De grenzen van mITX opzoeken - deel 4

Door mux op vrijdag 10 september 2010 00:24 - Reacties (16)
Categorie: Passief gekoeld mITX Core 2-systeem, Views: 8.008

In deze serie over mijn Mini-ITX-systeem en efficientie van voedingen:
Deel 1 - Deel 2 - Deel 3 - Deel 4 (je bent hier) - Deel 5

Het is geniaal

Werkelijk. Wat je hier gaat lezen is porno voor mensen die met low-power computers bezig zijn. Ik word helemaal warm van binnen. Of eigenlijk koud, want het wordt niet warm. Nouja, you get the point. Waarvan word ik warm danwel koud? Nou, in het kort: Een PC die:

- helemaal passief werkt met de brakste passieve cpu-koeler ooit
- 40W maximaal trekt
- een desktopprocessor heeft die 14W verbruikt onder volle belasting
- ongelooflijk snel aanvoelt door de SSD
- geen enkele concessie doet op het gebied van media
- achter je monitor past
- 200 euro kost

Did I mention it was f*cking fast?
Rustig ademhalen, wat heb je nou gedaan?
In de vorige delen van deze serie over mijn eerste persoonlijke mITX-build kun je lezen dat ik bezig ben met het bouwen van een kleine computer die de taken moet gaan overnemen van een oud barrel dat ik in mijn slaapkamer heb staan. Hij moet stil zijn en gezien ik niet graag halve maatregelen neem, what the heck, laten we eens een gooi doen en het ding helemaal fanless proberen te krijgen. Verder heb ik onlangs van het verboden fruit geproefd - SSDs that is - en als je eenmaal op een computer hebt gewerkt met een SSD moet alles in de hele wereld meteen altijd overal SSDs hebben. Last but not least heb ik een fetisjisme met efficientie, dus moet het ding zo zuinig mogelijk zijn. Een paar extra's die ik nog graag erin wil hebben maar voorlopig nog geen werkelijkheid zijn zijn een ingebouwde voeding en UPS, zoals beschreven in deel 3, maar daar ben ik nog niet aan toegekomen.

Quick recap; dit is de hardware:

#ProductPrijsSubtotaal
1Intel Pentium Dual-Core E5200€ 60,13€ 60,13
1Mini-box M350€ 50,-€ 50,-
1Intel Desktop Board DG45FC€ 115,-€ 115,-
2Kingston ValueRAM KVR800D2N6/2G€ 37,87€ 75,74
1Mini-box PicoPSU 80€ 27,80€ 27,80
1Intel Postville X25-V SSDSA2M040G2C1 40GB€ 93,17€ 93,17
Bekijk collectie
Importeer producten
Totaal€ 421,84


In werkelijkheid heb ik dit tweedehands gekocht en er bij elkaar zo'n 200 euro voor betaald. Aandachtige lezers(yeah right) zullen zien dat de processor is veranderd van een E3300 naar een E5200.

De bouw ging heel voorspoedig; fysiek de spullen in elkaar zetten was zo gepiept. Het enige probleem wat je dan hebt is dat er - zelfs met een picopsu - nog best wat kabels door je computer lopen en gezien ik de intentie heb passief te draaien moet alles maar dan ook werkelijk ALLES geoptimaliseerd zijn voor airflow. Die kabels moeten worden weggewerkt. (alle foto's klikbaar)







De ATX12V lijn is omgeleid onder het bord door, de SATA-kabel is flink ingekort en bijgebonden en de sata power-kabel is *heel* dun gemaakt (loopt toch nagenoeg geen stroom doorheen). De powerkabel die van achteren komt is ook wat langer gemaakt en er is een extra connector intern gemaakt zodat ik later daar de adapter op kan aansluiten. Verder zie je een Skivetek/Nexus PHT-7750 zitten, de grootste kutkoeler ter wereld. Maar zelfs deze - regelmatig als SLECHTER dan de intel HSF geteste - butkoeler kan de processor *net* genoeg koelen onder belasting, met alle voltmods die ik heb gedaan. Zodra ik mijn handen op een betere koeler krijg is dit systeem zeker weten passief gekoeld te krijgen.
Prestaties
Maar voordat we daarnaartoe gaan, eerst even een idee van de prestaties van dit systeem. Ik heb de SSD geformatteerd met een live-distributie van GParted op een usb-stick, met 1MB vóór de partitie, die verder de hele 40GB van mijn X25-V inneemt. De partitie is dus ge-aligned en dat kun je zien, want de prestaties zijn helemaal top:



Dit is te merken. De installatie van een (ge-n-litede) Windows XP duurde inclusief twee herstarts 4:30 minuten. Je leest het goed - vier en een halve minuut om een besturingssysteem te installeren. Absurd!

Vergeef me als ik de SSD-fanboy hier lijk uit te hangen - maar SSDs zijn gewoon echt de bom. Programma's opstarten - zelfs CATIA en matlab, ongeveer de langzaamste programma's ooit om op te starten (CATIA op mijn laptop: 3 minuten, matlab: 35 seconden) starten beide binnen 10 seconden. Je kunt letterlijk niet snel genoeg programma's aanklikken om ze op te starten.

Ik heb geen benchmarks verder want die kun je elders prima vinden; ik heb niet ge-underclockt of anderszins de prestaties van het systeem gemangeld (behalve door het gebruik van 1 latje 2GB geheugen waardoor het in single channel loopt).

Het heeft nog wel zin om even aan te stippen dat ik er een redelijk getweakte XP op heb gezet: hij is met nlite ontdaan van alle niet-essentiele dingen, er draait geen firewall of virusscanner op (shoot me) en bij het opstarten word je dan ook gegroet met een geheugengebruik van om en nabij de 100 MB:

Het undervoltverhaal
Dan nu het interessantste deel. Dit systeem is van zichzelf niet echt heel bijzonder zuinig... ik heb zuiniger gezien zeg maar. Stock, EIST aan, doet de processor 1200MHz idle bij 1.1V en 2500MHz load bij 1.275V. Hierop is aan te merken dat het al een vrij knappe processor is wat spanning betreft: vroege 45nm-procs liepen op 1.3 of zelfs 1.35V stock (ook E5200's). Ik heb geluk.

Iets waar ik al heel snel tegenaan liep was dat Intel in al zijn wijsheid undervolten nagenoeg onmogelijk heeft gemaakt. In het BIOS van de DG45FC zijn geen over- of underclockmogelijkheden ingebouwd en ook als je met RMClock gaat klooien in windows krijg je niks onder de 1.1V gedaan. Dramatisch, want deze procs willen nog wel eens teruggaan naar 0.85V - gezien processorvermogen proportioneel is met de spanning in het kwadraat zou dat theoretisch bedenken dat ik (0.85^2/1.1^2)~0.6 keer het verbruik zou moeten krijgen met zo'n undervolt - een besparing van 40%! Hé, dat laat ik me niet door mijn neus boren!

Dus, wat doe je als de software het niet toelaat? Juistem, we gaan hard-core hardware mods (pun intended) uitproberen. Ik zal even uitleggen wat er gebeurt; naast je processor zitten VRMs (voltage regulator modules); apparaten die de 12V uit de ATX12V stekker omvormen naar de spanning die je processor lust. Een controllerchip stuurt deze VRMs aan en de controllerchip op zijn beurt krijgt via zogenaamde VID-lijnen gesignaleerd, vanuit de processor, welke spanning hij moet maken. De VID-lijnen zijn 8 lijntjes - VID0 t/m VID7 - die samen een 8-bit getal maken. In VID-taal betekenen alle getallen boven 178 en de getallen 0 en 1 dat de VRMs uit moeten. Het gebied van 2 t/m 178 correspondeert met een spanning van 1.6 tot 0.5V (oplopende VIDs betekenen dus lagere spanningen). De processor zegt dus welke spanning hij wil van de VRM-controller, en deze voert dit uit. Alle lijnen zijn fysiek aangesloten en in de processor zelf is ook nagenoeg geen beperking geimplementeerd. Waarom kan ik op dit moederbord dan niet minder dan 1.1V instellen?

Dat komt door de manier waarop RMClock - en elk ander gelijksoortig programma - doorgeeft welke spanning er moet worden gemaakt. Dit gaat namelijk via een software-interface ACPI, en ACPI praat niet direct met de processor maar met het BIOS. In het BIOS is geprogrammeerd dat VIDs onder 1.1V niet mogen en binnen de software is er dan ook geen enkele manier om tegen de processor te zeggen dat hij de VID lager moet zetten, zelfs terwijl dit fysiek mogelijk zou moeten zijn.

Door RMClock en CPU-Z te observeren ben ik erachter gekomen dat het BIOS de VIDs beperkt tussen 50 en 82. Dat is heel mooi, want als je dit binair bekijkt zijn alle getallen vanaf 64 t/m 82 getallen waarin de zesde bit - VID5 - laag is. Waarom is dit mooi? Laat staan heel mooi?

Nou, het leuke is dat je deze VID-pinnen kunt afdekken op de processor, en als je dat doet dan wordt de betreffende bit automatisch hoog, terwijl de processor hem misschien laag zou willen hebben. Effectief maak je dan van de getallen 64 t/m 82 getallen die 32 hoger zijn: 96 t/m 114. En deze hogere getallen representeren een lagere Vcore, precies wat wij willen hebben. As luck would have it zijn deze spanningen ook nog eens precies in de regio waar we de processor willen hebben: tussen de 0.85 en 1V.

Ik heb dus een plakbandje over de betreffende pad geplakt (gaat heel makkelijk, gewoon een vierkantje uit een plakband snijden en met een mes op de juiste pad plakken, en processor weer in de socket stoppen). Je kunt de pinout van socket 775 hier vinden als je het zelf ook wilt proberen.

Als je het niet helemaal gevolgd hebt: ik laat nu dus de computer dénken dat hij 1.1-1.2125V instelt, maar eigenlijk, doordat ik VID5 heb afgeplakt, doet hij met die instellingen 0.8938-1.00625V. Op die manier kan ik gewoon met RMClock spelen en alsnog lagere spanningen genereren.

Zo gezegd, zo gedaan, na een uur of twee undervolten ben ik op een spanning van 0.89375V idle en 0.91875V load uitgekomen:





De spanning zakt een beetje in onder belasting, CPU-Z geeft dan ook een iets lagere spanning aan dan ingesteld. Dat mag, dat heet Vdroop en is netjes gespecificeerd in Intel's documenten.

Op dit moment deed de computer ongeveer 45-50W onder volle belasting (OCCT+Furmark), en dat vond ik nog steeds pittig. Dat betekende dat hij ongeveer 40W DC trok en dat is op de rand van moeilijk passief te koelen. Het moest zuiniger. De northbridge - een G45 65nm chip - moest worden geundervolt; en dat kan niet zomaar. Er is namelijk geen software control en ik weet precies waarom; de VRM voor de northbridge is een supersimpel dingetje (Intersil ISL6545) dat geen software-control heeft. Hier kon ik niet om een hardwaremod heen, en wel van het soort waarvoor je moet solderen.



Ik kan hier diep op ingaan maar eerlijk gezegd is dit best een riskante mod en heeft het me wat moeite gekost om hem goed te krijgen. Normaal loopt de NB op 1.225V, ik heb hem op 1.000V gekregen door het toevoegen van één SMD weerstand. Totale besparing dus wederom een grove 40% op het verbruik van de NB.
Metingen
De hoofdreden dat het een week heeft geduurd sinds de laatste update is omdat ik heb gewacht op mijn meetapparatuur. Speciaal voor dit doel vond ik het tijd worden om eens een serieuze multimeter aan te schaffen:



Deze heb ik voor 85 euro van Marktplaats getrokken. Nieuwwaarde zit in de buurt van de 200 euro (met de accessoires die ik erbij heb gekregen) - dat is dus best een aardige deal. Maar de deal is eigenlijk nog veel mooier dan je je kunt voorstellen, ik heb namelijk dit keer zaken gedaan met een nieuw hoogtepunt in dit bijna zoetsappige verhaal van positieve ervaringen met tweedehands artikelen. Bij mijn pakketje zat namelijk dit briefje:



Die extra meetpennen... dat was sowieso al een onzeker extraatje. Voor het geval hij ze kon terugvinden. Nou, hij kon ze niet terugvinden, elke andere verkoper (die bovendien die meter in absolute nieuwstaat voor een prikkie wegdoet) zou met weerzin het pakketje op de bus doen en hopen dat er niks misgaat onderweg. Niet deze held. Hij is een man van zijn woord en krijgen zal ik die meetpennen!

Ziehier de romantische pracht van het tweedehandscircuit. Hartverwarmend!

Anyway, emoties zijn voor emo's, we hebben metingen te verrichten! Ik wilde wel eens weten of ik in de buurt kwam van het bijna ontstellend lage energieverbruik dat x-bit labs postte met hun E3300 en E5200-tests: 20 resp. 30W onder full load. Gezien ik de processors op een fabelachtig lage spanning heb laten lopen en verderop ook nog flink wat heb gemod verwachtte ik dat ik er wel onder zou komen zelfs. Nou, dat deed ik hoor.

Ik heb de Fluke 111-multimeter met behulp van een zelfgemaakt T-stukje aan de ATX12V gehangen en zodoende het verbruik van de VRMs+CPU gemeten. Dit zijn de resultaten:

code:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Idle

2.220W MIN
2.448W AVG
4.080W MAX

Load 1.2GHz

7.128W MIN
8.052W AVG
8.496W MAX

Load 2.5GHz

11.328W MIN
13.832W AVG
14.820W MAX


Dit keer geen meetfouten, dit is een true RMS, op 1,5% precisie getrimde multimeter. Dit is het verbruik van de processor alleen bij idle (desktop), load underclocked (OCCT) en full load (OCCT).

Dit is geweldig maar ook opmerkelijk: uit het stopcontact verbruikt dit systeem om en nabij 40W onder volle belasting wat betekent dat er ongeveer 35W DC wordt getrokken. Gezien de processor nog niet eens 15W maximaal kan trekken betekent dit dus dat de rest van het systeem - de NB en ICH10R, RAM en andere peripheral chips - meer verbruikt dan de processor, en significant. Idle is dit verschil nog groter.
Conclusie
Ik kan het niet vaak genoeg herhalen - ik ben ontzettend blij met hoe deze configuratie heeft uitgepakt. Zonder dure MoDT of bagger-Atom onderdelen te gebruiken heb ik een systeem gemaakt dat zelfs onder onrealistisch hoge belasting (het is bedoeld voor casual internet-gebruik, schrijftaken, light gaming) niet meer dan 40W uit het stopcontact trekt. Het is goedkoop (om en nabij 200 euro tweedehands), beter dan nieuw (extra meuk, lieve verkopers, not to mention razendsnelle levering, menig webshop doet er langer over) en uitnodigend om te modden. Het systeem is ontzettend responsief en je kunt een Pentium Dual-Core E5200 moeilijk langzaam noemen. En hij is helemaal 100% stil. Het systeem past bovendien achter je scherm. Kortom, als HTPC of bij-computer... misschien zelf als hoofdcomputer: een geweldige keuze.

Echter, ik noem deze blog 'de grenzen van mITX opzoeken'... dat heb ik nog niet helemáál gedaan. De CPU-koeler is brak en koelt op het randje (koelresultaten komen in een volgend deel). Ik heb ge-undervolt tot het einde, in die zin heb ik de grenzen wel opgezocht, maar ondanks alles heb ik nog geen Atom-esque verbruikscijfers te pakken. Then again, we hebben het hier over een 5x zo snelle processor en capabele chipset (dit bordje kan RAID met 4 schijven - stel je eens voor: 4 SSDs in RAID in zo'n kastje!).

Je had het al kunnen raden, dit is niet het laatste deel. Sterker nog, dit deel van het blog is eigenlijk ook nog niet heel netjes af. Daarom wederom mijn oproep: Wijs mij op onjuistheden, missende dingen, Godwins, etc.. We willen immers niet dat het hier een concentratiekamp wordt<--ha, die heb ik er zelf al mooi uitgefilterd. Dat hoeft niet meer in de comments hoor! Ik had hem mooi te pakken!

In deze serie over mijn Mini-ITX-systeem en efficientie van voedingen:
Deel 1 - Deel 2 - Deel 3 - Deel 4 (je bent hier) - (geen nieuwe delen)

Volgende: De grenzen van mITX opzoeken - deel 5 10-'10 De grenzen van mITX opzoeken - deel 5
Volgende: De grenzen van mItx opzoeken - deel 3 09-'10 De grenzen van mItx opzoeken - deel 3

Reacties


Door Tweakers user Spesh, vrijdag 10 september 2010 00:41

Erg aardige verkoper, waren er daar maar meer van.

De E5200 is een geniale cpu, kost niks en je kan hem heel zuinig maken maar ook behoorlijk goed overclocken.

Door Tweakers user D.oomah, vrijdag 10 september 2010 00:47

Laat je dat kastje zo open? Het lijkt me als je hem dicht doet dat de airflow dan helemaal weg is en de koeler niet genoeg kan koelen.

En ssd's zijn echt heilig. Zelfs mijn 5 jaar oude pentium D 3.0 GHz voelt sneller aan met ssd dan mijn C2D E8400 met de 'ouderwetse' HDD.

Door Tweakers user DarkKnight, vrijdag 10 september 2010 01:15

Hmm, opzich is dit wel een erg interessant project. Ik heb binnenkort een paar maanden 'vrij' (lees: Klaar met uni, en geen zin onwaarschijnlijk om direct een baan te hebben) plus wat geld (redelijk wat geld... dank u idiote Eneco) over om te spenderen. Misschien dat ik ook eens zo'n soort iets moet gaan doen, maar dan volledig als media center ofzo. Tips, ideeën, etc mogen zeker gePM'd worden trouwens.

[Reactie gewijzigd op vrijdag 10 september 2010 01:15]


Door Tweakers user n0elite, vrijdag 10 september 2010 02:39

_O_ Leuk project en mooie resultaten. Ik ben ook met zoiets bezig maar dan iets anders :)

Door Tweakers user Sloeber, vrijdag 10 september 2010 08:21

Interessant om te lezen. En ik schoot even in de lach bij: Emoties zijn voor emo's, we hebben metingen te verrichten }>

Door Tweakers user mux, vrijdag 10 september 2010 08:52

D.oomah schreef op vrijdag 10 september 2010 @ 00:47:
Laat je dat kastje zo open? Het lijkt me als je hem dicht doet dat de airflow dan helemaal weg is en de koeler niet genoeg kan koelen.
Nee, het kastje was alleen open voor de foto.

Door Tweakers user TheFes, vrijdag 10 september 2010 09:11

Je moet bij deel 1 t/m 3 deel 4 nog toevoegen ;)

Door Tweakers user Snowmiss, vrijdag 10 september 2010 10:37

Ik blijf het volgen ;)

Door Tweakers user Wimbo, vrijdag 10 september 2010 11:03

Ik blijf dit even volgen. :)

Kijken of ik mijn MiniITX ook zuiniger kan maken.
(Celeron E3200 CPU & Commell LV-678 Mobo)

Door Tweakers user Infant, vrijdag 10 september 2010 11:21

Psst. De 2e foto linkt naar de eerste foto....

Processorpinnen afplakken en smd-weerstanden erbij beunen is wel weer A+ niveau modden hoor.

Als je toch zo veel pc's hebt, kun je er wellicht over gaan denken om een grote 12V lijn aan te leggen??? (Met 25mm^2 uiteraard....., of door de verwarmingsbuizen....)

Mijn PC trekt uit het stopcontact 120 Watt. (De voeding is 450W rated. )
Interessant genoeg.... als ik een 20W halogeen aansluit op de PC.... gebruikt hij ook 120 Watt...... :)

[Reactie gewijzigd op vrijdag 10 september 2010 11:35]


Door Tweakers user Dreamvoid, vrijdag 10 september 2010 11:35

15W max voor een CPU die voor 65W TDP in de Intel spec sheetjes staat. Nice! Dat bij zulke laag cpu gebruik de rest van je systeem de grote stroomvreter wordt is logisch, tenzij je je USB poorten nog wilt undervolten is daar niet makkelijk winst te behalen. Je zou nog wat ongebruikte chips van het bord af kunnen trekken (de geluidschip), maar de meeste dingen heb je ws gewoon nodig (netwerk, USB, etc). Overigens: is de G45 igp nog wel vol te belasten met dat lage voltage? Boeit natuurlijk niet voor een headless-of-text-mode-only server, maar toch...

Je zit met 35W in de behuizing (en 5W in de adapter) denk ik wel aan de grenzen van passief koelen. Dat zal deel 5 dan wel brengen: hoe warm wordt dit systeem?

(overigens zit je met deze verbruiken op Mac Mini niveau, die volledig uit laptop hardware is opgetrokken en niet fanless is - impressive!).

Trouwens, idee om eens Windows 7 (zonder licensie blijft-ie 30 dagen werken) installeren, kan je kijken of het energiebeheer werkelijk wat beter geworden is?

[Reactie gewijzigd op vrijdag 10 september 2010 16:43]


Door Tweakers user mux, vrijdag 10 september 2010 11:51

@Infant: ja, als ik tijdens mijn PhD verhuis naar iets anders is het eerste op de agenda: 12V DC aanleggen! En over je voeding... waarschijnlijk is hij zo inefficient dat als je er niks aan hangt, hij ook 120W verbruikt :P hehe... Kan natuurlijk ook aan je stroommeter liggen (of... je gebruikt toch plugwise? Die is true rms, zou goed moeten zijn...)

@Dreamvoid: Ja, je merkt ook echt dat dit op het randje is. De temps staan niet in deze blog omdat ik er nog niet klaar mee ben, de koeler die je ziet zitten houdt de airflow tegen en als ik het systeem passief belast zegt OCCT ook na ongeveer 21 minuten dat de proc de 80 graden heeft bereikt. Voor een gemiddelde workload (ruwweg 27W) werkt het prima, en daarom zeg ik ook dat het nèt wel gaat, maar het is teveel op het randje. Ik zou niemand dit aanraden.

En die mac mini... die is nog wel wat zuiniger in idle, hoewel het niet veel scheelt. Absoluut minimumverbruik 8W, typisch (schijf aan enzo) 15W. Het verschil in prestaties echter is behoorlijk groot - ik denk dat dit systeem, zeker met z'n SSD, wel minstens 50% sneller is, en fanless, en veel goedkoper. Ik zoek nog een adapter die over de 90% efficientie gaat om in de behuizing te bouwen. Zodra dat is gedaan (en ik een andere cpu-koeler heb, en hopelijk een UPS heb ingebouwd) komt het laatste deel van mijn blog met een 'af' systeem, samen met een horde foto's waar je niet goed van wordt, vergelijkingsmateriaal en -metingen, dat soort shit. Misschien tussendoor nog een blog met een oproep om voedingen, meetapparatuur, dat soort dingen.

[Reactie gewijzigd op vrijdag 10 september 2010 11:52]


Door Tweakers user Bolletje, vrijdag 10 september 2010 21:39

E5200 is één van de leukste processoren die ik sinds tijden had gekocht (ofja, ik heb hem nu ook al een tijdje). Je kan hem leuk underclocken, maar overclocken gaat er ook heerlijk mee.

Erg goedkoop en de prestaties zijn erg goed te noemen (zoals je al zegt is die underclockt toch een flink stuk sneller dan een Atom).

Ik merk ook bij mijn setup (G31 bord) dat die NB nog erg warm wordt. Daar gaat dus veel energie in zitten.

Door Tweakers user mux, vrijdag 10 september 2010 23:12

Ja, ik heb gelezen dat mensen hem op 1.1 of 1.15V zelfs richting de 4GHz krijgen, en op stock gemakkelijk eroverheen tillen. Dit bordje is daar niet geschikt voor (3 stroomfasen, ik waag het niet), maar anders had ik ook wel even gekeken hoe ver hij overclockt.

Door Tweakers user Opperpanter2, donderdag 2 juni 2011 00:47

Heb je toevallig een link naar de post op x-bit labs? Kan hem zelf niet vinden (google ook niet).

Door Tweakers user mux, donderdag 2 juni 2011 12:23

Ik kan hem ook even zo snel niet vinden (heb hem al een tijdje geleden uit mijn bookmarks gegooid zoals je wel zult begrijpen). Er zijn wel meer sites die CPU-only power hebben gemeten:

http://www.behardware.com/art/imprimer/745/

Om te kunnen reageren moet je ingelogd zijn. Via deze link kun je inloggen als je al geregistreerd bent. Indien je nog geen account hebt kun je er hier één aanmaken.