Einleitung
Willkommen in meinem Leserartikel. Ich möchte euch hier zeigen, was mit Hingabe und etwas Zeit aus der Sockel A Plattform an Performance herauszukitzeln ist. Der Artikel umfasst sowohl Hardmods (Voltmods) als auch Softmods (Biosmodding), um das Maximale aus der Plattform zu holen. Wir steigen tief in die Materie ein, während ich versuche die Thematik möglichst verständlich für euch, die Leser, aufzuarbeiten.Bevor wir loslegen: Alles was ich hier für euch niederschreibe ist die gemeinsame Anstrengung einer kleinen Gruppe von Enthusiasten und nicht allein mein Verdienst.
Für die, die keine Lust haben so viel zu lesen gibt's hier einen passenden Spoiler. Alternativ einfach bis zum Abschnitt "Ergebnisse" scrollen
Mit Voltmods, Überarbeitung des VDimm Reglers, Bios Reverseengineering, ein bisschen Assembler und viel Liebe machen wir 270Mhz FSB mit laschen Timings und 263Mhz mit scharfen Timings auf einem Asus A7N8X Alltagsstabil.
Inhalt
- Einleitung
- Motivation und Ziele
- Der (steinige) Weg
- Erster Akt: Die Board-Auswahl aka „das Opfer“
- Zweiter Akt: Wenn der Lötkolben nötig wird
- Dritter Akt: Ein besseres Bios muss her
- Vierter Akt: Schon wieder Löten...?!
- Fünfter Akt: Wenn das Modbios nicht mehr reicht
- Sechster Akt: Lötkolbeneinsatz die Dritte
- Siebter Akt: Es geht ans Eingemachte
- Achter Akt: Tweaken, Tweaken, Tweaken
- Ergebnisse
- Fazit und Danksagung
Motivation und Ziele
Wir starten mit der einfachen Frage: „Warum tut man sowas eigentlich?“.Sockel A begleitet mich schon seit 2003. Damals bekam ich als Jugendlicher meinen ersten Athlon XP2700+ auf einem A7N8X-E Deluxe und eine Geforce 4 Ti 4200 von MSI. 2004 wurde das System auf Wasserkühlung umgerüstet und das Übertakten begann. Anfänglich lief der 2700+ auf 2400Mhz, später auf 2500Mhz. Ich hatte Blut geleckt und wollte mehr. Deshalb folgte 2006 ein gebrauchter XP-m 2600+, welcher bis 2700Mhz übertaktet werden kann. Zusätzlich erstand ich in den folgenden Jahren ein DFI NF2 Infinity und drei Abit NF7, da nicht nur der Cpu Takt, sondern auch der FSB angehoben werden sollte. Das System lief so mehrere Jahre bei 250Mhz FSB und 2500Mhz im Alltag. Die 250Mhz FSB waren schon damals eher selten anzutreffen, aber durchaus machbar.
Mich hat der Athlon XP immer fasziniert und nie losgelassen, alle paar Jahre hole ich deshalb das System wieder hervor und versuche die alten Benchmarks zu übertreffen. Das bringt uns an den eigentlichen Startpunkt dieses Artikels.
Da der Athlon XP neben höherem Cpu Takt auch von einer Erhöhung des Front Side Bus (FSB) profitiert setze ich mir folgende Ziele:
- Ausloten des maximal möglichen FSB (nur Screenshot stabil)
- Ermitteln des optimalen FSB für maximale Performance, idealerweise >250Mhz
- Ermitteln des höchstmöglichen, stabilen FSB
Der (steinige) Weg
Erster Akt: Die Board-Auswahl aka „das Opfer“
Das DFI ist lange verkauft, das Beste der drei Abit NF7 verweigert mittlerweile den Dienst und generell sind gute Boards für Sockel A rar und teuer geworden. Es braucht also eine Alternative, um die gesetzten Ziele zu erreichen. 2019 stolperte ich zufällig über einen Thread im HWBot Forum, wo jemand ein Asus A7N8X erfolgreich gemoddet und einen sehr hohen FSB erreicht hat. Das ist der Startschuss, den ich brauchte. Ich kaufe also in den Kleinanzeigen ein A7N8X v2.0 für 15€ und die Reise beginnt erneut.
Das Abit und DFI haben gegenüber anderen Sockel A Boards entscheidende Vorteile, aber auch Nachteile, die ich hier kurz auflisten möchte. Damit wird die Wahl des Asus A7N8X für den weiteren Verlauf hoffentlich klarer.
Vorteile | Nachteile | |
|---|---|---|
| Abit und DFI |
|
|
| Asus |
|
|
Zweiter Akt: Wenn der Lötkolben nötig wird
Der erste Negativpunkt des Asus ist der vorerst Entscheidende für mich. Ich besitze nur moderne Netzteile, die maximal 15A auf der 5V Schiene liefern können. Das ist deutlich zu wenig für das Asus, welches die Cpu über 5V speist. Glücklicherweise wurde im oben erwähnten HWBot Thread eine Möglichkeit aufgezeigt die Versorgung auf 12V umzubauen.Hierzu wird eine Spule am AGP Slot ausgelötet, welche die 5V Schiene mit den Spannungswandlern der Cpu verbindet und an dieser Stelle stattdessen 12V eingespeist. Außerdem müssen noch die drei Kondensatoren gegen 12V feste Typen gewechselt werden, da diese ab Werk nur für 6.3V spezifiziert sind. Nach diesem Umbau läuft das Board stabil an einem Bequiet PurePower 11 400W und benötigt kein Netzteil mit starker 5V Scheine mehr. Die erste Umsetzung ist nicht schön, aber zweckmäßig und funktioniert auf Anhieb.
Dritter Akt: Ein besseres Bios muss her
Nach dem 12V Umbau folgen die ersten Tests, jedoch stellt sich schnell die erwartete Ernüchterung ein. Mit dem letzten offiziellen Bios von Asus fällt die Übertaktung des FSB ziemlich mager aus. Das A7N8X ist offiziell für 200Mhz freigegeben, ohne weitere Veränderungen ist aber bereits bei etwa 220Mhz Schluss. Im Gegensatz dazu schaffen gute DFIs oder Abits die erwähnten 250Mhz oder mehr – hier ist also noch viel Luft für Verbesserungen.Als erste Maßnahme wird ein Mod-Bios von Trats auf das Board geflasht. Trats listet im Changelog zwei interessante Punkte:
Vereinfacht gesagt setzt der Nforce 2 Chipsatz je nach Standard-FSB der Cpu verschiedene Timings für den FSB und intern für den Chipsatz. Baut man eine Cpu mit Standard-FSB von 133Mhz ein (z.B. Athlon XP Mobile), dann werden die 133Mhz Timings geladen. Verbaut man eine 200Mhz FSB Cpu, entsprechend die 200Mhz Timings. Der „L12 Mod“ gaukelt dem Chipsatz immer eine 200Mhz CPU vor, dieser lädt entsprechend immer die 200Mhz Timings. Das erlaubt bei Cpus mit geringerem Werks-FSB dennoch die Übertaktung über 200Mhz hinaus. Ohne diesen Mod, entweder als Drahtbrücke im Sockel oder als Änderung im Bios, erreichen 133Mhz Cpus meist 200MHz FSB nicht stabil.
Auf anderen Sockeln (z.B. 775) sind die Romsips als „Bootstrap“ oder kurz „Strap“ bekannt.
Romsips sind interne Timings des Chipsatzes, welche den FSB und in Teilen auch den Ram betreffen. Hier werden Timings für die Kommunikation des Chipsatzes mit der Cpu in Abhängigkeit des verwendeten Multiplikators und Werks-FSB gesetzt. Die Romsips sind als Tabelle im Bios gespeichert und können mit einem Hex Editor modifiziert werden. Führt man den erwähnten L12 Mod durch, dann werden die Romsips für 100, 133 und 166Mhz mit denen für 200Mhz überschrieben.
Romsips sind interne Timings des Chipsatzes, welche den FSB und in Teilen auch den Ram betreffen. Hier werden Timings für die Kommunikation des Chipsatzes mit der Cpu in Abhängigkeit des verwendeten Multiplikators und Werks-FSB gesetzt. Die Romsips sind als Tabelle im Bios gespeichert und können mit einem Hex Editor modifiziert werden. Führt man den erwähnten L12 Mod durch, dann werden die Romsips für 100, 133 und 166Mhz mit denen für 200Mhz überschrieben.
Dank des Trats Mod-Bios kann der FSB nun bis 228Mhz angehoben werden, was ein entscheidender Schritt gegenüber dem Werks-Bios ist. Es fällt allerdings auf, dass mehrere Boards diese 228Mhz Grenze haben. Die einzig logische Schlussfolgerung daraus ist, dass noch immer etwas den erreichbaren FSB begrenzt. Wir müssen uns also nach weiteren Optionen und Hindernissen umsehen, um weitere Steigerungen zu erreichen.
Vierter Akt: Schon wieder Löten...?!
An dieser Stelle werfen wir einen Blick in das Abit NF7 Bios. Dort lässt sich die Chipsatzspannung anheben, diese Möglichkeit hat Asus leider nicht vorgesehen. Leider versorgt Asus den Chipsatz mit nur 1.58V Vdd – der Schluss, dass hier der Schuldige für die 228Mhz Grenze gefunden ist, liegt nahe.Außerdem bietet das Asus, dank des Mod-Bios, nun die Option auf 2.9V VDimm. Das kommt uns teilweise entgegen, weil später Winbond BH-6 Chips zum Einsatz kommen sollen. Winbond Chips skalieren sehr gut mit der Versorgungsspannung, üblich sind bis zu 3.6V.
Dennoch reicht beides nicht für die gesteckten Ziele, Voltmods für VDimm und Vdd werden benötigt. In beiden Fällen wird der Feedback Pin des jeweiligen Controllers mit einem variablen Widerstand nach Masse manipuliert und das ganze mittels eines Jumpers abschaltbar ausgelegt. So lassen sich im Anschluss bis 2V am Chipsatz und bis 3.8V am Ram anlegen. Dank der Versorgung des Rams über die 5V Schiene sind >3.3V im Gegensatz zum Abit NF7 problemlos möglich. Dank dieser Modifikationen erreichen wir nun stabile 245Mhz bei 1.92V Vdd und 3.5V Vdimm. Bis zu diesem Punkt ein guter Erfolg, die 250Mhz wollen aber einfach nicht fallen. Mehrere Boards laufen unabhängig vom Ram und der Chipsatzspannung gegen eine harte FSB Wand.
Da der Wechsel vom offiziellen Asus Bios auf das Trats Bios einen guten Schritt brachte liegt der Gedanke nahe, dass die Romsips einen entscheidenden Anteil am Taktgewinn haben und eventuell für diese FSB Wand verantwortlich sind.
Fünfter Akt: Wenn das Modbios nicht mehr reicht
An diesem Punkt reift die Erkenntnis, dass ohne ein eigens angepasstes Mod-Bios keine weiteren Steigerungen zu erwarten sind. Es beginnt also die Recherche über die Modifikationen, Romsips und benötigte Tools. Glücklicherweise sind solche Versuche in der Vergangenheit gut dokumentiert worden, so dass nicht von Null an alles erarbeitet werden muss.Das Award Medallion v6.0PG Bios vom Asus A7N8X besteht aus verschiedenen Modulen, die in komprimierter Form gespeichert werden. Für die Modifikation braucht es deshalb zwei Tools, erstens CBROM zum Module extrahieren und hinzufügen und zweitens ModBin zum Verändern der Voreinstellungen und Optionen im Bios. Wir nutzen im weiteren Verlauf CBROM32 v1.98 und ModBin v2.01.02. Außerdem ist ein Hex Editor essenziell, in diesem Fall HxD.
Die Romsips sind bei Nforce 2 Boards innerhalb des „System BIOS“ Moduls gespeichert, welches komprimiert im Bios abgelegt ist. Wir nutzen also CBROM, um das Modul zu extrahieren, verändern die Romsips mittels Hex Editor und schreiben das modifizierte „System BIOS“ Modul zurück ins Bios. Danach wird das Bios geflasht und getestet.
Durch diverse Mod-Biose für andere Boards besteht bereits eine gute Grundlage an verfügbaren Romsips. Zu erwähnen sind hier die Beta Biose für DFI, erstellt von Oskar Wu, sowie die Modbiose für Abit, erstellt von TicTac (MantaraysXT) und Merlin (Taipan).
Durch diese Modifikationen fällt die FSB-Wand bei 245Mhz und wir erreichen endlich die anvisierten 250Mhz+. Dieser Meilenstein hinterlässt eine gewisse Genugtuung, gleichzeitig wächst aber das Verlangen nach mehr… :d Es ist Zeit für noch tiefgreifendere Maßnahmen.
Sechster Akt: Lötkolbeneinsatz die Dritte
Während der vorherigen Tests fiel insbesondere mit 2x512mb Modulen und bei höherer VDimm auf, dass das Asus Board unter Last eine stark schwankende VDimm hat. Aus eingestellten 3.4V wurden teilweise 3.6V, also eine Schwankung von 200mV. Einerseits begrenzt das die maximal mögliche VDimm, weil die Schwankungen sonst zu hoch werden, andererseits macht es das System instabil.Als erste Maßnahme wurden daher alle Kondensatoren auf dem Mainboard von normalen Elkos auf Polymerkondensatoren umgerüstet. Durch den geringeren Widerstand der neuen Kondensatoren reduziert sich die Restwelligkeit auf Vcore, Vdd und Vdimm, was der Stabilität zuträglich ist.
Als zweite Maßnahme wurde das Datenblatt des VDimm Reglers zu Rate gezogen und mit der tatsächlichen Bestückung des Boards verglichen. Glücklicherweise sind für diverse Asus Boards sogenannte „Boardviews“ verfügbar, ein Bestückungsplan in elektronischer Form. Es zeigt sich, dass Asus eine sehr hochohmige Bestückung für den Feedback Kreis des VDimm Reglers verwendet hat. Das hat den Vorteil, dass an dieser Stelle wenig Energie verschwendet wird, aber den großen Nachteil von höherer Empfindlichkeit gegenüber von außen eingebrachten Störfrequenzen.
"Atlan1980" aus dem Hardwareluxx Forum entwickelte deshalb einen VDimm Rework, der sämtliche Widerstände im Feedback Loop des VDimm Reglers ersetzt und so niederohmiger macht. Nach dieser Änderung sinkt die Schwankung der VDimm unter Last auf 30mV ab. Im Vergleich zu den vorherigen 200mV sind dies Welten. Der Umbau ermöglicht nun stabile 3.6V Vdimm, ohne das es durch Spannungsspitzen bis zu 3.8V VDimm zu Instabilitäten kommt.
Die Hardware ist damit bereit für höhere Ziele, nur das Bios wurde (erneut) zum Problem…
Siebter Akt: Es geht ans Eingemachte
Im Vergleich zum DFI und Abit sind die Optionen im Bios bei Asus leider sehr eingeschränkt. Es können lediglich die Vcore, VDimm und die Primärtimings des Rams ausgewählt werden. Im Kontrast dazu bietet das DFI schier endlose Möglichkeiten Parameter anzupassen.Es stellt sich also die Frage, ob man diese Optionen nicht im Asus Bios händisch hinzufügen kann…
Glücklicherweise wurden solch tiefe Eingriffe ins Award Bios bereits an neueren Boards durchgeführt und gut dokumentiert. Es lässt sich so mit etwas Transferleistung eine gangbare Lösung für das Asus und viele weitere Nforce 2 Boards herleiten. Als sehr nützlich hat sich eine Zusammenfassung vom User „polygon“ aus dem RebelsHaven Forum erwiesen, da dort die gängigsten Techniken Schritt für Schritt dokumentiert wurden. Außerdem hat der User „pinczakko“ das Award Bios analysiert und seine Erkenntnisse in einer PDF zusammengefasst.
Aufbauend auf diese Grundlagenforschung ist es möglich insgesamt fünf komplett neue Optionen im Asus Bios hinzuzufügen, da (fast) jedes Award Medallion v6.0PG Bios fünf ungenutzte Dummy-Optionen mitbringt, die sich zweckentfremden lassen. An dieser Stelle sei die Arbeit vom User „digitalbath“ im Hardwareluxx und vom User „irusanov“ aka „I.nfraR.ed“ aus dem HWBot (Ersteller des Tools ZenTimings) erwähnt, die mit mir zusammen an der Implementierung der neuen Optionen ins Bios gefeilt haben.
Die erfolgreiche Implementierung der neuen Optionen im Bios ist dabei nur die eine Seite der Medaille. Die Zweite ist das Erstellen eines ISA Option Roms, das während des Bootvorgangs vom Bios eingelesen und ausgeführt wird. Dieses Option Rom schreibt die gewünschten Einstellungen in die PCI Register des Chipsatzes, wurde mittels des Tools FlatAssembler (FASMW) in Assembler geschrieben, kompiliert und anschließend mit CBROM als Modul ins Bios integriert.
Als wählbare Optionen im Bios haben wir uns für folgende entschieden:
Code:
- Trc und Trfc sowie Tref
- Einen Teil der Romsips
- Alphatimings
- Ram Drive Strength und Slew RateParallel zur Grundlagenforschung am Bios wurde von „irusanov“ ein neuer Tweaker entwickelt, der deutlich mehr Optionen bietet, um Timings von Ram und FSB unter Windows anzupassen. Dieser Tweaker erleichtert die nun folgenden Arbeiten erheblich, da er nicht nur Profile implementiert hat, sondern sogar ein Feature zum automatisierten FSB anheben und CPU-Z validieren bietet.
An dieser Stelle sind nun über zwei Jahre seit dem Start des Projekts vergangen und wir schreiben bereits das Jahr 2021. Endlich sind alle nötigen Bausteine zusammengefügt und wir können im Anschluss die Früchte unserer mehrjährigen Arbeit ernten. Was nun folgt ist die zeitfressende Aufgabe des Findens der besten Kombination aus Romsips, Timings und des passenden Rams für maximal hohen FSB. Das bringt uns zum achten und letzten Akt.
Achter Akt: Tweaken, Tweaken, Tweaken
Die perfekte Grundlage für einen hohen FSB und ausreichend Einstellmöglichkeiten sind geschaffen und es stehen ausreichend viele Boards zur Verfügung, um die Ergebnisse auch verifizieren zu können.Mittlerweile hat „digitalbath“ das ISA Option Rom und die neuen Einstellungen auf diverse NF2 Boards mit Award und sogar AMI Bios portiert. Es gibt damit frische Mod-Biose für Shuttle, Epox, MSI, AsRock, Abit, DFI sowie Asus. Auf allen Boards sind signifikante FSB Gewinne bis über 250Mhz hinaus möglich, sofern der jeweilige Chipsatz eine ausreichende Chipgüte aufweist und ggf. Voltmods durchgeführt werden.
Allerdings zeigen sich auch Schattenseiten und große Unterschiede zwischen den Chipsätzen. Teilweise skalieren diese gut mit höherer Spannung bis zu 1.9V, andere Exemplare erreichen 260Mhz FSB bereits mit 1.7V und skalieren nicht darüber hinaus. Allen Boards gemein ist allerdings eine erneute FSB-Wand bei 263-265Mhz. Über dieser ist kein stabiler Betrieb möglich. Diese Wand besteht über ein Jahr, was uns zum Anfang des Jahres 2022 und damit in die Gegenwart katapultiert.
Während der Tests auf meinem A7N8X Deluxe v2.0 fällt mir auf, das nicht nur der Ram oder die Romsips den maximalen FSB begrenzen, sondern das mein Chipsatz offensichtlich durch die Alphatimings des Ram bei hohem FSB instabil wird. Es folgte also ein systematisches Durchtesten diverser Kombinationen von Romsips, Alpha Timings und Ram Modulen, bis eine Kombination gefunden ist die es ermöglicht die 265Mhz stabil und dauerhaft zu überschreiten. Im Umkehrschluss: Mit schnellen Timings und Winbond BH-6 Riegeln liegt auf meinem Board das Limit weiterhin bei ~265Mhz, mit Hynix BT-D43 Riegeln und lockeren Timings ist aber knapp über 270MHz stabil machbar.
Diese letzte Entwicklung bringt uns nun zu den vorerst finalen Ergebnissen und absolut erreichten Taktraten.
Ergebnisse
Eingangs wurden von mir drei Ziele genannt, die wir nun nacheinander betrachten.Als erstes widmen wir uns dem maximal möglichen FSB (Screenshot stabil). Für diesen wurde der Ram asynchron (6:4) zum FSB betrieben und die Timings maximal entspannt, um den Chipsatz zu entlasten. Anschließend wird mit 220Mhz ins Windows gebootet und der oben erwähnte Tweaker genutzt, um den FSB Schritt für Schritt anzuheben. Letztendlich war eine maximale Validation bei 294Mhz möglich. Der User „The Sandman“ aus dem Hardwareluxx erreichte sogar über 300MHz unter Luftkühlung (!), was meines Wissens den aktuellen Weltrekord für Sockel A darstellt.
https://valid.x86.fr/riagjr
Das zweite Ziel war ein möglichst hoher FSB bei maximaler Performance. Hierfür kommen erneut 2x256mb Winbond BH-6 zum Einsatz, die synchron zum FSB bei Timings von CL2-2-2-5 und 3.65V betrieben werden. Wir erreichen mit scharfen Alphatimings 263Mhz FSB und mit etwas entspannten Timings sogar 265MHz.
Das dritte Ziel war ein möglichst hoher und stabiler FSB, der in diesem Fall mit 2x256mb Hynix BT-D43 Riegeln und langsameren Timings erreicht wurde. Bei 272Mhz FSB war ein SuperPi 32M Durchlauf möglich. Das System lief bei 270Mhz FSB problemlos eine Stunde durch den 3D Mark 2001SE, als auch eine Stunde durch Prime95 ohne Ausfall. Dieses Ergebnis ist für mich der eigentliche Star. Stabile 270Mhz mit einem luftgekühlten System zu erreichen hätte ich mir bei Start des Projekts im Jahr 2019 nicht träumen lassen.
Da die Frage aufkam wie viel man vom höheren FSB in der Praxis bemerkt, habe ich paar 3D Benchmarks bei verschiedenen Takten (FSB und Cpu) in Post #20 hinzugefügt.
Damit kommen wir zum Abschluss dieses Artikels.
Fazit und Danksagung
Nach insgesamt 3 Jahren intensiver Recherche, Analyse und hunderten Stunden des Testens und Tweakens zeigt sich, dass eine 20 Jahre alte Plattform auch nach dieser langen Zeit noch nicht ausgereizt sein muss. Mit Hingabe und Zeitaufwand lassen sich erhebliche Steigerungen erreichen, auch auf Mainboards, die bisher nicht für ihre gute Übertaktbarkeit bekannt waren.Letztendlich konnte eine Alternative zu den althergebrachten OC Boards wie dem DFI Lanparty Ultra B oder Abit NF7 geschaffen werden, die zudem noch gut verfügbar und günstig in der Anschaffung ist. Für bastelwillige Enthusiasten mit Lötkenntnissen ist das Asus A7N8X nun eine großartige Alternative, wenn es um maximale Performance auf Sockel A geht.
Abschließend möchte ich allen danken, die dieses Projekt möglich gemacht und sich gegenseitig beim Erreichen des gemeinsamen Ziels unterstützt haben:
- Terraraptor (HWBot) für die Initialzündung durch seinen 12V Rail Mod
- Infrared (HWbot) für den neuen nForce 2 Tweaker
- Digitalbath (Hwluxx, HwBot) für das Umsetzen von zahllosen Bios-Mods und das systematische Romsip testen
- Atlan1980 (Hwluxx) für den VDimm Rework am A7N8X und die sonstigen Hardwareverbesserungen
- Antinomy (HwBot) für diverse Datenblätter, Rat&Tat beim Bios-Modding
- @The Sandman (Hwluxx/CB) fürs Testen, Tweaken und Anspornen
- Oskar Wu (ehemaliger DFI und Abit Angesteller, Bios Guru)
- TicTac (Biosmodder)
- Merlin (Biosmodder)
- Pinczakko (Reverse Engineering Award Bios)
- Polygon (Reverse Engineering Award Bios)
Wenn ihr Fragen habt, haut raus. Ich habe an einigen Stellen bewusst Details ausgelassen, weil der Artikel so schon knapp 3000 Wörter umfasst... Kritik und Anmerkungen sind natürlich auch gerne gesehen
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