레일을 따라서 공급되는 전원은 크게 4가지로 분류되는데

이 글에서 살펴볼 CPU 오버클럭과 관련된 전원 공급은 VDDCR > VDDCR_CPU 를 통해 이루어진다

VDDCR 전압 레일을 제외한 나머지는 내장그래픽이나 인피니티 패브릭, 메모리 컨트롤러와 관련된 전압이고

자세히 들어가면 나도 뭔 소리인지 모르겠으니 그냥 이정도로 넘기자

램 전압 특성 관련해서는 이전에 썼던 글 참고

https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=desktopcomputer&no=493&search_head=10&page=1

젠4 라파엘 오버클럭 응용편: 램 전압 특성

2. 라파엘의 클럭 생성

CPU 수동오버나 PBO + 커브 옵티마이저에 대해 알아보기 전에

간단하게 클럭이 생성되는 방법을 알아보자

라파엘은 external crystal로부터 클럭을 생성, IO Die의 CGPLL을 통해

CCLK(CPU Clock frequency) PLL, SOC PLLs 각각 100 MHz의 베이스클럭 (BCLK)을 생성한다

이때 CPU 각각의 코어는 최종적으로 25 MHz 단위로 클럭을 조정하고,

이외의 주변장치 (PCIE, USB Hub, Memory 등)들은 100 MHz 단위로 클럭을 조정하게 된다

이 클럭 생성에 대해 설명하는 이유는 바로 오버클럭과 연결되는데

이렇게 생성된 베이스 클럭 (BCLK)은 각 장치의 배수(multiplier)에 따라서 최종 클럭이 결정된다

Clock Freq. = BCLK * multiplier

예를 들어

CPU 코어 클럭 (CCLK)이 53 배수 이면

100 MHz * 53.0 = 5300 MHz

메모리 클럭 (MCLK)이 28 배수 이면

100 MHz * 28.0 = 2800 MHz

이런 식으로 클럭이 생성되는 것이다

눈치 빠른 게이들은 여기서 BCLK 오버클럭을 떠올릴텐데, 정답이다

보통 우리가 이야기하는 수동 오버클럭은 배수(multiplier)를 조정하는 것

예를 들어 CPU 수동오버로 5050 MHz를 만드는 경우 50.5 배수를 설정하면

100 MHz * 50.5 = 5050 MHz 가 되지만

여기에 추가로 BCLK를 104.0 MHz 로 오버클럭 하게 되면

104 MHz * 50.5 = 5252 MHz 가 되는 것이다

이 때, 라파엘의 경우 eCLK MODE 설정을 통해

external crystal로부터 클럭을 생성하는게 아닌 외부 클럭 생성기를 통해 BCLK를 생성하게 된다

이에 대한 자세한 설명은 후반부 "4-3. BCLK 오버클럭" 에서 설명하겠다

3. Precision Boost 2 알고리즘

이 글에서 설명하고자 하는 PBO + 커브 옵티마이저를 이해하기 위해서는

AMD의 Precision Boost 2 알고리즘을 알아야 한다

쉽게 말해 Precision Boost 2는 CPU의 온도, 전력 소비, 전류 소비 및 활성 코어 수를 포함한 여러 요소 (리미터)에 따라서 최대 허용 주파수에 제한을 가하는 기술인데, 이 알고리즘을 수동으로 설정해주는 것이 바로 우리가 아는 PBO (Precision Boost Overdrive) 의 원리이다

리미터에 대한 설명은 "3-2. Precision Boost Infrastructure Limiters" 에서 이어서 하겠다

3-1. SMU – System Management Unit

라파엘의 각 다이 (die) 에는 SMU (System Management Unit) 가 존재한다

바로 이 SMU가 위에서 설명한 Precision Boost 2 알고리즘에 따라서 CPU의 클럭을 올리고 내리는 역할을 한다

SMU에는 MASTER (주인)과 SLAVE (노예ㅋㅋ) 이렇게 두가지 종류가 있는데

CPU에 이런 저런 정보의 입출력을 담당하는 IOD에 주인이 있고

오로지 연산만을 굴리는 각각의 CCD에 각각의 노예들이 있으며

인피니티 패브릭을 통해 주인과 노예가 연결되어있다

이 때 주인은 CPU의 온도나 전력 소비, 전류 소비 등의 정보를 받아서

CPU의 클럭을 올릴 지, 내릴 지 결정을 내려서 노예들한테 클럭을 조정하라고 명령을 내린다

노예들은 주인의 명령에 따라서 클럭을 올리고 내리는 역할만을 하며

가끔은 자체적으로 코어의 상황을 판단해서 주인이 내린 명령보다 낮은 클럭을 적용하기도 한다

클럭을 올리거나 내리는 방법은 아래와 같다

* 현재 코어 클럭 > 계산된 최대 클럭

현재 코어 클럭이 주인이 계산한 최대 코어 클럭보다 높을 경우,

주인은 노예한테 클럭을 내리라고 명령한 다음

전압 조절 모듈 (VRM, voltage regulator module)에게 코어 전압을 낮추라고 명령한다

* 현재 코어 클럭 =< 계산된 최대 클럭

현재 코어 클럭이 주인이 계산한 최대 코어 클럭보다 낮거나 같을 경우,

주인은 전압 조절 모듈 (VRM, voltage regulator module)에게 코어 전압을 올리라고 명령한 다음

노예한테 클럭을 올리라고 명령한다

요약하자면, 주인이 얻은 정보를 바탕으로 달성 가능한 최대 코어 클럭 (FREQmax)을 먼저 계산하고

현재의 코어 클럭을 FREQmax 와 비교해서 노예한테 "클럭을 올려라/내려라" 명령을 하는데

클럭을 올리는 상황이면 전압을 올리라고 명령한 다음 클럭을 올리라고 명령하고,

클럭을 내리는 상황이면 클럭을 내리라고 명령한 다음 전압을 내리라고 명령한다

주인은 이걸 약 1ms 마다 반복해서 계산하고 명령한다고 한다

그럼 주인은 어떤 정보를 기반으로 클럭을 결정하는지 알아보자

3-2. Precision Boost Infrastructure Limiters

뭔가 굉장히 복잡해보이지만 간단히 설명해서 주인 SMU는 다양한 리미터를 통해 정보를 받는다

그 정보는 CPU에 인가되는 전압이 될 수도 있고, CPU의 온도가 될 수도 있으며

각각의 리미터로부터 얻은 정보를 기반으로 각각의 리미터에 따른 코어의 최대 주파수를 계산한다

이렇게 계산된 최대 주파수를 종합해서 가장 열악한 조건의 리미터의 최대 주파수를 선택하는데

위 짤처럼 여러 리미터들 중에 온도 관련 리미터를 기준 계산해보니 5300 MHz가 천장이라고 판단되면

제 아무리 전압이 빵빵해서 5800 MHz 가 천장이라고 알려주는 리미터나

다른 리미터들의 더 높은 최대 주파수 결과를 무시하고

노예들에게 5300 MHz가 천장이라고 알려준다

그럼 노예들은 그 천장에 맞게 클럭을 조정한다

그럼 후반부에서 설명할 오버클럭에 사용하는 리미터들을 몇 가지 소개하겠다

- PPT:

온도 뜨겁다고 게이들이 제한 걸어서 쓰는 너무나도 친숙한 리미터다

프로세서가 소켓에서 끌어올 수 있는 총 전력 (W)

- TDC:

전압 조정기가 지원할 수 있는 최대 지속 전류 (A)

- EDC:

짧은 시간 동안 과도한 조건에서 전압 레일이 요구할 수 있는 최대 피크 전류 (A)

위에서 설명한 PPT, EDC, TDC는 우리가 PBO 설정을 할 때 만질 수 있는 전원 공급과 관련된 리미터들이다

- THM:

Thermal, 말 그대로 온도 리미터로 PBO 관련 메뉴 중 온도 제한 거는 바로 그 리미터이다 ㅇㅇ

공장에서 설정된 기본 제한 온도는 잘 알려진 대로 95 도 (7000X), 89 도 (7000, 7000X3D) 이다

- VID:

프로세서에 허용되는 최대 전압 (V)인데, 공장에서 설정된 최대값을 우리가 마음대로 수정할 수 없다

보통 수동오버하는 게이들이 입력하는 전압 값이다 ㅇㅇ

- FIT:

Failures in Time, PBO 메뉴 중에 Scalar 하고 관련있는 리미터인데 실패 비율(?) 이라고 한다

FIT 값이 FIT 천장보다 낮으면 주파수 헤드룸이 추가되서 더 높은 최대 주파수 도달이 가능하다고 하고

천장에 가까워질 수록 헤드룸이 줄어서 도달 가능한 최대 주파수가 낮아진다고 하는데

자세히는 나도 모르겠다

- FMAX:

퓨즈 최대 주파수, 보통 제원에서 소개되는 부스트 클럭보다 더 높은 클럭인데 쉽게 설명하면 "진짜 천장"

공장에서 설정되서 나오는 코어가 찍을 수 있는 부스트 클럭의 최대 천장이다

7950X 기준, 부스트 클럭은 5700 MHz, Fmax 는 5850 MHz 로 부스트 클럭보다 +150 MHz 높다

PBO 메뉴 중에 CPU Boost Clock Override 로 Fmax를 최대 +200 MHz 까지 설정 가능하며

7950X 기준 Fmax는 최대 6050 MHz 까지 설정 가능하다

하지만, Fmax 를 +200 MHz 까지 높인다고 무조건 클럭이 +200 MHz 증가하는게 아니고

코어의 수율이나 커스텀 수랭같은 특수한 조건을 만족해야 이 천장 클럭을 경험할 수 있다

신기한 점은 7600X, 7700X의 경우 CPU 온도에 따라 Fmax 값이 다르다

7600X 기준 Fmax = 5450 MHz (70 도), 5150 MHz (95 도)

다시 말해, CPU의 온도가 높아질 수록 이 Fmax 값은 줄어든다

하급 CPU라도 쿨러 성능이 중요하다고 맨날 이야기 하는 이유 중 하나이다

추가로 7800X3D 의 Fmax 는 5050 MHz,

7950X3D 의 Fmax 는 V-Cache가 들어간 CCD0 가 5250 MHz, 일반 CCD1 은 5750 MHz 이다

- C-STATE:

C-State Boost 는 초기 엔지니어링 샘플에 존재하는 특정 부스트 리미터라고 하며

실제 우리가 사용하고 있는 제품에서는 활성화 되지 않는다고 하니 패스하자

설명이 너무 길어져서 복잡하다

3-1과 3-2 의 내용을 간단히 요약해보자

3-1

- 라파엘의 각각의 다이에는 주인 SMU와 노예 SMU가 있다

- 주인은 코어 클럭을 올릴까 내릴까 결정해서 노예한테 명령을 내린다

- 노예는 명령을 받아서 코어 클럭을 조정한다

3-2

- 주인은 여러가지 리미터로부터 정보를 얻는다

- 주인은 정보를 기반으로 각 리미터의 최대 주파수를 계산한다

- 주인은 가장 낮게 계산된 최대 주파수를 기준으로 노예한테 명령을 한다

한 줄 요약

- 이렇게 최대 주파수를 올리고자 하는 전체 과정이 Precision Boost 2 알고리즘이다

요약 끝

3-3. Adaptive Voltage Frequency Scaling

뭔가 영어가 거창하지만 별거 아니니 겁먹지 말자

쉽게 말해 "이 주인이라는 놈은 어떤 기준을 가지고 최대 주파수를 계산하는 것일까?" 이다

놀랍게도 미리 짜여진 테이블이 존재한다

이름도 단순하다

전압-주파수-온도 (VFT: Voltage-Frequency-Temperature) 테이블 이다

아마 이 테이블이 바로

"왜 전압을 줄여서 온도를 낮추는게 클럭 상승으로 이어지는가?" 에 대한 해답일 것이다

바로 알아보자

VFT 테이블은 이름 그대로 전압-주파수-온도가 나열된 표이다

하지만 AMD에 의해 제조공정 과정에서 각 CPU 마다 씌워지는 이 데이터를

우리같은 일반 사용자들이 추출해낼 수 없다고 한다

이 글의 출처에서는 모니터링을 통해서 이 표를 만들었다고 한다

표를 보면 1개의 코어에서 각 유효클럭에 따른 인가 전압과 온도가 나열되어있다

이를 통해 우리가 알 수 있는 정보는

- 동일한 유효 클럭에서 인가 전압이 증가할 수록 온도가 증가한다

- 동일한 온도에서 인가 전압이 증가할 수록 유효클럭이 증가한다

너무나도 잘 알려진 상식이다

저자들은 이 표를 더 확장시켰다

저자들이 말하길,

첫째, 분명히 더 높은 주파수의 경우 CPU에 더 높은 전압이 필요합니다.

둘째, 주어진 주파수에 대해 CPU는 온도가 증가함에 따라 더 높은 전압을 요구합니다. 예를 들어 4.6GHz는 섭씨 40도 이하에서는 1.020V를 사용하고, 90도 이상에서는 1.068V를 사용합니다. 마찬가지로 40도 미만의 5.0GHz에서는 1.145V를 사용하고, 90도 이상에서는 1.244V를 사용합니다.

셋째, 고온에서는 CPU가 최고 주파수까지 올라가지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어 섭씨 80도 이상이면 최고 주파수는 1.368V에서 5300MHz입니다. 이는 이전에 논의한 Precision Boost 주파수 제한기의 결과입니다.

라고 이야기한다

하나씩 살펴보먼

첫째, 분명히 더 높은 주파수의 경우 CPU에 더 높은 전압이 필요합니다.

앞서 이야기 한 "동일한 온도에서 인가 전압이 증가할 수록 유효클럭이 증가한다" 와 같다

흥미로운 결과는 다음이다

둘째, 주어진 주파수에 대해 CPU는 온도가 증가함에 따라 더 높은 전압을 요구합니다. 예를 들어 4.6GHz는 섭씨 40도 이하에서는 1.020V를 사용하고, 90도 이상에서는 1.068V를 사용합니다. 마찬가지로 40도 미만의 5.0GHz에서는 1.145V를 사용하고, 90도 이상에서는 1.244V를 사용합니다.

앞서 이야기 한 "동일한 유효 클럭에서 인가 전압이 증가할 수록 온도가 증가한다" 의 연장선이다

단순히 "인가 전압이 증가하면 온도가 높아진다"라고는 생각했었지만,

"CPU의 온도가 높아지면 전압 요구량이 늘어난다"는 내가 생각치 못한 결과이다

참인 가언 명제에 대하여 대우는 언제나 참이므로, 이 결과를 뒤집어서 말하면

"전압 요구량이 줄어들면 CPU의 온도가 낮아진다" 가 된다

여기에서 맨 처음 이야기한 커브 옵티마이저에 대한 의문이 해결된다

커브 옵티마이저 설정에서 negative 값을 줄 경우, 동일한 클럭 대비 CPU 코어에 인가하는 전압을 줄인다

이것은 동일한 클럭에 대해 CPU 코어의 전압 요구량이 줄어들은 상황이므로

위 대우명제에 의해 CPU 코어 온도가 낮아진다

따라서 CPU 코어 온도가 낮아지면 Precision Boost 2 알고리즘에 의해 최대 주파수가 높게 계산되고

높아진 최대 주파수만큼 코어 클럭을 올리게 되는 것이다

다음 결과를 살펴보자

셋째, 고온에서는 CPU가 최고 주파수까지 올라가지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어 섭씨 80도 이상이면 최고 주파수는 1.368V에서 5300MHz입니다. 이는 이전에 논의한 Precision Boost 주파수 제한기의 결과입니다.

즉, CPU 코어의 온도가 높아지면 Precision Boost2 알고리즘에 의해 "최대 주파수"가 낮게 계산되고,

다른 요소에 의한 "최대 주파수"가 높게 계산되더라도 가장 낮게 계산된 "최대 주파수" 에 따라 클럭을 낮추므로

이 때는 전압을 아무리 때려넣어도 유효클럭이 올라가지 않는 것이다

따라서 쿨링 솔루션의 성능이 매우 중요하다고 볼 수 있다

저자들의 설명에 따르면, 2015년 VFT 테이블에는

1개의 코어 당 10개의 행과 8개의 열로 구성되어 80개의 개별 데이터 포인트가 있었다고 한다

이렇게 계산할 경우 16코어 CPU 기준 총 1280개의 개별 데이터 포인트가 존재한다고 한다

이 데이터 포인터들이 모이면 각각의 코어에 대한 factory-fused VFT curve가 만들어진다고 한다

이 Curve에 대한 Offset 값을 조정하는게 바로 우리가 말하는 Curve Optimizer 가 되겠다

본격 오버클럭으로 넘어가기 전에 결론을 정리해보자

* 라파엘은 Precision Boost 2 알고리즘을 통해 코어 주파수를 조절한다

- SMU는 온도, 전압, 전류 등의 리미터를 통해 각각의 정보를 얻는다

- SMU는 이 정보를 VFT 테이블에 대입하여 "최대 주파수"를 계산한다

- 계산된 "최대 주파수"들 중 가장 낮은 값과 현재 클럭을 비교해서 클럭을 올리거나 내린다

* 전압-주파수-온도 (VFT) 테이블

- 더 높은 주파수의 경우 CPU에 더 높은 전압이 필요

- 주어진 주파수에 대해 CPU는 온도가 증가함에 따라 더 높은 전압을 요구

- 고온에서는 전압이 충분하더라도 CPU가 최고 주파수까지 올라가지 않는다

4. 본격, 라파엘 CPU Core 오버클럭

2편에서 계속

https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=desktopcomputer&no=567&page=1

젠4 라파엘 오버클럭 심화편: CPU 오버클럭 2편

[7950X3D(666tuna)]

뭐야 왜 짤렸누

[윤희(dlsrhddl3)]

앗 ㅋㅋㅋ 잘읽고잇었는데

[윤희(dlsrhddl3)]

라이젠은 클럭이 정말 유동적이네요 인텔은 100도 될때까지 클럭 유지시키는데

[7950X3D(666tuna)]

PB 알고리즘 자체가 1ms 마다 계속해서 최대 주파수를 찾으려고 계산하느라 항상 매 시기마다 뽑아낼 수 있는 최대 클럭이 달라서 그런가봄

[윤희(dlsrhddl3)]

..!

[7950X3D(666tuna)]

[Naro(lldyw1ur66vx)]

오우야 정점을 찍었구만.. 난 저 아저씨 영상보고 아 이런거구나 하고 그냥 넘어갔는데 ㅋㅋ 이렇게 심층분석까지 하다니! 개추

[7950X3D(666tuna)]

BCLK 오버에 관심이 생기기 시작함

[HIUT(p8mlah5kgwaa)]

이런게 진짜 정보글 아닐까... 개추

[7950X3D(666tuna)]

데탑갤은 관리가 되서 정보글 마구마구 쌀 수 있음

[HIUT(p8mlah5kgwaa)]

[HIUT(p8mlah5kgwaa)]

앞으로도 많은 정보 정리글을 기대하겠음니다

[7950X3D(666tuna)]

[데갤러 1(182.226)]

감사합니다

[라이젠마스터(666tuna)]

[Sandglass(rofmrhs)]

그럼 액체질소 오버클럭같은 이상적인 환경에서는 전압을 높게 가져갈수록 클럭 향상에 유리한건가?

[라이젠마스터(666tuna)]

오히려 극저온 상태이기 때문에 일반적인 쿨링 환경에서의 유효클럭 대비 낮은 전압이 들어갈 것으로 예상됨, 이건 LN2 하는 사람들한테 물어봐야할듯 ㅇㅇ