Overclocking - Définition

Théorie du surcadencement

Cette technique répond à la demande des micro-ordinateurs modernes qui doivent faire face à des programmes de plus en plus gourmands. Elle cherche à obtenir la puissance maximale à partir d'une configuration existante. On peut l'insérer dans une recherche plus générale de la performance des systèmes informatiques.

Le nombre de cycles par instruction

La plupart des ordinateurs fonctionnent de manière synchronisée en utilisant un signal d'horloge CPU à fréquence constante (la fréquence d'horloge, exprimée en hertz, égale l'inverse de la période - durée d'un cycle d'horloge - exprimée en secondes).

Une instruction d'ordinateur est un ensemble d'opérations élémentaires ou micro-instructions dont le nombre et la complexité dépendent de l'instruction, de l'organisation et de l'implémentation exacte dans le CPU. Une micro-opération est une opération matérielle élémentaire qui peut être exécutée en un cycle d'horloge. Cela correspond à une micro-instruction dans un CPU micro-programmé. Par exemple, les opérations sur les registres, les décalages, les chargements, les incréments, les opérations de l'unité arithmétique et logique : addition, soustraction, etc.

Cependant une instruction machine peut prendre un ou plusieurs cycles pour être entièrement traitée ; c'est le nombre de cycles par instruction ou, en anglais, cycles per instruction (CPI).

Une instruction-machine = 1 ou N micro instructions = 1 ou N CPI.

Voici un extrait de la documentation fournie aux développeurs de compilateurs ou de programmes. On peut y voir une liste d'instructions du micro-processeur AMD A64 avec leur nombre de cycles. AMD définit les latences de ces instructions comme suit : La colonne des latences fournit les attentes pour une exécution statique de l'instruction. L'exécution statique est le nombre de cycles que prend le traitement séquentiel, jusqu'à son terme, des micro-opérations composant l'instruction. Ces valeurs sont à titre indicatif. On suppose que

• L'instruction est immédiatement disponible dans le cache L1 et que l'opération peut être exécutée avec les autres opérations du planificateur de tâches.
• Les opérandes sont disponibles dans le cache L1
• Il n'y pas de contention avec les autres ressources.

Les deux instructions suivantes :

• Call pntr16 16/32, qui correspond à un appel à une routine et qui dure 150 cycles,
• CLC, qui correspond à un effacement de registre et qui dure 1 cycle,

montrent l'étendue que peut avoir le CPI pour des instructions différentes. Cette documentation est disponible chez AMD sous le titre software optimization guide for AMD Athlon 64 and AMD Opteron processors.

Risques

Le principal risque du surcadencement est de détruire le processeur par application d'une tension d'alimentation trop importante, d'une température trop élevé au niveau du cœur, ou encore de courant de fuite inter-transistor trop important. Dans le passé, les processeurs risquaient également de brûler si la température devenait trop élevée, mais actuellement absolument tous les processeurs sont équipés d'un système de sonde qui coupe automatiquement le système si la température dépasse les limites fixées par le constructeur (coupure automatique sur les C2D et C2Q à 120/125 °C). Le bon fonctionnement de ce coupe circuit est garanti dans la cadre d'une utilisation normale du processeur. Le fait d'utiliser le processeur à une fréquence supérieure a également une influence sur sa durée de vie (20 ans en moyenne), même si on considère en général que la réduction est négligeable comparé au temps de vie d'un processeur (rarement plus de 5 ans).

Si toutefois la puce n'est pas détruite par le surcadencement, il existe un risque accru de faute de calcul et/ou de d'apparition d'artefacts durant un traitement, ce qui peut avoir diverses conséquences suivant l'utilisation du processeur au moment de l'apparition de l'artefact, on peut citer :

• Apparition de taches sur des images,
• Déclenchement intempestif d'une alarme,
• Instabilité/Blocage/Destruction de l'OS suite à des écritures corrompues,
• Erreurs de calculs du type 1 + 1 = 3.

Un surcadencement mal réalisé peut altérer le fonctionnement du matériel de manière plus ou moins grave, allant d'une simple surchauffe du composant surcadencé (il perd alors en stabilité) à la destruction d'un ou plusieurs éléments de la configuration. Les constructeurs configurent toujours leurs ordinateurs à des fréquences moindres que les fréquences limites (afin de se laisser une marge de sécurité évitant un trop grand nombre de retours sous garantie), ce qui permet une marge de surcadencement.

Pour pallier l'augmentation de température provenant des composants surcadencés, l'utilisation de système de refroidissement à air avec ou sans caloducs et/ou de système de refroidissement à eau (watercooling) est préconisée. Dans la pratique extrême de cette discipline, les spécialistes utilisent des refroidissements à l'azote liquide (-196 °C) et/ou des refroidissement à changement de phase (Montage simple étage: Direct on die ou Montage multi-étages: cascade).

Le surcadencement ne nuit pas à la stabilité du processeur si l'on reste dans des fréquences supportables par les composants. Il est souvent nécessaire de modifier légèrement les tensions de fonctionnement pour aider le processeur à « tenir » la nouvelle cadence sans instabilité.

Le bruit des ventilateurs devenant peu acceptable pour les applications gourmandes, on recourt parfois à l'ajustement inverse (le sous-cadencement ou underclocking) afin de diminuer les besoins en dissipation thermique, et donc permettre le sous-voltage du ventilateur de refroidissement, ou le passage en refroidissement passif, pour diminuer le bruit.

Un surcadencement « normal » diminue la durée de vie des processeurs, car ce dernier chauffe et travaille au dessus de la température à laquelle il est conçu.