Underclock e undervolt: tornando seu PC mais verde

Publicado em 20/07/2009 – 15:56
por Carlos Morimoto

Em artigos anteriores, falei bastante sobre o overclock, que permite aumentar o desempenho do processador sem pagar nada a mais por isso. Do outro lado da moeda, temos também a possibilidade de fazer um underclock, reduzindo propositalmente a frequência do processador, com o objetivo de fazê-lo consumir menos energia e dissipar menos calor. Imagine o caso de um pequeno servidor de arquivos, que fica o tempo todo ligado apenas lendo arquivos no HD e despachando-os através da rede, ou um usuário que usa o micro apanas para navegar e rodar tarefas leves, por exemplo.

Além da economia na conta de luz, você tem a possibilidade de ter um PC mais silencioso, já que pode desativar alguns dos exaustores extras e usar um cooler com ajuste de rotação sobre o processador (que com o clock mais baixo vai ficar quase todo o tempo girando na rotação mínima).

Em outras palavras, o overclock permite aumentar a potência do processador em situações onde isso é importante, enquanto o underclock permite reduzir o consumo elétrico e o ruído em casos em que a potência do processador é mais do que suficiente. Hoje em dia, mesmo processadores de baixo custo, como o Pentium E e o Celeron baseado no Conroe-L oferecem um desempenho várias vezes superior ao de processadores de poucos anos atrás, o que torna o underclock especialmente útil em HTPCs, pequenos servidores e PCs destinados a tarefas leves.

Fazer underclock é mais simples do que fazer overclock, já que você precisa apenas reduzir o multiplicador do processador (lembre-se, ele é travado apenas para mais), até atingir a frequência que considera suficiente. Um Athlon 64 3000+ (10x 200 MHz), por exemplo, pode ter a frequência reduzida para até 800 MHz, usando multiplicador de 4x:

Outra opção é reduzir a frequência do FSB, o que resulta em uma redução no consumo da placa-mãe e outros componentes. Em um antigo Sempron 2800+, soquete A (que trabalha a 2.0 GHz) por exemplo, você pode reduzir o consumo do processador em quase 30 watts reduzindo a frequência do FSB de 166 para 100 MHz no setup, o que faz com que o processador passe a trabalhar a 1.2 GHz.

Você pode também obter uma redução adicional reduzindo a tensão do processador (undervolting), até encontrar o valor mínimo com o qual ele se mantém estável. Assim como no caso do clock, a tensão é definida pelos fabricantes sempre com uma boa margem de segurança, para que o processador funcione estavelmente em qualquer situação. Embora a percentagem varie, você quase sempre consegue uma redução de 8 ou 10% na tensão, sem sacrificar a estabilidade.

Além de fazer com que os transistores usem proporcionalmente menos energia para mudarem de estado, reduzir a tensão faz com que o gate leakage se torne exponencialmente mais baixo, resultando em uma redução adicional no consumo. Enquanto uma redução de 10% na frequência reduz o consumo do processador em também 10%, uma redução de 10% na tensão acaba resultando em uma redução de 15 a 20% no consumo.

Em outras palavras, o ganho ao reduzir a tensão é exponencial e não linear. Combinando o underclock e o undervolt você pode muito bem reduzir o consumo do processador em 50% ou até mais. Quanto maior é a frequência de operação do processador, maior é o ganho ao reduzir a tensão.

Outra possibilidade é se limitar a reduzir a tensão, mantendo o processador operando na frequência default. Nesse caso, você pode obter uma redução considerável no consumo, mantendo exatamente o mesmo nível de desempenho. Isso permite economizar um bom valor em eletricidade durante a vida útil do PC e de quebra tornar seu PC mais "verde".

Tanto a AMD quanto a Intel utilizam o undervolting para produzir processadores de baixo consumo (como os processadores da série E da AMD e os Core 2 quad da série S da Intel), onde os núcleos capazes de trabalhar estavelmente com tensões muito mais baixas que o normal são selecionados durante a produção e vendidos pelo dobro do preço. Fazendo undervolt você pode obter uma redução de consumo similar, sem precisar colocar a mão no bolso.

Diferente do overclock, tanto o underclock quando o undervolt não prejudicam a vida útil do equipamento. Pelo contrário, o uso de tensões mais baixas reduzem o desgaste e permitem que seu processador se mantenha saudável por mais tempo.

O único problema é a questão da estabilidade, já que uma redução excessiva pode fazer o processador travar ou apresentar erros diversos quando for mais exigido, por isso é importante checar a estabilidade a cada passo, usando o Prime95 ou algum benchmark que enfatize o processamento. Se o PC for capaz de rodar o teste por 60 minutos ou mais sem travar, você pode assumir que ele vai se manter estável em situações reais de uso.

Assim como ao fazer overclock, o importante é ter paciência, começando com uma redução pequena e ir aumentando até que o teste passe a travar ou exibir erros. Uma boa forma de ganhar tempo é usar o EasyTune (no caso das placas da Gigabyte), AI Booster (placas da Asus) ou outro utilitário que permita ajustar a tensão e o multiplicador através do desktop, sem precisar reiniciar a cada passo:

Infelizmente essa é ainda uma classe de aplicativos restrita ao Windows, por isso é útil mantê-lo em dual-boot durante a fase de testes.

Continuando, diferente de processadores antigos, onde a frequência e a tensão de operação eram fixas, quase todos os processadores atuais (com exceção apenas de modelos antigos do Celeron) utilizam sistemas de gerenciamento de energia, que reduzem a frequência de operação (através da redução do multiplicador) e a tensão de operação quando o processador está ocioso, oferecendo uma redução automática no consumo.

Monitorando o processador usando o CPU-Z, você perceberá que os campos "Core Voltage" e "Core Speed" variam de acordo com a carga de processamento:

Um Pentium E E2180 (de 65 nanômetros), por exemplo, opera 1.2 GHz (6x 200 MHz) quando ocioso e chaveia automaticamente para os 2.0 GHz (10x 200 MHz) nominais quando em full-load, com a tensão sendo ajustada automaticamente.

Os valores são gravados no microcode do processador e detectados automaticamente pela placa-mãe, mas podem variar de acordo com o modelo ou mesmo de acordo com a série do processador. É por isso que a Intel não divulga mais a tensão "correta" de operação dos processadores, se limitando a divulgar uma faixa de tensões dentro da qual os processadores podem trabalhar, que no caso do Pentium E2180 vai de 0.85V a 1.5V.

Como pode imaginar, a tensão necessária varia de acordo com a frequência de operação. O processador pode trabalhar com 0.85V quando operando a uma frequência baixa, mas precisar de 1.35V para trabalhar estável em overclock, por exemplo. O 1.5V por sua vez é a tensão máxima que pode ser usada com segurança.

Você notará também que a tensão mostrada pelo CPU-Z fica sempre um pouco abaixo da tensão especificada no setup. A tensão nominal do E2180, por exemplo, é de 1.325V, mas segundo o CPU-Z ela não ultrapassa os 1.280V em full-load. Reduzindo a tensão para 1.100V, ela fica em apenas 1.052V, novamente cerca de 0.050V a menos.

Isso ocorre devido ao voltage dropping, que faz com que a tensão do processador fique ligeiramente abaixo da tensão nominal quando o processador está em full-load, uma medida de segurança para evitar que a tensão ultrapasse o valor máximo durante os picos de tensão que ocorrem quando a carga de processamento é removida. Em outra palavras, a tensão especificada no setup é apenas um limite e não um valor constante. A vantagem de monitorar a tensão usando o CPU-Z é que ele mostra a tensão real, com base nas informações fornecidas pelo circuito de monitoramento incluído no processador.

O E2180 do teste, por exemplo, se manteve perfeitamente estável a 2.0 GHz com apenas 1.043V, o que representa uma redução de 13 watts no consumo em full-load (quase 40% do consumo total) sem precisar sacrificar o desempenho:

Ao limitar o multiplicador em 6x (fazendo com que o processador opera a 1.2GHz o tempo todo, sem chavear para os 2.0 GHz), foi possível reduzir a tensão para 0.912V, o que resultou em uma redução de mais 12 watts, que essencialmente converteram o E2180 em um processador ULV, que consome pouco mais de 9 watts em full-load:

Para efeito de comparação, isso é apenas 5 watts a mais do que um Atom 230 (que tem um TDP de 4 watts), o que o torna perfeito para uso em um HTPC ou em um pequeno servidor que ficará o tempo todo ligado sem fazer muita coisa.

No caso dos processadores da AMD, é usado o Cool'n'Quiet, que reduz a frequência de operação do processador para 800 MHz ou 1.0 GHz de acordo com o modelo, reduzindo também a tensão.

No caso dos Phenom II X4, por exemplo, a tensão default é de 1.37V, mas você pode quase sempre reduzi-la para até 1.17V sem afetar a estabilidade. Pode parecer pouco, mas em um Phenom II X4 955 (3.2 GHz), ela resulta em uma redução de 35 watts no consumo do processador em full-load.

Quando o processador está ocioso, o Cool'n'Quiet entra em ação, reduzindo a frequência para 800 MHz e a tensão para apenas 1.02V (0.960V no CPU-Z devido ao Vdrop), o que é uma redução bastante agressiva, já feita com o objetivo de reduzir ao máximo o consumo do processador. A tensão em idle é independente da tensão especificada no setup, por isso não existe muito o que fazer para obter ganhos adicionais.

Outra observação importante é que a temperatura afeta a condutividade dos materiais, fazendo com que o processador precise de uma tensão mais alta para se manter estável a 60° do que precisaria a 36°, por exemplo.

Graças a isso, você terá mais facilidade em fazer undervolt se conseguir manter o processador trabalhando a temperaturas mais baixas. Colocar um exaustor adicional na saída traseira do gabinete e túnel de vento sobre o processador, ou simplesmente deixar o gabinete aberto podem melhorar bastante os resultados.

Assim como no caso do overclock, o undervolt não é uma ciência exata. Cada processador é diferente, por isso os resultados dependem sempre de uma certa dose de sorte. Você pode ter resultados ligeiramente diferentes mesmo ao usar dois processadores da mesma série.