Wie funktioniert eine CPU-Übertaktung und was bewirkt sie?

Facharbeit (Schule) , 2019 , 36 Seiten , Note: 1

Informatik - Sonstiges

Das Thema CPU-Übertaktung ist ein in der Informatik kaum besprochenes Thema und nur sehr wenige Leute wissen über dieses Thema gut Bescheid. Deshalb habe ich entschieden, mich mit diesem Thema auseinanderzusetzen und auch mein bisher angeeignetes Wissen und Erfahrungen im Bereich der CPU Übertaktung in die Facharbeit mit einzubringen. Dadurch erhoffe ich mir vielleicht sogar einigen Menschen dieses Thema näher zu bringen und, wie man umgangssprachlich sagt, etwas „Licht in die Dunkelheit“ zu bringen.

In meiner Facharbeit befasse ich mich zuerst mit einem theoretischen Teil, der sich über die Punkte 3. bis 5. erstreckt, und danach mit einem praktischen Teil, in welchem ich untersuche, ob die bereits theoretisch dargelegten Dinge mit der Praxis übereinstimmen.

In dem theoretischen Teil setze ich mich zuerst mit grundlegenden Funktionen und Eigenschaften einer CPU auseinander, worauf dann die weiteren Punkte der Arbeit beruhen. Im zweiten Teil der Theorie erkläre ich, wie man eine CPU übertaktet bzw.
was dabei beachtet werden muss. Den letzten Teil der Theorie widme ich den Anwendungsmöglichkeiten einer CPU-Übertaktung und nenne auch negative Folgen und Aspekte einer solchen Übertaktung. Im praktischen Teil führe ich drei verschiedene Versuche zur CPU-Übertaktung selbst durch und werde diese unter Vergleich mit dem theoretischen Teil aus.

Inhaltsverzeichnis

1. Vorwort

2. Einleitung

3. Grundaufbau und Funktion einer CPU
3.1 Aufbau einer CPU
3.2 Funktionsweise einer CPU
3.3 Zustandekommen des Basistaktes einer CPU

4. Erhöhen des CPU-Taktes
4.1 Möglichkeiten der Übertaktung
4.2 Abläufe beim Übertakten
4.3 Benötigte Programme und Tools
4.4 Notwendige Beachtungen für das Übertakten

5. Anwendung und Folgen einer Übertaktung
5.1 Anwendungsbereiche und Anwendungsmöglichkeiten
5.2 Negative Aspekte des Übertaktens
5.3 Besondere Formen der Übertaktung

6. Eigene Versuche und Experimente zum Übertakten
6.1 Leistungssteigerung der CPU beim Übertakten
6.2 Temperaturerhöhung der CPU beim Übertakten
6.3 Erhöhung der Leistungsaufnahme der CPU
6.4 Zusammenfassung der Versuche

7. Zusammenfassung und Fazit

8. Literaturverzeichnis

9. Bildquellenverzeichnis

1. Vorwort

Auf das Thema der CPU-Übertaktung kam ich durch den YouTube Kanal „Der8auer“, durch den ich bereits im Vorfeld der Facharbeit viel über das Thema gelernt hatte. Durch seine Videos fing ich an, mich für das Thema zu interessieren. Dadurch konnte ich große Teile der Facharbeit aus eigenem Wissen heraus schreiben und somit die verhältnismäßig wenig vorhandenen Quellen ausgleichen. Deshalb möchte ich meinen ersten Dank an Roman „Der8auer“ Hartung aussprechen, durch dessen Videos ich das Thema CPU Übertakten für mich entdeckt habe. Weiterhin möchte ich meinem Facharbeitsbetreuer, Herr Baumann, danken für die Hilfe bei der Bearbeitung dieses Themas, sowie die zahlreichen Hilfestellungen und Tipps. Ein weiter Dank geht an meine Eltern und meine Schwester, die mir besonders bei Grammatik und Ausdruck viel geholfen haben und mir bei inhaltlichen Fragen zur Seite standen. Als letztes möchte ich noch meinen Freunden danken, die mich immer zum Schreiben der Facharbeit motiviert haben und ohne die diese Facharbeit nicht so geworden wäre, wie sie jetzt ist. Besonders möchte ich Clara für ihre Hilfe bei technischen Fragen und Lina für ihre ständige Motivation danken, ohne die ich diese Facharbeit mit deutlich weniger Freude und Leidenschaft geschrieben hätte.

2. Einleitung

Das Thema CPU-Übertaktung ist ein in der Informatik kaum besprochenes Thema und nur sehr wenige Leute wissen über dieses Thema gut Bescheid. Deshalb habe ich entschieden, mich mit diesem Thema auseinanderzusetzen und auch mein bisher angeeignetes Wissen und Erfahrungen im Bereich der CPU Übertaktung in die Facharbeit mit einzubringen. Dadurch erhoffe ich mir vielleicht sogar einigen Menschen dieses Thema näher zu bringen und, wie man umgangssprachlich sagt, etwas „Licht in die Dunkelheit“ zu bringen.

In meiner Facharbeit befasse ich mich zuerst mit einem theoretischen Teil, der sich über die Punkte 3. bis 5. erstreckt, und danach mit einem praktischen Teil, in welchem ich untersuche, ob die bereits theoretisch dargelegten Dinge mit der Praxis übereinstimmen. In dem theoretischen Teil setze ich mich zuerst mit grundlegenden Funktionen und Eigenschaften einer CPU auseinander, worauf dann die weiteren Punkte der Arbeit beruhen. Im zweiten Teil der Theorie erkläre ich, wie man eine CPU übertaktet bzw. was dabei beachtet werden muss. Den letzten Teil der Theorie widme ich den Anwendungsmöglichkeiten einer CPU-Übertaktung und nenne auch negative Folgen und Aspekte einer solchen Übertaktung. Im praktischen Teil führe ich drei verschiedene Versuche zur CPU-Übertaktung selbst durch und werde diese unter Vergleich mit dem theoretischen Teil aus.

Eine Schwierigkeit bei der Facharbeit bestand darin, Quellen und Lektüre zu diesem Thema zu finden, da es dazu kaum bzw. überhaupt keine Bücher und meist nur grobe Internetquellen gibt, weshalb ich oft auf mein Wissen und bestehende Erkenntnisse in diesem Bereich zurückgreifen musste.

3. Grundaufbau und Funktion einer CPU

3.1 Aufbau einer CPU

Die CPU ist das Herzstück eines jeden PCs. Sie besteht aus vielen komplexen Bestandteilen, welche miteinander interagieren und somit die Rechenleistung einer CPU ermöglichen. Hauptsächlich besteht eine CPU aus einem Rechenwerk, einem Steuerwerk, mehreren Speichern, Registern, den Datenleitungen, die als Bus bezeichnet werden und einem Speichercontroller.

Der Begriff CPU ist Englisch und bedeutet „Central Processing Unit“, kurz CPU. Sie treibt, wie der Name schon sagt, einen Prozess voran und verarbeitet Daten.

Das Steuerwerk der CPU regelt die Befehlsbearbeitung im Prozessor und lädt dabei die Befehle, decodiert diese und interpretiert sie mit dem dazugehörigen Befehlsdecoder. Dieser wandelt Einsen und Nullen in Mikrobefehle um. Diese Mikrobefehle befinden sich im Befehlssatz, wo der Befehlsdecoder diese abfragen kann. Im Steuerwerk befinden sich unter anderem auch drei Register: das Befehlsregister, welches den aktuellen Maschinenbefehl enthält, der Befehlszähler, der die Adresse des nächsten Befehls enthält und das Statusregister, welches den aktuellen Status der Operation enthält.

Das Rechenwerk, welches Arithmetic Logic Unit, auch ALU heißt, ist für die Verarbeitung zuständig. Sie führt arithmetische und logische Operationen aus. Dabei besitzt das Datenregister die zu verarbeitenden Daten und der Akkumulator bereits berechnete Daten, die weiterverarbeitet werden sollen. Außerdem gibt es noch das Memory Buffer Register, welches zur Kommunikation zwischen ALU und Speicher dient.

Der Speichercontroller regelt den Datenfluss zwischen dem Arbeitsspeicher RAM und der CPU, allerdings auch zwischen den Caches und der CPU. Caches sind schnelle Speicher, in denen wichtige Daten zwischengespeichert werden, da die Speicherung im RAM viel länger dauert, weil dieser deutlich niedriger als die CPU getaktet ist. Die Aufgabe eines Cache ist es, berechnete Daten aus der ALU zwischen zu speichern und für eine Wiederverwendung bereit zu stellen. Der Unterschied zu einem normalen Speicher ist, dass die Caches direkt in der CPU liegen und somit niedrige Zugriffszeiten haben. Wenn es diese Speicher nicht geben würde, würde die CPU durch den niedrigen Takt des Arbeitsspeichers und die langen Zugriffszeiten der anderen Speicher ausgebremst werden. Meist sind in einer CPU drei verschiedene Caches vorhanden. Der Level-1-Cache ist oft nur 64-256 KB groß, dafür aber ist er sehr schnell und befindet sich direkt im Prozessorkern. Der Level-2-Cache ist 64 KB-12 MB groß aber dafür langsamer als der erste Cache und befindet sich außerhalb des Prozessorkerns. Der Level-3-Cache ist der größte der drei Caches aber auch der langsamste. Er ist bis zu 256 MB groß und wird sich von den Kernen geteilt. In manchen PCs gibt es auch noch einen Level-4-Cache, der sich außerhalb der CPU befindet und deshalb sehr langsam ist.

Allerdings besitzen moderne CPUs mehr als einen Kern. Dabei ist ein Kern eine fast eigenständige CPU, die aus einem Rechenwerk, einer ALU, sowie dazugehörigen Registern und meist noch einem Level-1-Cache und einem Level-2-Cache bestehen und sich den Level-3-Cache teilen. Sie sind zusammen in einer CPU untergebracht und arbeiten jeder für sich allein und unabhängig voneinander.

3.2 Funktionsweise einer CPU

Zuerst enthält der Befehlszähler des Steuerwerkes die Adresse des auszuführenden Befehls. Danach werden die Daten des Befehls aus der Adresse geholt. Bevor die Verarbeitung wirklich beginnt, wird der Befehlszähler bereits um eins erhöht und lädt die Adresse des nächsten Befehls, um gleich für die nächste Berechnung bereit zu sein. Der Maschinenbefehl wird nun im Befehlsregister des Befehlsdecoders entschlüsselt und in einen Mikrobefehl umgewandelt. Diese, vom Steuerwerk interpretierten Daten, werden nun von der ALU geholt. Die ALU führt den Befehl mit den im Datenregister vorhandenen Daten und den Daten aus dem Akkumulator aus und aus der ALU werden einerseits das Ergebnis der Aufgabe, andererseits auch der Status ausgegeben. Das Ergebnis wird nun in den Cache oder in den Speicher geschrieben. Jetzt beginnt dieser Prozess von neuem und wiederholt sich immer wieder.

Dieser Zyklus wird als der Von-Neumann-Zyklus beschrieben. Dieser besteht aus fünf Phasen bzw. Schritten: der erste Schritt ist Fetch, was bedeutet, dass der nächste Befehl aus dem Speicher, mit Hilfe des Befehlsregisters, geholt werden soll. Danach folgt der Befehl Decode, wo das Steuerwerk den Maschinenbefehl in einen Mikrobefehl dekodiert und der Befehlszähler um eins erhöht wird. Als nächstes folgt der Fetch Operants Schritt, in dem die benötigten Daten/Operanten für die Berechnung in der ALU geholt werden. Im nächsten Schritt, Execute, werden diese Daten mit dem Befehl des Steuerwerks verarbeitet. Der letzte Schritt ist das Write-Back, wo das Ergebnis der ALU in den Cache oder in den Speicher geschrieben wird. Wenn dieser Zyklus einmal pro Sekunde ausgeführt wird, würde dies einer Taktfrequenz von 1 Hz entsprechen.

Allerdings kann dieser Zyklus auch mehrfach gleichzeitig ausgeführt werden, nämlich durch die Kerne der CPU. Wenn der Prozessor mehr als einen Kern besitzt, so kann jeder einzelne Kern diesen Zyklus abarbeiten, während ein anderer Kern bereits den nächsten Befehl bearbeitet und wiederum ein anderer Kern den übernächsten Befehl. So kann auch eine deutliche Leistungssteigerung gegenüber CPUs mit nur einem Kern erzielt werden.

3.3 Zustandekommen des Basistaktes einer CPU

Allgemein gesagt, gibt der Takt einer CPU an, wie leistungsfähig eine CPU ist. Dabei muss allerdings noch beachtet werden, dass auf die Rechenleistung auch die Anzahl der Kerne einen großen Einfluss hat, sowie auch verschiedene Parameter im Bereich des Aufbaus einer CPU. Der Takt einer CPU wird in Hertz angegeben, da die Taktrate angibt, wie viele Rechenschritte die CPU innerhalb einer Sekunde ausführen kann. Deshalb wird die Einheit Hertz verwendet, die pro Sekunde ausdrückt. Bei modernen CPUs wird die Taktrate in GHz angegeben, da diese bereits mehr als eine Milliarde Rechenschritte pro Sekunde schaffen. Bei älteren CPUs hingegen ist die Taktrate meist in MHz angegeben. Ein MHz entspricht einer Million Rechenschritte pro Sekunde.

Die Taktfrequenz ergibt sich aus dem Takt des Front Side Bus und einem Multiplikator. Der Front Side Bus ist die Verbindung zwischen der CPU und dem Chipsatz. Wie groß die Taktfrequenz des Front Side Bus ist, unterscheidet sich zwischen den CPU­Herstellern und deren CPUs. Die Bandbreite eines FSB liegt meist bei 8Bytes, entstehend aus den 64 Datenleitungen, die sich zwischen FSB und CPU befinden. Den Front Side Bus gibt es in den Frequenzen 66 MHz, 75 MHz, 83 MHz, 95 MHz, 100 MHz, 133 MHz, 166 MHz, 200 MHz, 266 MHz, 333 MHz und 400 MHz. Da die Taktrate an ihre physikalischen Grenzen stieß, ermöglichten es spätere technische Fortschritte, bis zu 4 Datenwörter pro Takt zu übertragen und somit einen höheren Datentransfer pro Sekunde zu erreichen, ohne die Frequenz erhöhen zu müssen. So hatte beispielsweise der FSB200 entweder eine Frequenz von 200 MHz mit einer Übertragungsrate von einem Datenwort pro Takt oder eine Frequenz von 100 MHz, dafür aber einer Übertragung von 2 Datenwörtern pro Takt. In neueren CPUs ist allerdings dieser Front Side Bus Takt nicht mehr vorhanden. Stattdessen gibt es den sogenannten Systemtakt. Da es keinen Chipsatz mehr gibt, werden stattdessen Verbindungen, wie PCI genutzt. Peripheral Component Interconnect, auch PCI genannt, ist eine Busverbindung zwischen CPU und Chipsatz mit einem festen Takt von 33,3 MHz oder 66,6 MHz. Dieser kann vom Prozessorhersteller frei festgelegt werden. Beim Prozessorhersteller AMD liegt dieser Systemtakt bei 200 MHz und bei Intel bei 133,33 MHz. Durch den ungeraden Systemtakt werden bei Intel deshalb auch die Prozessortakte gerundet. Bei Intel muss der Multiplikator immer ganzzahlig sein, hingegen gibt es bei AMD auch halbe Multiplikatoren, weshalb dort auch 100 MHz- Schritte möglich sind. So ergibt sich beispielsweise bei einer CPU mit einem Systemtakt von 200 MHz und einem Multiplikator von 20 eine Basistaktrate von 4,0 GHz.

Beim Übertakten wird deshalb meistens der Multiplikator der CPU erhöht, da der Systemtakt schwer zu ändern ist und der FSB-Takt physikalisch bzw. technisch begrenzt ist. Zwar gibt es auch Programme, mit denen man den Systemtakt ändern kann, allerdings sind diese sehr unkonventionell und komplexer als die Programme, bei denen man den CPU-Multiplikator ändert.

4. Erhöhen des CPU-Taktes

4.1 Möglichkeiten der Übertaktung

Beim Übertakten einer CPU gibt es hauptsächlich zwei Wege. Dabei unterscheiden sich diese beiden Varianten zwar nicht großartig voneinander aber machen dennoch einen Unterschied.

Die erste Möglichkeit zum Übertakten ist über das BIOS/UEFI. Das Basic Input Output System, kurz BIOS, ist ein Programm, welches von Grund auf auf jedem PC installiert ist. Es ist auf einem kleinen Chip auf dem Mainboard gespeichert und kann zwar gelesen aber nur gewisse Parameter geändert werden. Aufgabe des BIOS ist es den PC betriebsfähig zu machen, indem es das Betriebssystem startet, die Hardware initialisiert und außerdem auf Funktionstüchtigkeit prüft. Das Unified Extensible Firmware Interface, kurz UEFI, ist eine Art Nachfolger des BIOS, hat aber die gleichen Aufgaben, ist aber auf einem neueren Stand der Technik und besser optimiert. Meist unterscheiden sich die beiden auch in der grafischen Bedienungsoberfläche.

Im BIOS/UEFI kann man alle Werte und Daten zu den Hardwarekomponenten des PCs sehen und teilweise ändern. So ist es möglich die aktuelle Taktfrequenz der CPUs auszulesen, sowie auch anliegende Spannung, Temperatur und Anzahl der Kerne. Dabei kann man den CPU-Multiplikator und die Spannung ändern. Durch die Änderung des CPU-Multiplikators kann somit der Prozessor übertaktet und die Taktfrequenz beliebig eingestellt werden. Bei manchen BIOS/UEFI wird auch nur der Takt des Prozessors angegeben und man muss diesen ändern, um den Prozessor zu übertakten. Allerdings ist dies bis auf den kleinen optischen Unterschied dasselbe, da bei Änderung des Taktes auch nur der CPU-Multiplikator im Hintergrund geändert wird. Ein Nachteil des Übertaktens per BIOS/UEFI ist allerdings, dass die Benutzeroberfläche relativ unübersichtlich und kaum intuitiv bedienbar ist.

Die andere Möglichkeit des Übertaktens ist die Änderung des CPU-Taktes über externe Computerprogramme. Im Gegensatz zum BIOS/UEFI sind diese meist sehr übersichtlich, da sie nur auf das Übertakten ausgelegt sind. Die Programme können oft kostenlos im Internet heruntergeladen werden. Hier kann man den CPU-Multiplikator per Schieberegler ändern, sowie die Spannung, die an der CPU anliegt. Im Grunde genommen haben diese Programme die gleiche Funktionsweise, wie die Übertaktung per BIOS/UEFI, sie greifen auf den CPU-Multiplikator zu und verändern diesen.

4.2 Abläufe beim Übertakten

Beim Übertakten werden meist immer die gleichen Schritte gemacht, um zum richtigen Ergebnis beim Übertakten der CPU zu kommen.

Zuerst muss man sich alle technischen Daten im normalen Betrieb, bei Basistakt, anschauen. Dabei sollte man besonders auf den aktuellen CPU-Takt und die anliegende Spannung achten, aber auch auf die aktuelle Temperatur im laufenden Betrieb. Oft ist es sinnvoll, sich im Internet zu einem empfohlenen Höchsttakt und einer ungefähr dazu empfohlenen Spannung zu informieren, um sinnvoll übertakten zu können. Danach muss man sich natürlich im Klaren werden, bis wohin man übertakten möchte. Diese Schritte sind als eine Art „Vorbereitung“ zu sehen, die notwendig ist, um beim Übertakten keine groben Fehler zu machen.

Als erster Schritt beim Übertakten sollte die Spannung erhöht werden. Mit der Spannung sollte man es nicht übertreiben, da darunter die Lebensdauer der CPU stark leidet aber bei einer zu niedrigen Spannung wiederum Rechenfehler entstehen. Nachdem man die anliegende Spannung erhöht hat, folgt die Änderung des CPU­Multiplikators. Nach diesem Schritt ist die Übertaktung an sich eigentlich abgeschlossen, allerdings überprüfen viele Nutzer, ob die CPU auch fehlerfrei läuft. Dazu lässt man den Prozessor 20 Minuten bei voller Auslastung laufen. Eine solche Auslastung kann beispielsweise mit dem Programm Prime95 erreicht werden. Wenn in den 20 Minuten keine Fehler auftreten, kann man sich fast zu 100% sicher sein, dass der Prozessor in Zukunft auch fehlerfrei mit dem eingestellten Takt weiterlaufen wird.

4.3 Benötigte Programme und Tools

Zum Übertakten eines Prozessors können spezielle Programme genutzt werden, um das Übertakten genauer, einfacher oder auch spezifischer zu machen. Dabei dienen die Programme oft als Hilfsmittel. Die meisten dieser Programme und Tools sind im Internet kostenfrei erhältlich und können ohne viel Aufwand installiert und genutzt werden. Allerdings muss man diese nicht nutzen, beispielsweise wenn man bereits Erfahrung im Übertakten hat und die Vorgänge gut kennt.

Es gibt Programme und Tools, in denen man direkt die CPU übertakten kann. Ein Beispiel dafür ist das AMD Ryzen Master Tool (siehe Bild), welches direkt vom Prozessorhersteller AMD entwickelt und bereitgestellt wird. Allerdings kann man das Programm nur für die Übertaktung von Prozessoren der AMD Ryzen Serie nutzen. Weiterhin gibt es von AMD auch ähnliche Programme, wie AMD Overdrive, die für andere Prozessorreihen ausgelegt sind. Auch von Intel, dem größten Prozessorhersteller auf dem PC-Markt, gibt es Programme zum Übertakten. Ein Beispiel dafür ist Intel Extreme Tuning Utility. Solche Programme bieten durch ihr einfaches Interface selbst für Laien eine einfache Möglichkeit zum Übertakten ihres Prozessors. Meist kann man in solchen Programmen und Tools den CPU-Multiplikator per Schieberegler verändern und die anliegende Kernspannung an der CPU regeln.

Eine andere Art von Programmen ist das Stresstestprogramm. Dabei wird die CPU zu 100% ausgelastet, indem sie mit komplexen Rechenaufgaben regelrecht „bombardiert“ wird. Dadurch kann man sehen, ob man bei der Übertaktung alles richtig gemacht hat, da ansonsten Rechenfehler auftreten können. Durch die Auslastung von 100% treten Rechenfehler schneller auf und man kann erkennen, ob an der Übertaktung noch etwas geändert werden muss, damit die CPU fehlerfrei läuft. Wenn nach 20- minütiger Laufzeit keine Fehler auftreten, kann man davon ausgehen, dass die CPU danach dauerhaft stabil läuft, ohne dass Fehler auftreten. Beispiele für Stresstestprogramme wären Prime95, LinX oder auch HeavyLoad. Allerdings sollte man beachten, dass durch die 100%ige Auslastung hohe Temperaturen an der CPU entstehen können und die Kühlung ausreichen sollte, damit der Prozessor bei dem Vorgang nicht überhitzt und dadurch kaputt geht.

Weiterhin kann man Programme nutzen, die alle wichtigen Informationen über die CPU anzeigen. Sie lesen die Sensoren in verschiedenen Bereichen der CPU und des gesamten PCs aus und zeigen diese an, sodass der Nutzer ohne großen Aufwand an die Daten der Sensoren gelangen kann. In den meisten dieser Programme sind die Daten der Sensoren von Temperatur, Takt der CPU und deren Kerne, Umdrehungszahlen des CPU-Kühlers, Auslastung der CPU und die anliegenden Spannungen, sowie alle technischen Daten zur Hardware gegeben. Dadurch kann man einerseits überprüfen, ob alle Kerne wirklich auf dem gewünschten Takt-Wert laufen und die gewünschte Kernspannung anliegt.

Andererseits ist es auch möglich die Temperatur der CPU sehen und somit sicherstellen, dass es nicht zur Überhitzung des Prozessors kommt. Außerdem kann man die Umdrehungszahlen der Lüfter im PC sehen und diese, falls nötig, erhöhen, um die Kühlleistung zu verstärken. Weiterhin lässt sich bei einigen von diesen Programmen auch noch die Auslastung des Prozessors sehen und daraus bereits vor der Übertaktung schließen, ob diese überhaupt notwendig ist. Beispiele für solche Programme sind CPU- Z, Open Hardware Monitor und HWMonitor.

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• Note: 1
• Erscheinungsjahr: 2019
• Seiten: 36
• Katalognummer: V961665
• ISBN (eBook): 9783346310354
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Overclocking, CPU, Übertaktung