通向高手之路!DIY超频经典教程二|口- 数码硬件 - 若水UEBBS.COM社区—〖石家庄经济学院论坛〗

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0 发表于: 2005-11-12

超频的高级知识
本文主要介绍超频的一些常识和超频引起的相关问题，但不必因此而害怕超频，第一篇已经讲明了，超频非常安全
中央处理器（CPU）从本质上说是信号处理器，将来自键盘、硬盘或者其它设备的信号由输入针脚送至CPU核心，经过指定变换处理，转换成所需信号，再由输出针脚送至内存，显卡或其它设备。

CPU处理信号的快慢，即CPU性能的高低一直以来是人们关注的焦点，可以说CPU的发展史实际上也是一部CPU的性能增长史。根据CPU性能=IPC(每时钟周期执行的指令数)×频率(MHz)的公式，单独提升IPC、主频，或同时提升两者都可使处理器的性能得以提升。因此CPU的内部架构和运行频率一直都是中央处理器的重要特征。对于消费者来说，无法改变CPU的内部结构设计以提升IPC，因此提高CPU的运行频率就成了人们获得额外性能的唯一方法。这也就是超频行为的由来和出现的必然性原因。

最早的超频记录为Amiga 500的Motorola芯片从9MHz超到12MHz，英特尔80286从8MHz超到12MHz 。但那时的超频行为是个别技术高手才能做的事情，需要用烙铁更换主板上的晶振来改变频率。真正超频作为一种大众行为开始普及—— 几乎人人可做，Intel公司于1998年推出的赛扬300A处理器功不可没。这款可以轻松将主频和性能提升50%的处理器成为超频史上经典中的经典，也将超频和CPU紧紧联系再一起。

超频并非仅仅为了性能

此后，超频不仅仅成为一种获得提升性能的有效方法，也成为大众玩家竞相为之的时尚行动。何种产品好超，可以超到多少等等问题开始各大论坛上的热门话题，甚至于为什么无法超频的问题成为电脑医院的长期客户。相互攀比的结果进一步刺激了超频行为，进而开始产生各类成绩的排行榜，比如CPU超频幅度排行、SuperPI 百万位成绩排行和3DMark 成绩排行榜等等。还出现了一些以超频为宗旨，企图或者已经混迹于各类排行榜的电脑玩家。超频行为也成为一部分人满足心理需求的重要手段。

由超频行为逐渐聚集起的庞大消费群体所引发的需求也渐渐衍生出为超频服务的技术、产品和行业。为超频而生的硬件和软件层出不穷，极品CPU 、超频主板、散热器、导热材料、制冷设备、测温设备、自动手动超频软件、稳定测试软件，性能测试软件等等等等。而相应产品所造就的经典也应运而生，Barton2500+、CIII 1.0、升技NF7、磐正8RDA3+、Alpha8045、SuperPI、SpeedFan、Prime95等等早早成就英名。相应的软硬件使用教程和经验交流更是纷纷印刷成册，摆上柜台。CPU、主板、内存、散热器等等产品的测试中，超频几乎成了各网站不可缺少的部分，俨然已经成为人们选择产品的一项重要标准。

时至今日，超频已经不仅仅是一种单纯的个人爱好，从它成为一种大众娱乐行为的开始，就注定会要成为商业行为的下一个占领地。超频不但成为硬件产品引人关注的卖点，也成为硬件厂商以超频极限之高来显示自己技术实力的手段。更重要的是，超频给商家带来了更多的软硬件消费和心理消费的市场空间。消费者从超频中获得实惠，选择自认为超值的产品。而生产厂家则以超频为市场出售更多的产品赚取利润、建立品牌。而媒体的评测也有更多内容可写，最终引来更多的人气和收入。在电脑市场的需求、供给和引导的市场环节中，超频带来的效应可谓皆大欢喜，最终在一种良性循环中蔚然成风。

超频怎样才算成功？

说了这么多超频的好处，反而让人搞不清楚了什么是超频。简单的说，超频是一种行为，人为的使集成电路以超过额定工作范围的频率运行。除了CPU以外、内存芯片、显卡芯片、硬盘芯片、主板芯片等等都可以超频使用。为了方便说明，本文仅以CPU为例详细介绍有关超频的一些问题。

那么怎样才能算是超频成功呢？这个问题因人而异。确切的说，是根据超频者的需求不同而不同。有部分人超频是为了探明CPU在某种极限条件下能够运行的最高频率，或者为了追求一个前所未有的极限数字。对他们而言，CPU并不需要在这种条件下工作太久，也不用去完成很苛刻的工作任务。哪怕CPU只能正常工作几分钟，能够进入WINDOWS系统正确显示当前运行的频率，甚至于仅仅能够点亮系统在BIOS自检画面中出现一个期待的频率数字，对于他们来说，都算是超频成功了。

但是对于大多数人来说，没人愿意在玩游戏正投入的时候因为死机而中途退出；也没人愿意在图形渲染到一大半的时候因为运算出错而不得不重新开始；更没人愿意正要对网恋的MM 倾诉表白的时候因为硬件烧毁而错失机会。因此，能让处理器长期稳定运行而不影响到工作的正常完成是超频成功的先决条件，即人们常说的”稳定压倒一切”。对于以应用为主要目的的人来说，超频不是一种必须行为，一切影响到实际使用的超频行为也都是不成功的。

超频失败通常表现为以下几种现象：蓝屏，非法操作，运算出错，窗口无端关闭，CPU占用率过高，程序无响应，画面定格，黑屏，自动重启，无法开机等等。

有的人会问：我超频以后运行了SuperPI和3Dmark 等测试软件没有任何问题，但是玩游戏久了会死机，这算是超频成功吗？其实这是典型的一种不成功的表现，因为它没有满足长期稳定这个条件，并且影响到正常使用。测试软件一般运行的时间比较短，大多在 10 分钟之内，通过测试只代表能在短时间内稳定工作，并不意味着超频成功。而这种失败大多是因为散热不好热量逐渐积累而最终温度过高。

相反，有人会问：我超频以后无法通过各种测试，但是我平常只用来打字听音乐，并且没有出现任何问题。这样算是超频成功吗？尽管打字听音乐可能并不需要去超频就能很好的完成，但是我不能不说，恭喜你超频成功。

也就是说，超频是否成功，并不是以通过测试程序为标准，而是以自己的正常使用为标准。超频的目的是为应用服务，而不是为测试服务。很多人对这种说法并不赞同，他们在追求的是一种绝对稳定。对于没有通过他们认为的严格测试的超频行为十分不齿。在这里我想说的是，在Tom’shardwear里进行的连续数天超长超负荷稳定测试的存在，也许会让更多的人对你所谓的“稳定”超频而不齿。稳定没有绝对,只有相对。甚至于说，超频是一种唯心的行为，你真的认为成功了，它就成功了。

超频后果一：CPU功耗增加

现在所有CPU的芯片都是由CMOS（互补型金属氧化物半导体）工艺制成。CMOS电路的动态功耗计算公式如下：

P=C×（V×V）×f

C是电容负载，V是电源电压，f则是开关频率。

因为超频带来的CPU频率的增加，会造成动态功耗随频率成正比增长。而在超频的过程中，为了让CPU能够工作在更高频率上，常见的手段之一就是加电压。而这更加快了功耗增长的速度。

假设一块额定频率为1GHz、额定电压为1.5V的CPU其动态功耗为P0 。经过超频以后，工作电压加压到1.65V，稳定运行在 1.3GHz ，此时其动态功耗为P1。因为CPU制成以后，其电容值C也就基本固定，可以看作常量，也就是说超频前后的电容值C相等。

可以得到:　 P0　=　1.5 ×1.5×1 ×C = 2.25C (W)

　　　　　　P1　=　1.65×1.65×1.3×C = 3.54C (W)

两式相除得到：　　P1/P0　= 3.54C　/ 2.25C =　1.573　

此式的意义是，这款超频后的CPU较未超频时，其动态功耗增加了57.3% ，因为对CMOS电路来说，静态功耗相对于动态功耗较小。因此其动态功耗的增长率近似为CPU总功耗的增长率。也就是说假设原来的CPU额定功率仅为60W，经加压超频后此时也将达到近95W ! 如果不更换更好的散热设备，将不可避免的引起CPU工作温度的上升。当处理器温度超过最大允许值，轻则无法正常工作，严重则导致CPU烧毁。

超频后果二：电迁徙

在前些年在提及超频后果的时候，经常会提起电迁徙（有人称为电子迁移）造成的危害。在半导体制造业中，最早的互连金属是铝，而且现在它也是硅片制造业中最普通的互连金属。然而铝有着众所周知的由电迁徙引起的可靠性问题。

由于传输电流的电子将动量转移，会引起铝原子在导体中发生位移。在大电流密度的情况下，电子不断对铝原子进行冲击，造成铝原子逐渐移动而造成导体自身的不断损耗。在导体中，当过多的铝原子被冲击脱离原来的位置，在相应的位置就会产生坑洼和空洞。轻则造成某部分导线变细变薄而电阻增大，严重的会引起断路。而在导线的另一些部分则会产生铝原子堆积，形成一些小丘，如果堆积过多会造成导线于相邻导线之间发生连接，引起短路。不论集成电路内部断路还是短路，其后果都是灾难性的。电迁徙或许是集成电路中最广泛研究的失效机制问题之一。

电迁徙造成导线损耗

超频的结果会使通过导线的电流增大，引起的功耗增加也会使芯片温度上升。而电流和温度的增加都会使芯片更容易产生电迁徙，从而对集成电路造成不可逆的损伤。因此长期过度超频可能会造成CPU的永久报废。

曾经有人这样反映：CPU超频到某个频率后，经过近一年的使用一直都很稳定。但是后来有一天就发现了CPU已经无法在这个频率上继续稳定工作。造成这种现象的原因，很可能是过度超频而散热措施不好，尽管CPU体质不错，在较高的温度下也能超到一个较高的频率。但是恶劣的工作环境和超负荷的工作让CPU内部发生严重的电迁徙。虽然没有造成短路或者断路，但是导线已经严重受到损伤，导线电阻Ｒ增大，最终引起布线延时RC（和布线电阻和布线电容有关）增加，导致时序错乱影响CPU正常工作。

一方面CPU集成的晶体管密度的不断提升，造成芯片中的导线密度不断增加，导线宽度和间距不断减小；另一方面CPU频率不断提升，功率逐渐加大而电压却在减小。CPU 运作需要更细的导线去承载更大的电流，铝互连的应用日益受到挑战。因此更低电阻的铜互连将在集成电路的设计和制造中逐步取代原有的铝工艺。

很重要的一点是，铜具有良好的抗电迁徙的特性，几乎不需要考虑电迁徙问题。而目前市面上出售的CPU基本都已采用铜互连工艺。在AMD的Athlon(Thunderbird核心)和Intel的P4(NorthWood核心)发布以后的CPU都采用了铜互连技术，因此大多数人可以不必再为电迁徙而过于担心。

超频后果三：信号变差

前面说过，CPU是信号处理器，主要功能是对数字信号进行处理，其主要工作单元为由晶体管组成的门电路。下图是CMOS集成电路中的一个最基本电路——反相器，其它复杂的CMOS集成电路大多是由反相器单元组合而成。

理论上，CMOS门电路输出的数字信号(也是下一级门电路的输入信号)理想波形的上、下沿都是严格垂直的，从高电平跳变到低电平是突变的，不需要时间。

但是，实际上任何实物集成电路最终的性能都不可能完全达到理论指标。CMOS门电路输出波形也不是严格理论上的”方波”，在电压跳变的过程中，不但输出电压不是严格垂直，而且还需要耗费一定的时间。

Δt是指从高电平到低电平所需要的时间。这是因为CMOS 门电路中几乎无处不在的寄生电容和寄生电阻。而电容器件最重要的一个特性就是，不允许电容器两端的电压突变，而必须有个上升或者下降的过程。只要有寄生电容的存在，Δt的存在就不可避免。通常，寄生电容的主要有以下几种：1)作为输出的晶体管的结电容；2)作为上级负载的下一级输入的晶体管的结电容；3)传输导线之间和晶体管之间的电容。

寄生电阻和寄生电容越小，高低电平的转换时间Δt 在整个信号中占据的百分比越小，实际输出的波形也就越接近于理想波形，集成电路的电气性能就更优秀。它们只能通过制造工艺的提高去减小，而不可能完全消失。高k栅介质(High K gate Dielectric)、SOI工艺绝缘体上硅芯片技术（Silicon On Insulator）、“Low-k”低介电常数绝缘体技术等技术都是为了减小CPU中寄生电容采用的方法，而铜互连则有效减小了CPU 中寄生电阻。然而不容乐观的是，随着集成密度的提高，线宽越来越窄，导线之间和晶体管之间的距离越来越近，晶体管栅极层厚度越来越薄，这几年CPU寄生电容和电阻的增加已经成为CPU制造技术中最难又最亟待解决的问题。

超频的CPU会使信号波形变的更差。因为CPU成品以后，其电容和电阻值都为常数，晶体管的各项参数也已经固定。在信号电压值不变的情况下，信号高低电平的跳变所需要的时间也不变。但是频率的提高会使信号宽度 (占用的时间)变短，最终造成波形进一步恶化。

可以看见，超频以后的信号更加“非理想化”，电平电压不变的时间ΔT 逐渐减小，给信号的辨认造成困难。当频率增加过高．门电路还未达到最高电平和最低电平的电压要求值就开始“跳变”。波形严重失真，并且可能造成信号达不到下一级门电路的触发电压而使整个CPU无法工作。通常，这种过度超频会造成电脑根本无法启动、黑屏等故障。

超频后果四：抗干扰能力减弱

对于大多数超频使用者来说，会有一个理智超频的过程，所以很少会超频到电脑无法启动或者黑屏，更常见的超频后果是造成系统不稳定。CPU在工作过程中死机，重新启动，或者运算出错等等都是不稳定的表现。

既然能够开机工作，说明至少信号波形还没有达到下级电路无法识别的地步，为什么不能够稳定运行呢？这就牵扯到抗干扰能力的问题。

如果CPU在超频以后能够顺利启动，如果在没有外界的干扰，那么做好散热以后，它就能稳定工作。但是CPU是工作在一个不断变化的环境中，有很多来自于外界电子噪声的影响。CPU在超频以后，更高频的信号周期时间更短，超频之前影响不大的干扰信号，在CPU工作在更高频率的时候，可能会变成CPU无法正常工作的罪魁祸首。

可以看到，超频以后的有用信号(红)由于频率高，周期短，有效高电平时间短，在受到干扰以后，造成有用信号整体电压下降，干扰信号(蓝色)与原信号叠加的波形，无法达到要求电压，从而造成下级门电路无法识别信号，CPU无法继续正常工作。

而未超频的信号(绿色)，和干扰信号(蓝色)叠加以后，虽然前半段有用信号整体电压下降，但是后半部分不受影响，仍然能够达到高电平要求电压。尽管波形变化较大，但对于数字信号处理来说，达到高电平电压已经能够触发下级门电路，对于CPU的使用不会有太大影响。

由此可见，原先并无大碍的干扰却可能导致超频的CPU在使用中罢工，所以说超频造成了CPU抗干扰能力的下降。

为了让超频的CPU 能稳定工作，必须尽量减少干扰源。最常见的来源有：大气中的天电、驱动电动机等电气设备或器件及由传感检测系统接收到的输入中混同于信号中的机、电、磁、光和声及电网波动的干扰等等。因此，在信号处理中，伴随信号一定存在噪声，不可能获得没有噪声的“纯净 ”信号。但是，只要保证信号比噪声强度大得多，信号的处理、分析和识别就不会受到显著的影响。使用做工和用料更好的内存、主板和电源，不仅能够更少的吸收外界杂讯，也能确保CPU 输入和输出信号更规则、更纯净。以主板为例，完整的滤波电路、优质的供电稳压电路、合理的走线和布局、良好的散热措施等等，都是一块设计优秀的主板必不可少的件条件，最终都是为了能给CPU提供稳定的工作环境服务。而干扰问题，其实对于本身更高频的CPU也是如此，频率越高的处理器对干扰信号越敏感。LGA775接口的CPU正是为了避免针脚接受外界干扰信号而采用触点设计。

超频后果五：制造干扰

工作在高频率的时候，CPU 、主板等等配件上的导线和元件不仅是干扰信号的接收者，同样也是干扰信号的发射者。存在电流环路的导线就会有辐射产生，简单的电路电流环路发出的辐射发射可用如下等式描述：

Ｅ(μＶ／m)=1.316×A×I×F2/D×S

Ｅ——电场（μＶ／m)；

Ａ——环路面积（cm２）；

Ｉ——环路电流（Ａ）；

Ｆ——频率（ＭＨｚ）；

Ｄ——分隔距离（m）；

Ｓ——屏蔽比率。

从这个关系可以看出，辐射的电场强度（Ｅ）以频率的平方增加。同样CPU经过超频以后，其辐射电场强度(电子噪声)会以频率提高速度的平方增加。

另外，CPU超频的直接结果是功耗增加，温度升高。大多数半导体器件，包括CPU 内部晶体管对温度相当敏感，温度升高会使器件热噪声指数倍增加，性能变差。在超频当中，最常使用的手段之一就是降温，为的就是减少电子器件的热噪声。当使用干冰或液氮制冷的时候，CPU工作在零下上百度的环境中，最大限度的减少了晶体管热噪而使得极限频率得以实现。在CPU 超频过程中，很有趣的现象就是，当温度越高，漏电流就越大；反过来又使温度更高，工作状态会急剧恶化；这是典型的恶性循环。因此温度造成的影响会受到人们极大重视。

其次，超频后CPU对电流的需求更大，因为CPU供电电路和主机电源的动态电阻影响，会造成最终CPU和其它电脑配件两端电压的下降。另外， CPU电流的急剧变化也会造成供电电压的跳变，产生突变信号干扰。也正因为以上原因，很多CPU超频后出错或死机，大多总是在任务最繁重、对电流需求最大的时候。

加电压也是超频中常见手段之一。加电压不但有利于提高信噪比(S/N = 信号电压/噪声电压) ，而且也会在一定程度补偿因为大电流需求造成的电压下降。但是常常会遇见的问题是，当电压增加到一定程度以后，再加电压就没用了。这是因为加电压会让CPU温度快速增加，当热噪声带来的负面影响大于电压增长带来的好处的时候，再加电压就不管用了。

在这里再提一个和电压有关的超频话题——降压超频。很多人提到过一个问题，降压超频会不会造成CPU损坏? 实际上，更低的工作电压不但是人们一直追求的结果，也是制造工艺提高所带来的必然后果。往往都是制造工艺更好的CPU才能工作在更低的电压下，这也是移动版的CPU会比桌面版的成品率低的原因，也是移动版CPU价格昂贵的主要原因之一(还一个主要原因是规模效应)。但是，从来没有见过intel或者AMD宣称过移动版CPU的寿命会比桌面版的低，也从来没有媒体曝光过低压版CPU更容易损坏。

通常CMOS 最高允许工作电压是为了保障集成电路不会因为击穿或过热而烧毁，而最低允许工作电压的意义是为了保障集成电路能够正常运行。事实上,对于CPU内的电子元件来说, 不论是二极管,三极管,电阻,电容等等, 两端加的电压比额定电压小是绝对不会损伤这些器件的。唯一需要考虑的是他们是否能够得到足够的电压和电流去正常工作。只要能够满足降压以后CPU能够稳定运行，那么就不会对其造成额外的硬件损伤。相反，更低的温度反而有利于寿命的延长。

超频适可而止最重要

作为个人如何对待超频行为同样也是因人而异。有的人从来没有进行过超频，出于一种对新事物的好奇和尝试，至少对他们来说是很有意义的；有的人则将超频当成深入了解计算机的途径，以兴趣为指导去获得更多的硬件知识；有的人则将超频作为一个动手动脑的锻炼机会，运用用自己的知识和动手能力去加强协调能力；有的人则是将超频作为一种自我挑战，利于现有的条件或者去创造条件，最大限度的发挥自己的才能去让计算机工作在最有效率的状态。不管是对他们自己，还是对硬件，他们的态度都是：物尽其用……也许有多少种人，就会有多少种对待超频的态度。

需要注意的问题是，并不是每种态度都是正确、必要的，超频应该适可而止。不是每个人都有大量的时间、精力和金钱来投入到超频行为中。至少不要为了超频严重影响了学习和工作的积极性，甚至引起经济损失而引发其它问题。超频也要讲究方法，需要一定的经验和理论指导。最好不要盲目进行或者无限制无常识的去超频，暴敛天物和浪费资源是可耻的。