Forums-Perle: Der Mythos VID (Voltage Identification Definition)

Alt, aber immer wieder und wieder aufgerufen und damit ein absoluter Klassiker vom 14. Mai 2008, also faktisch etwas über 10 Jahre alt. Und das Lustige daran: im Prinzip gilt das damals Geschriebene auch heute noch, auch wenn sie die Technik und einige Details sicher geändert haben mögen. Die Physik folgt nämlich heute noch den selben Regeln wie damals. Doch blicken wir nun zurück…

Da sich die Fragen in letzter Zeit häufen und immer wieder Unklarheiten über VID, VCore und die angezeigte CPU-Spannung in den einzelnen Lastzuständen zu Tage treten, soll dieser Thread als theoretische Grundlage dienen, um dieses “Mysterium” zu beseitigen. Es ist ein klein wenig graue Theorie – aber wissenswert genug, um auch mal so etwas sorgfältig durchzulesen. Wer einen Intel wirklich professionell übertakten möchte, der kommt am Wissen um die einzelnen Begriffe nicht vorbei!

In diesem Sinne noch einmal einen Dank an 7oby aus dem damaligen Forum für die Inspiration und an all die Fragenden für den letzten Anstoß, endlich mal die Schreibfaulheit zu überwinden. Als weitere Quellen darf ich entsprechende Veröffentlichungen von Intel selbst, einschlägige Posts in anderen Technikforen (z.B. anandtech.com) und diverse Gespräche im engeren Kreise nennen, ohne dabei die Gewähr auf absolute Richtigkeit oder Vollständigkeit übernehmen zu können. Dazu ist das Thema viel zu komplex und nicht nur aufs Übertakten beschränkt.

Die 4 größten Mißverständnisse rund ums Übertakten

Wer stand noch nie vor der Frage, welche Spannung nun denn die richtige sei? Und warum das Board was anderes anzeigt, als “fest” eingestellt wurde und warum ist dieses wiederum weder mit dem identisch, was als VID ausgelesen werden kann, noch mit dem, was unter Last oder im Idle mit den entsprechenden Tools ermittelt wurde? Fragen über Fragen. Und Begriffe wie “VDrooping” machen schnell die Runde und tragen zur weiteren Verunsicherung bei. Oft genug sucht man die Fehler auf den Boards, schimpft über miese Spannungswandler und vergisst dabei die wahren Ursachen.

  • Falsch: Gute Boards halten unter Last die im BIOS “fest” eingestellte Spannung exakt ein
  • Falsch: VDrooping als Spannungsabfall unter Last wird allein vom “miesen” Mainboard verschuldet
  • Falsch: Speedstep, EIST/C1 müssen für ein stabiles OC unbedingt deaktiviert werden
  • Falsch: Eine eingestellte VCore unterhalb der von Hersteller festgelegten VID ist besonders gut für die CPU.

Die einzelnen Spannungen im Überblick

Zunächst mal eine kleine Übersicht, welche Spannungen im Folgenden abgehandelt werden. Man kann dem Diagramm bereits die wichtigsten Informationen entnehmen:

Betrachten wir zunächst den Unterschied der im BIOS “fest eingestellten” Versorgungsspannung (Spannungsvorgabe) und den real messbaren Versorgungsspannungen im Last- oder Idle-Betrieb. Die im Schema erkennbare Charakteristik (Maximum Negative Overshoot, Full Load Voltage, VDrop, Idle Load Voltage, Offset, Peak) spiegelt die Verhältnisse laut Intels Power-Design-Spezifikation wieder und ist eine wichtige Grundlage für das stabile Arbeiten der CPU. Daran ist erst einmal nicht zu rütteln. Sicher könnte man hier noch weiter ins Detail der Spannungsreglung (VRM) abgleiten, aber das soll an dieser Stelle erst mal reichen. Fast alle aktuellen Boards sind ausreichend, um die derzeit verwendeten CPUs richtig zu betreiben.

Was ist VDroop und warum zeigen Everest und CPU-Z weniger an als ich manuell eingestellt habe?

Fließt ein großer Strom durch die CPU, dann erwärmt sich diese. Wird die CPU wärmer, leitet sie noch mehr. Womit dann bei konstant anliegender Spannung ja noch mehr Strom fließen würde (Prinzip des TNC-Widerstandes). Die Kernspannung selbst kommt aus einer konstantstromquellenähnlichen Versorgung mit einem sehr niedrigen Innenwiderstand, d.h. die Ausgangsspannung würde also im obigen Fall nicht absinken, wie es im Normalfall sonst passieren würde. Das heißt im Umkehrschluss, dass nachgeholfen werden muss, damit die Spannung dann in einem gewissen Rahmen unter Last absinkt um eine Selbstzerstörung durch das Aufschaukeln zuverhindern. Und genau diese Technik nennt man Drooping. Dehalb gibt es diese Vorgabe, bei welcher Spannung die CPU unter Last gerade noch stabil lauffähig ist. Das Ganze ist also mehr oder weniger ein Toleranz-Fenster für die Kernspannung nach unten hin, damit der gerade genannte Effekt nicht eintritt. Die Differenz zwischen der VID und der Idle-Spannung nennt man VOffset und die Differenz zwischen Idle- und Volllastspannung VDroop.

Merke:
Die Versorgungsspannung, die im BIOS eingestellt wird, stellt also nur den absoluten Spitzenwert (Peak) dar und spiegelt deswegen nur bedingt die eigentlichen Spannungsverhältnisse im laufenden Betrieb wieder. Solange die CPU innerhalb der Spezifikationen arbeitet, kann diese Spannung nie exakt als gleicher Meßwert erreicht werden! Die messbaren Werte liegen im Betrieb immer niedriger! VDroop ist die (völlig normale) Spannungsdifferenz zwischen Volllast und Leerlauf und kein Merkmal für eine schlechten Hauptplatine, sondern sogar notwendig!

Was ist nun die VID (Voltage Identification Definition) bzw. wie kommt diese zustande?

Was ist die VID nun genau?

Unter VID (Voltage Identification Definition) versteht man die Spannungsvorgabe als Standardwert für einen stabilen Betrieb, die vom Hersteller in jeder CPU fest gespeichert ist und exakt die Produktionsqualität wiederspiegelt. Die VID definiert dabei stets die Maximalspannung (Vpeak), die anliegen darf und nicht Spannung(en) in den jeweiligen Lastzuständen (siehe Schema 1). Diese Vorgabe ist bedingt durch die Unterschiede zwischen den einzelnen CPUs, die bei der Herstellung nicht zu vermeiden sind (z.B. Qualität des Wafers). Das Board leitet davon automatisch die Versorgungspannung (Vcc) ab, die man landläufig als auch manuell einstellbare CPU-Spannung oder VCore bezeichnet. Innerhalb dieser Festlegung gibts natürlich wiederum Abweichungen (z.B. Position des Chips auf dem Wafer, innen = besser), so dass man die VID zwar als Richtwert nehmen kann, im konkreten Fall aber jede CPU erst einmal wirklich austesten sollte.

Wie wird die VID festgelegt?

Die benötigte VID (U) ergibt sich einerseits aus der für die CPU vorgegebenen maximalen Verlustleistung in Watt (W = U x I) und dem inneren elektrischen Widerstand (R) der CPU unter Vollast, der für den fließenden Strom (I) verantwortlich ist:

Sie wird deswegen so festgelegt, dass die CPU im Produkt von Spannung und Strom nicht mehr Watt umsetzt, als der Hersteller für dieses Modell als Wert angibt (z.B. 95 Watt beim Q6600). Ok, die Definition der TDP funktioniert schon ein wenig anders, aber vereinfacht wollen wir diese Rechnung mal so stehen lassen, da es für das Verständnis völlig reicht.

Was sagt die VID über die Qualität der CPU aus?

Auch wenn sich die Geister gern streiten: eine niedrige VID spiegelt meist eine schlechtere elektrische Güte der CPU wieder. Je niedriger der Widerstand ist, um so mehr Strom fließt und umso niedriger kann/muss die VID gewählt werden, damit das Produkt aus Spannung und Strom den Watt-Vorgaben entspricht. Eine niedrige VID ermöglicht jedoch in fast allen Fällen ein besseres OC-Verhalten bzw. OC-Potenzial der betreffenden CPU auch wenn andere Stimmen meinen, eine niedrige VID zeuge eher von zu hohen Leckströmen.

Was bedeutet eine niedrige VID für mich beim OC?

Meist das bessere OC-Potential. Nötige Spannungserhöhungen zum Stabilisieren der CPU bei hohem Takt fallen oft geringer aus bzw. zeigen mehr Wirkung. Nachteilig ist der hohe fließende Strom, der sich durch eine hohe Wärmeabgabe bemerkbar macht.

Was bedeutet eine hohe VID für mich beim OC?

Mit etwas Pech ein geringeres OC-Potential. Nötige Spannungserhöhungen zum Stabilisieren der CPU bei hohem Takt fallen meist größer aus bzw. zeigen gar keine Wirkung. Diese CPUs sind jedoch oft kühler und im nicht übertakteten Zustand selbst mit dem Boxed-Kühler noch relativ kühl zu betreiben.

Und was passiert beim Übertakten?

Zunächst ist es eigentlich egal, wovon die CPU nun beim OC kaputt geht – bei der zu hohen Spannung einer CPU mit höher VID oder den großen Strömen, die bei CPUs mit niedrigerer VID fließen. Schädlich ist auf Dauer beides, wenn man das nötige Maß und Fingerspitzengefühl beim OC vermissen lässt.

Wie lese ich die VID meiner CPU aus?

Die aktuelle VID lässt sich mit dem kostenlosen Tool CoreTemp bestens auslesen:

Ganz praktikable VID beim Q6600. Diese CPU könnte durchaus die 3,6 GHz im Dauerbetrieb überleben und die 4 GHz-Marke (ansatzweise) knacken. 3,8 GHz zumindest sind schon mal locker drin. Gute Kühlung vorausgesetzt.

Wie lese ich die Spannungen für Full Load und Idle aus aus?

Am Besten mit dem ebenfalls kostenlosen Tool CPU-Z, welches noch viele andere nützlichen Informationen ausspuckt:

Reale Spannung der CPU unter Vollast bei einer VID von ca 1,3 Volt. Diese CPU wird wohl kaum höher als 3,2 GHz zu übertakten sein und ist bei 3 GHz schon relativ nahe am Limit. Sowas bezeichnet der Laie dann gern mal als Montags-CPU. Auch wenn das arme Stück Silizium gar nichts dafür kann und man das so nicht verallgemeinern kann. Schließlich sind die CPUs für den Normaltakt ausgelegt. OC ist ein freiwilliges “Feature” und nicht einklagbar. Im Übrigen bestätigen Ausnahmen die Regel, so dass ein Versuch zunächst immer erst einmal Aufschluss über das wahre Potential der CPU geben sollte.

Merke:
Je geringer die VID innerhalb der Unter- und Obergrenzen einer CPU liegt, umso niedriger ist die elektrische Güte und um so größer allerdings auch die Wahrscheinlichkeit für gute OC-Ergebnisse. Eine niedrige VID bedeutet jedoch generell mehr Stromfluss, so dass besser gekühlt werden muss als bei einer hohen VID. Für normales OC ist eine mittlere VID die günstigste Voraussetzung. Jede CPU kann allerdings aus diesem Schema ausbrechen, es lohnt also immer, die Grenzen auszutesten. Die jeweilige VID liest man am Besten mit CoreTemp aus

Zwangsweises Undervolten durch zu niedrige VCore

Jetzt wollen wir mal überprüfen, wie das System reagiert, wenn wir VOffset durch manuelle Falscheingabe quasi entfernen:

Wie wir sehen können, überschreitet das System immer dann den als maximal zulässige Spannung für die CPU festgelegten Wert, wenn von Vollast auf Idle gewechselt wird. Die CPU läuft außerhalb der Spezifikationen und wird vor allem bei Lastwechseln instabil. Dieses Fehlverhalten ist in der Regel auch nicht ohne Weiteres erkennbar, da die meisten nur das Volllast-Szenario mit Everest testen. Ein derart negativ beeinflusstes Einschwingverhalten äußert sich meist in unerklärlichen Leistungseinbußen im realen Anwendungsalltag und selbst noch beim 3DMark06. Darüber hinaus wird die gesamte Spannungsreglung im Ernstfall übermäßig belastet und keineswegs Leistung gespart!

Manche teurere Boards erlauben darüber hinaus auch noch die Festlegung der Ober- und Untergrenzen der Spannungen für Vollast bzw. Idle, so dass sich am Schluss VDrop und Offest quasi manuell gegen Null schrauben lassen. Trauriges Ergebnis derartiger Einsparversuche ist dann leider oft genug eine defekte Hauptplatine mit gegrillten Spannungsreglern. Mehr dazu (da es den Rahmen des Notwendigen sprengt) findet Ihr auch in diesem englischsprachigen Artikel, dem ich auch die obigen Diagramme entnommen habe.

Merke:
Es bringt also definitiv NICHTS, als VCore manuell und auf Krampf einen Wert einzustellen, der viel niedriger als die vom Hersteller festgelegte VID ist, bloß weil am CPU-Kühler gespart wurde und man sehnlichst hofft, noch ein paar Grad rauszuquetschen!

Wann muss die VCore im BIOS manuell geändert werden?

Eine manuelle Eingabe ist nur dann sinnvoll, wenn:

  • Die CPU befindet sich trotz OC noch im Leistungsfenster.
    Der FSB-Takt wurde angehoben und das Board übervoltet von sich aus. Jedoch ist auch mit der vorgegeben VID noch ein stabiler Betrieb möglich. Dann kann dieser Wert manuell auf den der VIDVorgabe gesetzt werden (Stabilität mit Everest testen!)
  • Die CPU wurde extrem übertaktet
         Die vom Board automatisch vorgenommene Übervoltung reicht nicht mehr aus, um die CPU stabil zu betreiben. Dann muss die VCore schrittweise erhöht werden. Dabei sind jedoch die Einschränkungen bezüglich der zulässigen Maximalspannung, der thermischen Belastbarkeit und der Haltbarkeit der CPU zwingend zu beachten!

EIST / C1E und Overclocking?

Begriffserklärung:

  • C1E = “Enhanced Halt State” (C1E)
  • EIST= “Enhanced Intel SpeedStep Technology”

Der erweiterte Halt-Befehl C1E kann nicht nur Recheneinheiten der CPU abschalten, sondern auch zusätzlich den Takt reduzieren und die Spannung herabsetzen. Es gibt allerdings nur 2 Zustände: Idle und Volllast. Die Taktverringerung geht hierbei über den Multiplikator. Es wird demnach auf den niedrigsten einstellbaren Multiplikator zurückgeschaltet (also beim Q6600 von 9 auf 6). Gleichzeitig wird die Vcc (VCore) angepasst und eine niedrigere VID angenommen. EIST kann dies bei Notebook-CPUs sogar fließend, also sozusagen mit “gleitendem” Multiplikator. Warum liest man immer, man solle diese Funktionen abschalten? Betrachtet man das erste Schema oben, so sieht man die Charakteristik des Spannungsverhaltens und des “Einschwingens”. Die Spannungsregelung (VRM) arbeitet über einem LC-Netzwerk (induktiv/kapazitiv), also Spulen und Kondensatoren. Gerät die Regelung außerhalb der
vorgegebenen Kennlinien, so kann es durchaus zu hochfrequenten Schwingungen und in der Folge zu Hardwareschäden kommen (sowas kennt man auch von Grafikkarten). Grund sind meist eine falsch eingstellte VCore bzw. manuell abgeänderte Parameter für die Spannungen für die verschiedenen Lasten. Bewegt man sich außerhalb der Spezifikationen, kann ein knapp bemessenes Board mit einer leistungshungrigen CPU durchaus derartige Effekte zeigen.

Das Abschalten der Stromsparfunktionen vermindert zwar u.U. die Symptome, beseitigt allerdings nicht die Ursachen. Außerdem sind billige Netzteile im Zusammenhang mit der schnell wechselnden Last (die Spannung wird in geringsten Sekundenbruchteilen stets neu angepasst) schlichtweg überfordert. Wenn man ein ordentliches Board mit einem ausreichend dimensionierten und sauber konstruierten Netzteil betreibt, sollte eigentlich nichts pfeifen. EIST/C1E sollten deswegen nicht deaktiviert werden, schließlich soll der PC die Leistung ja nur dann abfordern, wenn man sie wirklich braucht. Pump- und Schwingeffekte zeugen eher von einer miesen Hardwarekomponente in der Stromversorgungskette. Manchmal hilft es auch schon, einzelne Verbraucher innerhalb der 12 Volt Schienen umzuklemmen oder die Grafikkarte auf einen anderen Strang zu legen (wenn das Netzteil mehrere PCIe-Anschlüsse bietet).

Wenn jedoch selbst im nicht übertakteten Zustand und ohne weitere Verbraucher noch ein Pfeifen/Rauschen in den Spulen zu höhen ist, dann liegt dies wirklich am Board (selten, aber es kommt vor). In diesem Fall hilft nur ein alter Trick aus der Rundfunk- und Fernsehmechaniker-Gilde: das Eingießen der Spulen in Gießharz. Mit einfachem Plastilin (läßt sich im Nachhinein bestens entfernen und haftet gut) außen rum eine Form zusammenkneten und danach die Übeltäterspule sauber eingießen und das Ganze lang genug aushärten lassen. Dann das Plastilin entfernen und Ruhe ists.

Ansonsten wäre noch zu erwähnen, dass es sich durchaus lohnt, mal die Temperaturen der Spannungswandler zu überprüfen. Wenn die Teile zu heiß werden (90° und mehr), dann gibts oft derartige Geräusche. In diesem Fall hilft dann nur noch eine zusätzliche Kühlung.

Merke:
Wenn man EIST/C1E abschalten muss, damit das OC in den gemachten Einstellungen überhaupt läuft, dann ist das ganze OC nichts wert. Die CPU muss mit und ohne Stromsparfunktion stabil laufen! Und allen, die dies nur tun, um in aller Ruhe Screenshots machen zu können oder sich den Pimmel zu messen, sei gesagt: Es ist Nonsens. Für diese Fälle kann man ja im Hintergrund auch mal ein wenig Last erzeugen.

Grafiken: anandtech.com
Der damalige Link zu The Techrepository landet heite leider auf einer Viagra-Seite und wurde deshalb entfernt.

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