Athlon 3000G – Overclock usando pastilha peltier

Fala pessoal, tudo certo?

Semana passada publiquei um artigo lhes apresentando o Athlon 3000G, que trata-se da ultima adição a linha de processadores de baixo-custo da AMD e naquela oportunidade, trouxe-lhes alguns números nos benchmarks, o que poderia ser feito em termos de overclock enquanto usando o cooler original e a diferença que esses ajustes fizeram no desempenho.

Entretanto ainda faltou mostrar o que da para ser feito no overclock extremo com esse processador, sendo a competição “Cheapaz Chips” uma excelente oportunidade para isso, afinal de contas, dessa vez escolheram esse CPU para sofrer nas mãos dos overclockers, porém, infelizmente por conta da epidemia de COVID-19 não foi possível comprar LN2 e nem mesmo gelo seco (DICE), o que implica em improvisar e usar aquilo que tenho em mãos, em outras palavras, dessa vez vamos de peltier! 🙂

Para aqueles que não estão familiarizados com isso, as pastilhas termoelétricas (ou peltier) são dispositivos semicondutores que conduzem calor entre os seus lados quando submetidas a uma corrente elétrica, conforme expliquei com maiores detalhes nesse post. Devido ao seu baixo-custo e suposta facilidade de uso por conta do formato compacto, é bastante comum de se encontrar pessoas em grupos de discussão cogitando utilizar essas pastilhas para refrigerar o CPU e não raro, apresetando até projetos (alguns bastante mirabolantes e criativos) para uso, entretanto, existem alguns entraves que raramente são levados em consideração, exemplos:

1. A não ser que use algum dispositivo para fazer o controle da temperatura visando mante-la sempre acima do ponto de orvalho (dew point), a condensação será um grande problema e o isolamento nesse caso tende a ser algo complicado por conta da temperatura de operação, que pode ser algo como -15ºC em idle e até +10ºC em load.
2. Como o peltier trabalha com um delta de temperatura entre os dois lados (Delta = (1-(TDP/Qmax))*Tmax, onde TDP é a dissipação de calor do CPU, Qmax é a carga térmica máxima suportada pela pastilha e o Tmax é o delta máximo da pastilha sem carga), então, tomando como base o datasheet de uma pastilha TEC1-12715 semelhante a que usei aqui (Qmax=136W, Tmax=70º) e o Athlon 3000G em stock (TDP=35W), temos um Delta de aproximadamente 52ºC, o que significa que para manter uma temperatura de -10ºC do lado frio da pastilha é necessário manter o lado quente em +42ºC, o que não seria um problema caso a dissipação termica não fosse de mais de 170W!!! Evidentemente que esses calculos são bastante aproximados e que CPU com overclock não obedece TDP, entretanto, da para se ter uma noção da dificuldade que é refrigerar essas pastilhas e ainda manter uma temperatura legal do lado frio.
3. A eficiência dessa solução é muito baixa, só ver que foi necessário lidar com uma dissipação térmica (perdas) de mais de 170W para refrigerar um CPU de apenas 35W. Existem formas de tornar essa solução algo mais viável, entretanto, já foge do escopo desse artigo que trata de overclock extremo e temperaturas negativas. 🙂
4. Para obter melhores resultados, é necessário “sanduichar” a pastilha entre o bloco e uma “cold plate” (placa de cobre que fica entre o lado frio da pastilha e o processador) e aplicar uma boa pressão na montagem. O problema é que essa “cold plate” idealmente precisa ser de cobre e não é algo que se encontra pronto por ai, normalmente sendo necessário fazer o desenho, comprar o material e mandar fabricar, algo que definitivamente pode não sair muito barato.
5. A corrente demandada por essas pastilhas costuma ser elevada e que no caso da TEC1-12715, pode chegar nos 15A, ou seja, é recomendavel usar uma fonte externa dedicada apenas a pastilha. Sugiro procurar por fontes usadas em CCTV, que são acessiveis (cerca de R$50) e bastante robustas (12V – 30A), sendo suficientes para essas pastilhas menores.

Como podem ver, por mais que essas pastilhas sejam legais e baratas, não existe nenhuma mágica e seu uso exige critério pois caso contrário, prejuízos podem vir a ocorrer. 🙂

Em relação ao isolamento, usei borracha limpa-tipo ao redor do socket, onde montei a minha “cold plate”, o peltier e um pedaço “gordo” de neoprene cuja ideia é isolar esse sistema visando a troca de calor com o ambiente, melhorando assim a eficiência do sistema e por fim, montei o bloco utilizando o sistema de fixação padrão, porém, sem as molas e com apenas dois parafusos, o que está longe do ideal, entretanto, é o único jeito possível já que não tenho o bracket AM4 desse bloco e muito menos loja de parafusos aberta.

Uma observação importante é que esse isolamento não é adequado para uso diário ou prolongado pois dessa forma ainda existe certa condensação, entretanto, como o intuito aqui é apenas rodar uns benchmarks, então está tudo certo! Apenas para ilustrar essa questão, segue uma foto tirada logo após ter desmontado o sistema após um dia de testes, reparem que tem água ali e não pouca coisa.

Antes de partirmos para as configurações utilizadas, fica o aviso: Não me responsabilizo por eventuais danos ao hardware caso alguém venha a se aventurar a fazer esse tipo de “experimento” sem o devido preparo. 😉

• Configurações utilizadas:

CPU: AMD Athlon 3000G (Obrigado Terabyte!)

MOBO: Biostar B350GTX (Obrigado Terabyte!)

VGA: Video integrado (Vega 3)

RAM:  2x8GB Crucial Ballistix LT 3200 CL16 e 2x8GB G.Skill Flare X 3200CL14

REFRIGERAÇÃO: TEC1-12715 + Water Cooler da bancada + 4x San Ace 109R1212H1 (120mm x 38mm, 0.55A @ 12V)

STORAGE: SSD Crucial BX300 120GB

Software utilizado: Windows 10 x64 build 1909, Cinebench R15, SuperPI 32M, 3DMark Vantage, 3DMark Sky Dive e Benchmate 0.10.5.

• Objetivo dos testes:

Descobrir o limite do overclock Athlon 3000G usando uma pastilha peltier TEC1-12715 (Qmax=136W), visando extrair desempenho máximo nos benchmarks para a competição Cheapaz Chips e por tabela, verificar tanto o comportamento do CPU quanto desse sistema de refrigeração durante os testes.

Os detalhes de como foram conduzidos os testes e metodologia estão descritos no texto que acompanham os resultados.

• Resultados:

Sobre os resultados nos benchmarks, é importante observar que a princípio havia optado por utilizar apenas as G.Skill Flare X com chips Samsung B-Die, que como mostrei no review da B350GT3, não passam dos 3333MHz nessa placa, porém, consegui 3600MHz com timings bastante decentes usando as Crucial Ballistix LT 3200CL16 com chips Micron E-Die, o que me ajudou a tirar uns pontinhos a mais no Vantage, enquanto que nos demais testes, não houve diferença ou ela não foi significativa, por exemplo, consegui melhorar em 1 ponto (!!!) o resultado no Sky Diver com as E-Die e com isso acabei nem salvando o screenshot.

Relativo ao CPU, minha amostra do Athlon 3000G foi capaz de completar o Cinebench R15 @ 4.3GHz com cerca de 1.6V (offset de +300mV), o que é algo razoável e assim consegui a pontuação de 494cb, novamente, razoável se considerarmos que essa placa-mãe não tem opção de “Performance Bias” igual alguns outros fabricantes, o que permitiria ao menos exceder por pouco os 500 pontos. Sobre o vídeo integrado, foi possível completar o 3DMark Vantage @ 1830MHz e o Sky Diver @ 1800MHz com não muito saudáveis 1.3675V, o que de todo modo, é uma marca considerada boa para o chip em questão.

Sobre o resultado do SuperPI 32M, tenho ciência que o mesmo está MUITO ruim pois apenas “cliquei-rodei-salvei” e esse benchmark definitvamente requer maior atenção para se obter bons resultados, em outras palavras, preciso roda-lo no Windows 7, com SMT desativado, verificar quais ajustes (tweaks) de SO que podem ser feitos no 7, afinal de contas, o bom e velho XP que era o “rei da eficiência” aqui é inviável na plataforma AM4 e por fim, testar qual a placa-mãe mais adequada para esse “trabalho” pois nesse caso em especifico, isso faz diferença.

Por fim, é possível ver no gráfico abaixo o comportamento das temperaturas durante uma “run” do 3DMark Vantage, cujas leituras foram gravadas em log gerado pelo HWiNFO. O “Tdie” seria mais como a leitura de temperatura dos cores e uma observação importante é que ela não marca temperaturas negativas ficando “bugado” próximo dos 0ºC, o APU GFX que se refere ao GPU integrado e o CPU SOC, que engloba tanto o vídeo integrado quanto outras partes do chip.

Pelo gráfico é possível verificar que o GPU integrado atingiu um pico pouco acima dos +20ºC logo ao final do GT2 com o CPU SOC ficando um pouco abaixo disso. Relativo ao Tdie, houve um pico de mais de 50ºC, o que é considerável, porém, está em linha com aquilo apresentado durante o Cinebench R15 (46ºC, vide Benchmate).

No que diz respeito a temperatura da “cold plate”, no início do teste, o termometro marcava -13.7ºC e ao término +6.7ºC e essa discrepância provavelmente se deve por conta do Athlon 3000G não ter o IHS soldado, portanto, fazer o delid no CPU e substituir a interface térmica por metal líquido muito provavelmente diminuiria essa diferença entre a temperatura da “coldplate” e o reportado pelo CPU.

• Conclusão:

Em tempos difíceis cujo acesso a nitrogênio liquido e gelo seco (e infelizmente, não só isso) se tornam mais restritos, o bom e velho peltier se mostrou um recurso válido na hora de tentar extrair um pouquinho mais do CPU/GPU que se tem em mãos. Evidentemente, existem uma série de limitações como lidar com a refrigeração do lado quente da pastilha, capacidade térmica limitada, temperaturas menos “extremas” do que aquelas obtidas com gelo seco/LN2 e alto consumo, entretanto, se o propósito for “castigar” alguns componentes com consumo e dissipação modestos, essa pode ser uma boa alternativa.

Relativo ao Athlon 3000G, ele escalou bem e conseguiu completar os benchmarks com o CPU @ 4.3GHz com cerca de 1.6V e GPU (vídeo integrado) em até 1830MHz com 1.3675V, o que são boas marcas considerando que a amostra testada é bastante regular naquilo que diz respeito a sua qualidade e capacidade de overclock.

Até o momento da publicação desse artigo (dia 29/03), estava em 4º lugar na competição com mais 61 dias para ela se encerrar, então, com alguma sorte talvez ainda consiga testar esse CPU no LN2 ou mesmo no gelo seco dentro desse prazo, de todo modo, encerro esse artigo pedindo a todos que se cuidem durante esses tempos de pandemia, pois isso não é brincadeira! 😉

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