Workshop Haswell overklokken: gratis snelheidswinst!

Base clock en multipliers

De klokfrequentie van een processor is traditiegetrouw het product van de basis klokfrequentie (base clock ofwel bClk) en een zogenaamde multiplier. De bClk is bij Haswell standaard 100 MHz, net als bij Sandy Bridge en Ivy Bridge. Met een CPU-multiplier van 42 kom je op die manier op 42 x 100 = 4200 MHz = 4,2 GHz. Het overklokken kan op twee manieren, ofwel door de basisklokfrequentie te verhogen, ofwel door de multiplier te verhogen. Over die bClk kunnen we weer kort zijn: net als bij de vorige generatie CPU’s zit daar bij Haswell gemiddeld hooguit 5% speling in. Een zeer klein aantal van de geproduceerde chips werkt op 106 MHz, 107 MHz of soms nog hoger, maar bij het gros van de CPU’s is 104 of 105 MHz echt de limiet. Dat betekent dat het overklokken van de CPU voornamelijk een kwestie is van het verhogen van de multiplier. Die optie heb je echter alleen bij de zogenaamde K-processors, specifiek dus de Core i7 4770K en Core i5 4670K. Heb je een andere Haswell processor, dan zijn je overklokavonturen helaas beperkt tot een beetje aanmodderen met de bClk en kun je er eigenlijk net zo goed niet aan beginnen.

Binnen de processor zijn meerdere multipliers van belang, aangezien verschillende onderdelen van de chip op verschillende snelheden werken. Alleen al de CPU-cores hebben diverse multipliers: een standaardwaarde en een viertal Turbo-multipliers, die de maximale snelheid van de CPU bepalen wanneer één, twee, drie of vier cores acties zijn.  Zo kan een Core i7 4770K zichzelf al overklokken tot 3,9 GHz, wanneer slechts één core in gebruik is. Bij twee actieve cores ligt de grens op 3,8 GHz en met drie of vier actieve cores op 3,7 GHz. In het moederbord zijn zodoende standaard ook vier turbo-multipliers ingesteld, bij de 4770K dus 39x, 38x en twee keer 37x. Het overklokken van de CPU doe je bij Haswell in de meeste gevallen door juist deze Turbo-multipliers aan te passen naar hogere, identieke waardes.

Het tweede onderdeel van de processor dat afhankelijk is van de bClk en een eigen multiplier is de geïntegreerde GPU. In deze workshop gaan we niet verder in op het overklokken van het grafische gedeelte van de processor. Desalniettemin geldt ook hier dat de snelheid wordt bepaald door een multiplier maal de bClk en dat er zowel een standaard als een Turbo-waarde bestaat.

Ten slotte is ook de snelheid van de ringbus een factor, de databus die intern alle onderdelen van de processor met elkaar verbindt en die van de geheugenmodules, beide via eigen multipliers afhankelijk van de bClk. De PCI-Express en DMI controllers draaien altijd op exact de bClk-snelheid en zijn de grootste boosdoeners van de beperking van maximaal ruwweg 5% overklok daarvan.

De snelheid van alle onderdelen van de CPU is middels verschillende multipliers afhankelijk van de baseclock (bClk).

Nieuw: Baseclock Straps

Nieuw ten opzichte van Ivy Bridge is dat Haswell zogenaamde base clock straps ondersteunt, in navolging van de Socket 2011 Sandy Bridge-E processors. Dankzij deze straps kan de standaard bClk niet alleen ingesteld worden op 100 MHz, maar ook op 125 MHz en 166,7 MHz. Sommige moederborden bieden ook een 250 MHz strap, maar die is in de regel niet (stabiel) te gebruiken.

Wanneer je de straps gebruikt, gaan de PCI-Express- en DMI-bussen automatisch middels een 5:4, 5:3 of 5:2 verhouding toch op de benodigde 100 MHz werken. Voor de GPU-cores, GPU-cores, Ringbus en geheugenmodules blijft het standaardverhaal met multipliers van kracht. Verhoog je de bClk strap dan zul je de verschillende multipliers dus moeten verlagen. Een CPU op circa 4,5 GHz laten werken kan dus middels 45 x 100 MHz, 36 x 125 MHz, 27 x 166,7 MHz en 18 x 250 MHz.

Elk van de straps biedt opnieuw ruwweg 5% marge om de bClk te verhogen. Net zoals je 100 MHz dus tot circa 105 MHz kunt verhogen, gaat 125 MHz tot 130 MHz, 167 MHz tot 172 MHz en zo verder.

Het nut van de straps is zeer beperkt. Ze zijn voornamelijk handig voor wie bepaalde geheugenklokfrequenties wil behalen die met de standaard-multipliers en een bClk tussen de 100 en 105 MHz niet mogelijk zijn. Zeker voor wie alleen aan de slag gaat met lucht- of waterkoeling raden we aan de straps te laten voor wat ze zijn en de bClk op 100 MHz +/- 5% te houden.

Voltages

Wat bij Haswell flink is veranderd, is de manier waarop de voltages van de verschillende onderdelen van de CPU worden bepaald. Haswell is de eerste generatie processors waarbij de voltage-controller in de chip zit ingebakken. Dat betekent dat het moederbord nog maar twee voltages aan de chip aanlevert; de specifieke voltages die de diverse processoronderdelen nodig hebben worden binnen de CPU door de geïntegreerde voltagecontroller geregeld. Overigens kan het moederbord daar wél invloed op uitoefenen. Het is dus nog steeds mogelijk in de BIOS (of via software) de verschillende voltages aan te passen.

Het primaire voltage dat aan de voltage regulator in de CPU wordt aangeleverd is V_ccin (ook wel V_RIN genaamd). Op basis van dit voltage wordt de spanning voor de CPU-cores (V_core), de Ringbus (V_ring), de geïntegreerde GPU (V_gt), de system agent (V_sa) en de I/O-onderdelen van de CPU (V_ioa en V_iod) bepaald. Het tweede voltage dat rechtstreeks door het moederbord naar de processors wordt gebracht is de spanning voor de geheugenmodules, V_ddq in jargon.

Bij het overklokken van de processor is voornamelijk de V_core van belang: bij het instellen van hogere klokfrequenties kan het nodig zijn om dit core-voltage te verhogen. Aangezien deze V_core wordt afgeleid van de V_ccin/V_RIN is het ook nodig om deze in de gaten te houden. Een vuistregelis, dat wanneer je de V_ccin minimaal 400 mV (0,4 V) hoger in stelt dan de V_core, dat je goed zit.

Een overzicht van alle voltages die een rol spelen bij Haswell.

Overklokken in de basis

Wanneer je een Haswell-processor gaat overklokken, moet je in eerste instantie richten op de klokfrequentie en dan specifiek de multiplier van de cores. Die verhogen geeft direct een flinke verbetering in benchmarks. Het aanpassen van de snelheid van de ringbus heeft volgens onze tests geen zichtbare invloed op benchmarkresultaten. Het tunen van de bClk en het geheugen doe je pas nadat je de maximale multiplier voor de CPU-cores hebt gevonden, simpelweg omdat dat verreweg de meeste invloed heeft op prestaties.

Ons stappenplan komt er in de basis op neer dat we stap voor stap de CPU-multiplier ophogen en bij iedere stap een stabiliteitstest uitvoeren. Is een bepaalde instelling niet stabiel, dan verhogen we het voltage iets en proberen we het opnieuw. Heb je de maximale instelling gevonden, dan kun je verder tunen met de bClk en het geheugen.

Belangrijk is het hier bij om telkens de temperaturen in de gaten houden. De cores van Haswell CPU’s mogen dan officieel wel 100 graden worden, wij raden aan om ongeveer 90 graden als maximum aan te houden, voor de heetste core. Sowieso zullen de CPU’s zich vanaf zo’n 95 °C automatisch terugklokken. Kom je tijdens het overklokken op een gegeven moment bij een instelling die net voorbij de 90 graden gaat, dan heb je het maximum voor jouw koeling bereikt. De temperatuur van de CPU is natuurlijk afhankelijk van het stroomverbruik en dat is weer primair afhankelijk van de klokfrequentie en het voltage. Vandaar ook dat het niet heel slim is om voltages direct extreem hoog in te stellen, nog afgezien van het feit dat dat ook nadelige gevolgen voor de levensduur van een chip kan hebben.

We zouden het bijna vergeten, maar voor het overklokken van Intels K-processors heb je in principe een moederbord met Z87-chipset nodig. Inmiddels hebben diverse moederbordfabrikanten al laten weten dat het ze gelukt is om ook moederborden met andere chipsets, zoals de H87, te vervaardigen waarbij je de multiplier omhoog kan aanpassen. Die hebben we op moment van schrijven nog niet getest, maar mogelijk kan je hiermee nog wat besparen op je moederbord. Aan de andere kant heeft Intel al laten weten dat deze mogelijkheid niet de bedoeling is en vermoedelijk is het een kwestie van tijd eer dat ook niet meer het geval is: een Z87-bord is beslist de veilige keuze als je wilt overklokken.

Basisinstellingen

Tegenwoordig biedt iedere moederbordfabrikant wel een handige Windows-utility om te overklokken. Voor het grootste gedeelte van het stappenplan hoef je de BIOS dus eigenlijk niet meer in. Vóórdat je daadwerkelijk gaat overklokken, is het echter wel van belang een aantal instellingen in de BIOS goed te zetten. In bijstaande tabel vind je voor de vier grootste moederbordfabrikanten (ASRock, ASUS, Gigabyte en MSI) hoe de verschillende opties heten en welke instellingen je moet kiezen bij hun Haswell (Z87) moederborden.

Wie zo hoog mogelijke klokfrequenties wil behalen, moet allereerst alle energiebesparende functies van het bord uitschakelen. Deze hebben over het algemeen een negatieve invloed op het overklokpotentieel. Functies die uitgeschakeld moeten worden zijn Enhanced Intel Speedstep Technology (EIST), Enhanced Halt State (C1E) en C-states (C3/C6/C7). Wanneer moederbordfabrikanten eigen energiebesparende mogelijkheden hebben, zoals ASUS’ EPU en MSI’s Power Technology, kun je het best ook die in de BIOS uitschakelen. Wil je echter een overklokinstelling die je 24/7 gaat blijven gebruiken, dan kun je deze opties echter het beste ingeschakeld houden, om het stroomverbruik van je PC te beperken. Om nog even terug te komen op de EIST instelling, bijvoorbeeld bij Gigabyte is het nodig om deze aan te laten als je wilt dat de hardwarematige OC Buttons nog werken, zoals bij de Z87X-OC.

Verder moet je op zoek gaan naar Spread Spectrum opties in de BIOS. Dit is een technologie die de klokfrequentie een beetje laat variëren om straling te voorkomen. Niet bijzonder zinnig en vaak funest voor overklokresultaten.

We schreven al dat we het gros van het overklokken zullen gaan doen vanuit Windows. Bij ASRock, ASUS en Gigabyte zet je de Intel Turbo-modus aan om de multipliers vanuit Windows te kunnen veranderen, bij MSI is het überhaupt niet mogelijk om Turbo uit te zetten. Zorg er vervolgens in de BIOS voor dat alle Turbo-multipliers gelijk worden, ofwel dat de CPU onafhankelijk van het aantal belaste cores op dezelfde klokfrequentie gaan werken. Bij ASRock doe je dit door de CPU Ratio op All Core te zetten, bij ASUS zet je de CPU Core Ratio op Sync All Cores en bij MSI zet je de CPU Ratio Mode op Fixed Mode.

Het CPU-voltage kun je aan het begin van je overklokpogingen het best instellen op 1,2 volt, iets meer dan standaard. Onze ervaring leert dat je daar een heel eind mee kunt komen. Overigens kun je het in eerste instantie ook op AUTO laten staan, aangezien Haswell standaard zo slim is om het voltage automatisch te verhogen wanneer nodig. Er bestaat echter wel een kans dat het automatisch gekozen voltage wat te hoog uit gaat vallen. Het is zodoende altijd veiliger om zelf een voltage in te stellen. Dat zal je sowieso moeten doen en dit gaandeweg verhogen om de hoogst mogelijke overklokresultaten te behalen. Het V_ccin/V_RIN voltage kun je veilig op 1,8 of 1,9 volt zetten. Dit geeft je in principe ruimte om het CPU-voltage tot 1,4 - 1,5 volt te verhogen en geeft je extra stabiliteit. De overige CPU-voltages kun je allemaal op de standaardinstelling houden. Ze zijn enkel van belang als je het geheugen boven 2666 MHz gaat overklokken.

Nog een aantal kleine zaken. V_droop ofwel Load-line Calibration zorgt ervoor dat het voltage niet of weinig inzakt wanneer de belasting van de CPU hoger wordt. Als je moederbord die optie heeft, moet je die absoluut inschakelen. Verschillende (high-end) moederborden hebben meerdere fases stroomvoorziening, die afhankelijk van de belasting in- of uitgeschakeld worden. Bij overklokken wil je eigenlijk altijd alle fases inschakelen en sommige BIOS’en bieden daar een optie voor. Ook hier geldt: wil je een permanent overklokt systeem en wil je het stroomverbruik binnen de perken houden, dan kun je dit ook ingeschakeld laten, maar het zal je overklokpotentieel beperken. Biedt je moederbord ten slotte een BIOS-optie om het maximale stroomverbruik van de processor in te stellen, dan kun je die het best zo hoog mogelijk configureren, maar in veel gevallen zal de automatische instelling ook voldoende zijn.

Ten slotte nog de multiplier voor de ringbus. Op de prestaties heeft deze in de praktijk vrijwel geen effect. Wanneer je de Ringbus en het daar aan gekoppelde cachegeheugen ongeveer 300 MHz onder de CPU snelheid laat werken, zorgt dat volgens onze ervaring voor wat meer stabiliteit. Standaard is de Ring-multiplier overigens 39x (3900 MHz), dus pas zodra je je processor boven de 4,2 GHz gaat overklokken kun je deze wat verhogen. Pas wanneer je met de Ringbus-snelheid richting de 4.5 GHz hoef je volgens onze tests pas het V_ring voltage te verhogen. Op lucht of waterkoeling zal dat niet het geval zijn.

BIOS settings

In onderstaande tabel vind je een overzicht per merk van de instellingen die je in de BIOS moet doen om aan de slag te gaan. Op de laatste pagina's van dit artikel vind je BIOS-screenshots waar we deze waardes hebben ingesteld.

Benodigde software

Staan de BIOS-instellingen goed, dan kun je de rest van het stappenplan vanuit Windows doen. Een aantal programma’s heb je nodig. Allereerst de overklok-utility van de fabrikant van je moederbord: A-Tuning bij ASRock, TurboV Core of AI Suite III bij ASUS, EasyTune of TweakLauncher(GTL)  bij Gigabyte en Control Center bij MSI. Deze software wordt altijd bij je moederbord gebundeld, maar is ook op de website van de fabrikanten te downloaden. Het is ook mogelijk om Intel XTU (eXtreme Tuning Utility) te gebruiken. Deze tool werkt op de meeste Z87 moederborden en heeft daarnaast ook nog een benchmark.

Verder heb je een programma nodig om de stabiliteit te testen. Wij raden Prime95 aan; deze software weet de processor echt zo heet mogelijk te maken. Blijft de temperatuur bij Prime95 binnen de perken, dan is dat bij andere software zeker ook zo. Met Realtemp kun je de temperatuur van de vier cores binnen de Haswell processors meten. CPU-Z ten slotte blijft de ideale software om de huidige instellingen van je CPU te controleren. 

Hieronder vind je downloadlinks naar alle benodigde software:

Algemeen

Prime95

Real Temp

CPU-Z

Overkloktools ASUS

AI Suite

Turbo Vcore

Overkloktools ASRock

A-Tuning

OC Tool

Overkloktools MSI

Command Center

Direct OC

Overkloktools Gigabyte

GTL (TweakerLauncher)

EasyTune

AppCenter

Overkloktools Intel

XTU

De overkloksoftware van ASRock, ASUS, Gigabyte en MSI

Fase 1: Hoogste multiplier

Ons stappenplan bevat twee fases: eerst gaan we op zoek naar de hoogste stabiele multiplier. Hebben we die gevonden, dan gaan we proberen de prestaties nog iets te verbeteren door de bClk te verhogen. De straps laten we zoals gezegd voor wat ze zijn, voor het behalen van de maximale CPU-prestaties bieden ze zoals geschreven weinig meerwaarde.

Zodra je in Windows bent, open je de vier genoemde programma’s; de overklok-utility van je moederbord, Prime95, Realtemp en CPU-Z. Met de overklok-tool stel je vervolgens de multiplier van de processor één stap hoger in, van 35x naar 36x bijvoorbeeld. Bij ASRock doe je dat in de A-Tuning software via de optie CPU Ration onder tabblad OC Tweaker. Bij ASUS kun je het best gebruik maken van de TurboV Core software en verander je de 1 Active Core ratio onder tabblad CPU Ratio, terwijl Group Tuning is aangevinkt. Bij Gigabyte ziet de EasyTune software er wellicht het fraaist uit, het snelst verander je deze instelling in de TweakLauncher, bij Cores onder het kopje Frequency. Bij MSI het in Command Center de optie Ratio onder CPU Frequency.

Zodra je de multiplier hebt verhoogd, is het zaak om de stabiliteit te testen. Stel Prime95 in op small FFT’s en zet hem voor minstens een minuut of 10 aan. Hou tegelijkertijd Realtemp in de gaten. De cores van Haswell CPU’s mogen dan officieel wel 100 graden worden, zoals al geschreven raden we aan om 85 graden als maximum aan te houden, voor de heetste core. Kom je tijdens het overklokken op een gegeven moment bij een instelling die net voorbij de 90 graden gaat, dan heb je zoals we al schreven het maximum voor jouw koeling bereikt.

Tijdens het overklokken test je de stabiliteit met Prime95 en hou je met Realtemp de temperatuur van de cores in de gaten.

Voltage

Werkt de ingestelde multiplier minstens 10 minuten stabiel, dan kun je de volgende instelling proberen. Op een gegeven moment gaat het niet meer goed en zal Prime95 een foutmelding geven of loopt de PC vast. Dat is een teken dat je het voltage van de processor wat moet verhogen, mits je uiteraard nog niet de 90 graden gepasseerd bent. Start opnieuw op en stel in de overkloksoftware het CPU-core voltage (V_core) 0,01 volt hoger in, in eerste instantie dus van 1,2 naar 1,21 volt. Bij ASRock zet je daarvoor in A-Tuning de CPU Voltage Mode op Override Mode en daarna kun je het voltage instellen via CPU Voltage.  Zet daarna de multiplier weer op de gewenste waarde en test opnieuw. Bij ASUS is het de optie CPU Core Voltage in de TurboV Core software. Bij Gigabyte is het de optie VCore in de TweakLauncher. Bij MSI klik je in Command Center op Advanced en dan is het de optie CPU Core Voltage.

Werkt het wederom niet en ben je nog steeds de 90-gradengrens nog niet voorbij, zet het voltage dan telkens weer 0,01 volt hoger totdat de instelling stabiel wordt, maar blijf de temperatuur in de gaten houden. Heb je een stabiele instelling gevonden en zit je nog steeds onder de 90 graden, dan kun je de multiplier weer verhogen. Let er bij het verhogen van het Core-voltage wel op dat het V_ccin/V_RIN voltage minimaal 0,4 volt hoger blijft.

Zo ga je door tot dat je de maximale multiplier met bijbehorende benodigde voltage hebt gevonden. Wanneer je een stabiele instelling hebt gevonden, kun je nog proberen het V_ccin/V_RIN voltage te verlagen. We zijn gestart op 1,8 of 1.9 volt, dus ga nu stapje voor stapje omlaag, tot dat de processor instabiel wordt. Door het verlagen van de V_RIN kun je mogelijk een beetje aan temperatuur winnen.

Fase 2: bClk en maximaal voltage

Heb je de maximale multiplier gevonden, dan is de basisklok ofwel bClk aan de beurt. Wij raden aan om deze te verhogen in stappen van 0,1 MHz en telkens opnieuw minstens tien minuten stabiliteit te testen. Werkt een instelling niet stabiel en ben je de 90 °C nog niet ruimschoots voorbij, dan kun je opnieuw telkens het voltage van met 0,01 V verhogen, totdat je een stabiele instelling vindt.

Heb je de max gevonden (dus maximale multiplier én maximale baseclock), laat Prime95 dan ook zeker een keer een dag lang (ongeveer 8 uur) draaien. Pas dan weet je zeker dat een instelling écht stabiel is.

Eén ding hebben we niet genoemd: een maximaal voltage dat je mag instellen. Met lucht- en waterkoeling is dat echter niet zo’n issue. Wanneer je ons stappenplan volgt, kom je al ruim vóór je in de gevarenzone komt al dik boven de 90 graden uit. Desalniettemin; ga met lucht- of waterkoeling niet verder dan 2,4V voor V_ccin, 1,35V voor V_core en 1,35V voor V_ring.

Geheugen

In deze workshop richten we ons primair op het overklokken van de processor, maar toch even een paar woorden over het geheugen. Bij Haswell kun je het geheugen instellen op standaardwaardes met tussenstappen van 200 en 266 MHz. Concreet: 1600, 1800, 1866, 2000, 2133, 2200, 2400, 2600, 2666, 2800, 2933 en 3000 MHz. De meeste luxe geheugenmodules hebben een zogenaamde XMP-profiel aan boord, waarin exact staat op welke klokfrequentie ze kunnen werken, met welke timing en welk voltage. Iedere BIOS heeft een mogelijkheid om geheugenmodules met één druk op de knop via een XMP-profiel in te stellen en dat is dan ook direct het beste advies. Uiteraard kun je proberen of geheugenmodules ook één stap verder kunnen werken, door zelf de geheugenmultiplier te verhogen. De kans dat DDR3-2133 modules op DDR3-2200 werken is best groot. Ook hier geldt: test de stabiliteit! Prime95 maakt ook gebruik van geheugen en kan hier dus ook voor gebruikt worden. Het verhogen van het geheugenvoltage boven wat de fabrikant in het XMP-profiel opgeeft kan werken, maar biedt over het algemeen weinig extra potentieel. Wanneer het systeem op hoge geheugensnelheden instabiel is, kan het werken om het system agent voltage van de CPU (V_ccsa) iets te verhogen, naar bijvoorbeeld 1,25 V.

Praktijk

Wat mag je verwachten? Iedere processor is anders en het overklokpotentieel van de ene Core i7 4770K kan zo maar een paar honderd MHz hoger zijn dan van de andere. Specifiek voor de 4770K geldt dat er exemplaren bestaan die 4,8 GHz met luchtkoeling halen, terwijl er ook exemplaren zijn waarbij 4,3 GHz al het maximum blijkt. Het is een beetje een kwestie van geluk hebben dus, inherent aan overklokken in het algemeen.

Wij testten met een retail Core i7 4770K gecombineerd met een Gigabyte Z87X-UD3H, 2x 4GB Kingston HyperX Predator 2666MHz en een Noctua NH-U14S koeler met daarop twee Corsair ventilators. Eenmaal ingesteld op 1,2 volt kregen we de multiplier verhoogd naar 45x, waarmee de CPU dus op 4,5 GHz gaat werken. Dat resulteerde al in een Cinebench 11.5 score van 9,71 punten, wat een flinke stap (zo’n 20 procent!) vooruit is ten opzichte van de 8,08 punten die een niet overklokte 4770K haalt.

4,6 GHz resulteerde in reproduceerbaar vastlopen binnen enkele tientallen seconden na het starten van Prime95. Bij het ophogen van het voltage met telkens 0,01 volt werd de stabiliteit beter, maar pas bij 1,25 volt kwamen we op een punt dat ook 4,6 GHz stabiel behaald kon worden. Het moet overigens gezegd dat we hierbij al echt op het randje zaten met onze luchtkoeling; hoewel de temperatuur de meeste tijd net onder de 90 graden bleef, maten we pieken tot 92 graden.

Het verhogen van de baseclock bleek in ons geval verder geen haalbare kaart. Met 1,25 volt Core-spanning bleek 101 MHz bClk met multiplier 46x niet stabiel. Bij het verhogen tot 1,27 volt liepen de temperaturen zo hoog op dat we de overklokpogingen hebben moeten staken.

Uiteindelijk behaalden we op 4,6 GHz een Cinebench 11.54 score van 10,1 punten, precies 25% meer dan de stockprestaties.

Wij kwamen uiteindelijk tot 46 x 100 MHz = 4,6 GHz met een Cinebench score van 10,01 punten.

Bijlage: BIOS en software screenshots ASRock

Bijlage: BIOS en software screenshots ASUS

Bijlage: BIOS en software screenshots Gigabyte

Bijlage: BIOS en software screenshots MSI