Core i9-13900K и Ryzen 9 7950X на диете: снижаем потребление и температуры

Выход потребительских процессоров с архитектурами Raptor Lake и Zen 4 щедро плеснул масла в огонь извечного противостояния поклонников AMD и Intel. Если раньше большинство споров велось о производительности и справедливых ценах платформ разных производителей, то новые CPU поставили во главу угла ещё одну неисчерпаемую тему — нагрев. Зайдите для примера в комментарии к обзорам Core i9-13900K или Ryzen 9 7950X, и увидите, что температуры и тепловыделение теперь волнуют пользователей чуть ли не сильнее, чем быстродействие.

И такая перемена произошла не просто так. Дело в том, что и AMD, и Intel коренным образом поменяли своё отношение к тому, насколько энергоэффективными должны быть старшие процессоры для энтузиастов. Новый принцип можно кратко описать фразой «скорость любой ценой». Оба производителя фактически закрыли глаза на температуры и потребление и отказались от оптимизации удельной производительности в пересчёте на ватт, которая ещё совсем недавно использовалась в качестве весомого маркетингового аргумента. В результате Core i9-13900K и Ryzen 9 7950X стали чемпионами по нагреву, причём со значительным отрывом от предшественников. Однако стратегию «скорость любой ценой» AMD и Intel в своих процессорах реализуют по-разному, и эти отличия стали одной из причин появления настоящего материала.

Intel с выходом Raptor Lake просто отодвинула границу разрешённого энергопотребления CPU как можно дальше, лишь бы в природе существовали серийные системы охлаждения, способные рассеивать такое количество тепла. В результате Core i9-13900K получил максимальное потребление на уровне 253 Вт, и в многопоточных нагрузках он действительно способен выделять такое количество тепла, если, конечно, система охлаждения достаточно эффективна, чтобы не допустить перегрева процессора в этих условиях.

У AMD подход иной: во флагманских процессорах Ryzen 7000 она решила ограничивать не потребление, а температуру. Верхняя граница потребления у Ryzen 9 7950X существует, однако это чисто формальная и ничего не значащая величина. А в реальности производительность Ryzen 9 7950X лимитируется 95-градусным пределом — процессору просто запрещено нагреваться сильнее.

С учётом этих ограничений (у Intel по потреблению, а у AMD — по температуре) у флагманских процессоров выстраивается автоподстройка тактовой частоты. Процессорам запрещается перешагивать через установленные лимиты, и, если они пытаются это сделать, им принудительно сбрасывают тактовую частоту. Но если потребление или температура не достигают максимумов, никакой корректировки частотной формулы не происходит.

Отличия в подходах AMD и Intel к воплощению принципа «скорость любой ценой» обусловлены техническими особенностями их продукции. Intel для производства своих актуальных CPU использует техпроцесс Intel 7 — суть производственную технологию с 10-нм нормами. К тому же флагманские Raptor Lake имеют монолитный полупроводниковый кристалл довольно большой площади — 257 мм². Снимать тепло с такого кристалла не так уж и сложно, даже если его тепловыделение превосходит 250 Вт. Это позволило Intel в какой-то мере переложить борьбу с нагревом на плечи пользователей, которые могут действовать исходя из здравого смысла: если температуры CPU кажутся высокими, значит, нужен кулер помощнее.

У AMD ситуация совсем иная. Флагманские процессоры Ryzen 7000 состоят из трёх чиплетов — двух 5-нм кристаллов CCD и одного 6-нм чиплета с логикой ввода-вывода. Суммарная площадь горячих кремниевых кристаллов с вычислительными ядрами составляет всего 140 мм², и со съёмом двух сотен ватт тепловой энергии со столь небольшой поверхности возникают заметные проблемы. Реальность такова, что, сколь бы ни была эффективна система охлаждения, температуры Ryzen 7000 всё равно будут высокими, поскольку выделяемое кристаллами CCD тепло не успевает передаваться на теплораспределительную крышку CPU и далее на подошву системы охлаждения. Это вынудило AMD ввести ограничение на максимальную температуру, и в итоге Ryzen 9 7950X под нагрузкой почти всегда работает при 95 градусах с любым охлаждением, несмотря на то что его реальное потребление довольно сильно не дотягивает до записанного в спецификации максимума в 230 Вт.

Коротко говоря, из-за разницы в дизайне и техпроцессах Core i9-13900K потребляет и выделяет тепла заметно больше, чем Ryzen 9 7950X, однако рабочие температуры флагманского процессора AMD заметно выше. Неудивительно, что такое положение дел порождает бесконечные споры, какой из двух флагманских процессоров в действительности следует считать более горячим. Но так или иначе, с высоким нагревом CPU приходится иметь дело и владельцам Core i9-13900K, и обладателям Ryzen 9 7950X. И чтобы прояснить, кому из них живётся легче, мы решили провести отдельное тестирование энергоэффективности актуальных флагманов.

В этой статье мы посмотрим, как масштабируется производительность процессоров при ограничении их температур и потребления, а также сравним их между собой в экономичных режимах, когда они искусственным образом загоняются в жёсткие рамки урезанного электрического и теплового бюджета.

⇡#Как Core i9-13900K и Ryzen 9 7950X сделать холодными

AMD и Intel позаботились о том, чтобы пользователи их процессоров имели возможность отрегулировать потребление и температуры по своему желанию. Эти настройки важны не только для искусственных экспериментов, но и могут пригодиться на практике в том случае, когда от системы необходимо добиться лучшей энергоэффективности из соображений экономии или нужно снизить нагрев процессора, исходя из возможностей имеющейся системы охлаждения.

Максимальное потребление процессоров Intel задаётся двумя константами PL1 и PL2, которые ограничивают долговременное и кратковременное потребление CPU соответственно. Кроме того, влияние на потребление оказывает также и переменная Tau, определяющая продолжительность действия кратковременного предела PL2. Все эти три величины доступны для изменения в BIOS материнских плат.

Для Core i9-13900K обе величины, PL1 и PL2, по умолчанию предполагаются равными 253 Вт. Однако их можно как увеличивать, так и уменьшать. В первом случае процессор получит возможность развивать более высокую производительность, но при этом будет нагреваться сильнее. Во-втором, напротив, в ущерб производительности он станет экономичнее.

Также в BIOS современных LGA1700-материнских плат есть настройка максимальной температуры процессора. С её помощью можно изменить температурную границу, при достижении которой в CPU активируется троттлинг. По умолчанию эта температура установлена в 100 градусов, но её можно сместить вверх вплоть до 115 градусов или понизить до 62 градусов. Управление этой величиной — альтернативный способ выбора желаемого температурного режима процессора.

Стоит упомянуть, что изменение пределов PL1 и PL2 и предельной рабочей температуры доступно не только через BIOS, но и программным образом из операционной системы. Соответствующие настройки можно найти в универсальной конфигурационной утилите Intel XTU (Extreme Tuning Utility), которая подходит для любых LGA1700-материнских плат и доступна для скачивания с сайта Intel.

Похожие ограничения потребления применимы и для процессоров AMD. Их максимальное потребление задаётся одной величиной PPT (Package Power Tracking), которая относится к числу ключевых параметров технологии Precision Boost Overdrive. Доступ к её изменению тоже возможен через настройки BIOS материнской платы.

AMD жёстко связывает максимальное потребление своих процессоров с тепловым пакетом, и по спецификации предел PPT должен быть равен 1,35∙TDP. Иными словами, максимальное потребление Ryzen 9 7950X с TDP, установленным в 170 Вт, по спецификации не должно превышать 230 Вт. Однако этот предел можно сместить вверх или вниз. И если его увеличение вряд ли имеет смысл по изложенным выше причинам, то снижение способно сделать Ryzen 9 7950X и экономичнее, и холоднее.

Но, как и в случае с процессорами Intel, существует и другой путь. В Ryzen 7000 производитель открыл возможность прямого назначения предела температуры CPU, составляющего по умолчанию 95 градусов. Через настройки BIOS это ограничение можно сместить вниз вплоть до 60 градусов, что заставит процессор агрессивнее сбрасывать частоту и напряжение питания при высоких нагрузках.

Предлагаемая AMD фирменная утилита Ryzen Master аналогично Intel XTU имеет возможности для управления пределом PPT и максимальной температурой. Таким образом, умерить аппетиты Ryzen 9 7950X можно не только через BIOS материнской платы, но и программно из Windows.

Часто вместе с ограничением потребления или температур рекомендуется попытаться снизить и напряжение питания процессора. Такой совет не лишён смысла — энергопотребление процессора связано с напряжением квадратичной зависимостью, поэтому следование ему в условиях ужесточения ограничений по потреблению и температуре может позволить процессору при прочих равных работать на более высокой частоте. Но можно обойтись и без этого. Напряжение современных процессоров не является постоянным, оно зависит от частоты, и, когда частота процессора снижается из-за действия каких-либо лимитов, автоматически падает и напряжение. Иными словами, поскольку даунвольтинг требует проведения сложных и довольно продолжительных тестов на стабильность, им вполне можно пренебречь. Современные процессоры при возможности снижают напряжение самостоятельно, причём с 100-процентной гарантией сохранения стабильности работы.

⇡#Описание тестовой системы и методики тестирования

В этом тестировании мы поставили перед собой цель оценить, насколько оправданны для Core i9-13900K и Ryzen 9 7950X те температуры и пределы потребления, которые для них выбрали производители, и можно ли их снизить без существенного ущерба для быстродействия. Для этого мы посмотрим, как производительность актуальных флагманов масштабируется при ограничении потребления и температур и есть ли смысл мириться с присущими им при работе в номинальном режиме аппетитами.

При измерении зависимости производительности от максимального разрешённого потребления Core i9-13900K и Ryzen 9 7950X были протестированы в семи режимах: при работе с полностью отменёнными пределами, при действующих номинальных лимитах 253 и 230 Вт соответственно, а также при энергопотреблении, ограниченном величинами 180, 125, 90, 65 и 45 Вт. В случае измерения зависимости быстродействия от максимальной температуры использовались паспортные пределы 100 и 95 градусов соответственно, а также ряд более строгих ограничений: 90, 80, 70 и 62 градуса.

В составе тестовых систем использовалось следующее оборудование:

• Процессоры:
  • AMD Ryzen 9 7950X (Raphael, 16 ядер, 4,5-5,7 ГГц, 64 Мбайт L3);
  • Intel Core i9-13900K (Raptor Lake, 8P+16E-ядер, 3,0-5,8/2,2-4,3 ГГц, 36 Мбайт L3).
• Процессорный кулер:
  • Noctua NH-D15;
  • кастомная СЖО EKWB.
• Материнские платы:
  • ASUS TUF Gaming Z690-Plus WiFi (LGA1700, Intel Z690);
  • MSI MPG X670E Carbon WiFi (Socket AM5, AMD X670E).
• Память: 2 × 16 Гбайт DDR5-6000 SDRAM, 32-38-38-80 (Kingston Fury Renegade DDR5 RGB KF560C32RSAK2-32).
• Видеокарта: GIGABYTE GeForce RTX 4090 Gaming OC (AD102 2235/2535 МГц, 24 Гбайт GDDR6X 21 Гбит/с).
• Дисковая подсистема: Intel SSD 760p 2 Тбайт (SSDPEKKW020T8X1).
• Блок питания: ASUS ROG-THOR-1200P (80 Plus Titanium, 1200 Вт).

Тестирование выполнялось в операционной системе Microsoft Windows 11 Pro (22H2) Build 22621.607 с использованием следующего комплекта драйверов:

• AMD Chipset Driver 4.11.15.324;
• Intel Chipset Driver 10.1.19199.8340;
• NVIDIA GeForce 528.24 Driver.

Описание использовавшихся для измерения вычислительной производительности инструментов:

Приложения:

• 7-zip 22.00 — тестирование скорости архивации. Измеряется время, затрачиваемое архиватором на сжатие директории с различными файлами общим объёмом 4,6 Гбайт. Используется алгоритм LZMA2 и максимальная степень компрессии.
• Adobe Photoshop 2023 24.0.0 — тестирование производительности при обработке графических изображений. Используется тестовый скрипт PugetBench for Photoshop V0.93.6, моделирующий базовые операции и работу с фильтрами Camera Raw Filter, Lens Correction, Reduce Noise, Smart Sharpen, Field Blur, Tilt-Shift Blur, Iris Blur, Adaptive Wide Angle, Liquify.
• Adobe Premiere Pro 2023 23.0.0 — тестирование производительности при редактировании видео. Используется тестовый скрипт PugetBench for Premiere Pro V0.95.6, моделирующий редактирование 4K-роликов в разных форматах, применение к ним различных эффектов и итоговый рендер для YouTube.
• Blender 3.3.1 — тестирование скорости финального рендеринга в одном из популярных свободных пакетов для создания трёхмерной графики. Измеряется продолжительность построения финальной модели classroom из Blender Benchmark.
• Handbrake 1.6.1 – тестирование скорости транскодирования 2160p@24FPS AVC-видео с битрейтом около 42 Мбит/с в более продвинутые форматы. Используются программные кодировщики x265 и AV1 (SVT).
• Microsoft Visual Studio 2022 (17.4.1) — измерение времени компиляции крупного MSVC-проекта — профессионального пакета для создания трёхмерной графики Blender версии 3.3.0 Alpha.
• V-Ray 5.00 — тестирование производительности работы популярной системы рендеринга при помощи стандартного приложения V-Ray Benchmark Next.

Игры:

• Cyberpunk 2077. Разрешение 1920 × 1080: Quick Preset = Ultra + RayTracing: Medium.
• Far Cry 6. Разрешение 1920 × 1080: Graphics Quality = Ultra, HD Textures = On, Anti-Aliasing = TAA, DXR Reflections = On, DXR Shadows = On.
• Hitman 3. Разрешение 1920 × 1080: Super Sampling = 1.0, Level of Detail = Ultra, Texture Quality = High, Texture Filter = Anisotropic 16x, SSAO = Ultra, Shadow Quality = Ultra, Mirrors Reflection Quality = High, SSR Quality = High, Variable Rate Shading = Quality.
• Hogwarts Legacy. Разрешение 1920 × 1080: Global Quality Preset = Ultra, Ray Tracing Reflections = On, Ray Tracing Shadows = On, Ray Tracing Ambient Occlusion = On, Ray Tracing Quality = Ultra.
• Marvel’s Spider-Man Remastered. Разрешение 1920 × 1080: Preset = Very High, Ray-Traced reflection = On, Reflection Resolution = Very High, Geometry Detail = Very High, Object Range = 10, Anti-Aliasing = TAA.
• Shadow of the Tomb Raider. Разрешение 1920 × 1080: DirectX12, Preset = Highest, Anti-Aliasing = TAA.
• The Witcher 3: Wild Hunt. Разрешение 1920 × 1080: Graphics Preset = RT Ultra.
• Watch Dogs Legion. Разрешение 1920 × 1080: DirectX 12, Quality = Ultra, RTX = Off, DLSS = Off.

Во всех игровых тестах в качестве результатов приводится среднее количество кадров в секунду, а также 0,01-квантиль (первая перцентиль) для значений FPS. Использование 0,01-квантиля вместо показателей минимального FPS обусловлено стремлением очистить результаты от случайных всплесков производительности, которые были спровоцированы не связанными напрямую с работой основных компонентов платформы причинами.

⇡#Ограничение потребления и падение производительности

Из-за того, что в течение последних нескольких лет производители активно наращивали дозволенные спецификациями тепловые и энергетические характеристики CPU, кажется, что это — довольно действенный способ для улучшения производительности. Но результаты тестов показывают, что в действительности это не совсем так, и здесь скорее имеет место подход «делаем так, потому что можем». Если посмотреть на падение производительности Core i9-13900K и Ryzen 9 7950X, посчитанное по итогам тестов в ресурсоёмких приложениях при различных ограничениях потребления, становится понятно, что эти флагманские CPU запросто можно было бы вписать и в 180 Вт — усреднённые потери в быстродействии при этом не превысили бы 5 %. Более того, даже при двукратном снижении максимума потребления — до 125 Вт — и Core i9-13900K, и Ryzen 9 7950X сохраняют 90 % своей первоначальной производительности.

Довольно любопытно, что снижение производительности у Ryzen 9 7950X на первом этапе происходит медленно, чем у Core i9-13900K. Это указывает на то, что в целом Zen 4 — более энергоэффективная архитектура, и Ryzen 9 7950X достигает оптимального уровня быстродействия при более низком потреблении в сравнении с Core i9-13900K. Поэтому при номинальных значениях потребления процессор Intel оказывается на несколько процентов быстрее своего конкурента, но стоит только переместить верхнюю границу потребления в интервал от 90 до 180 Вт, как на первое место по производительности выходит Ryzen 9 7950X.

Однако далее происходит ещё одна смена лидера по энергоэффективности. При потреблении ниже 90 Вт Core i9-13900K вновь оказывается быстрее, чем Ryzen 9 7950X, что, по-видимому, обусловлено наличием в его распоряжении массива из 16 энергоэффективных ядер Gracemont, которые могут работать с хорошей отдачей даже в условиях сильно ограниченного электрического бюджета.

Впрочем, нужно оговориться, что приведённый выше график описывает некую усреднённую картину, в то время как в разных приложениях потребление процессоров может сильно различаться. Поэтому давайте посмотрим на связь производительности и энергопотребления при рендеринге в Blender — это один из самых энергоёмких вариантов нагрузки.

Здесь, в частности, видно, что даже 180-Вт ограничение потребления может нанести производительности Core i9-13900K заметный урон. По сравнению с номинальным режимом она падает на 10 %, а по сравнению с работой процессора без каких-либо ограничений потери достигают 15 %. В то же время Ryzen 9 7950X, работающий с ограничением 180 Вт, теряет всего 3-4 % от изначального быстродействия.

И ещё один занимательный факт: при введении 65-Вт ограничения потребления и Core i9-13900K, и Ryzen 9 7950X при ресурсоёмком финальном рендеринге становятся медленнее примерно вдвое.

Ниже можно посмотреть на падение производительности и в других приложениях. Кроме финального рендеринга сильную зависимость быстродействия от потребления можно увидеть, например, при перекодировании видео.

Рендеринг:

Работа с изображениями:

Нелинейный видеомонтаж:

Перекодирование видео:

Компиляция программ:

Архивация:

Об играх следует поговорить отдельно. Игровые приложения не относятся к энергоёмким видам нагрузки, и в них процессоры работают в достаточно щадящем режиме. Поэтому не стоит удивляться, что искусственное ограничение потребления CPU в геймерских системах почти не вредит кадровой частоте. Так, и Core i9-13900K, и Ryzen 9 7950X можно загнать в 125-Вт рамки почти без последствий. Средний FPS конфигурации на Core i9-13900K в этом случае снизится лишь на 2,3 %, а конфигурации на Ryzen 9 7950X — лишь на 1,7 %.

И даже ограничение потребления флагманских CPU до 90 Вт в смысле игровой производительности не приводит ни к какой катастрофе. А это значит, что на базе актуальных флагманских процессоров можно собирать довольно экономичные игровые системы.

Более подробно с результатами тестов в играх можно познакомиться на следующих диаграммах, но нужно отметить, что заметного падения FPS при ограничении потребления процессора до 125 или 180 Вт нам не довелось увидеть ни в одной игре.