AMD Athlon 500 übertakten

AMD Athlon 500 übertakten

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Der Athlon-Prozessor feiert in diesem Jahr sein 20-jähriges Jubiläum. Mit einer kleinen Aufsteckkarte ließ sich noch etwas mehr Leistung aus ihm herauskitzeln.

Die c’t bezeichnete den Athlon auf dem Titel der Ausgabe 16/1999 als „Pentium-III-Killer“. Doch der damalige High-End-Prozessor übertrumpfte nicht nur die Konkurrenz-CPUs von Intel, sondern rettete AMD wohl auch das Überleben, weil das Unternehmen seit mehreren Jahren in den roten Zahlen stand. In der Folge kam es zwischen den beiden Firmen zum Wettlauf um den ersten Desktop-PC-Prozessor mit 1 GHz Taktfrequenz, den AMD im März 2000 für sich entschied.

Ab 23. Juni 1999 bot der Chiphersteller die drei K7-Prozessoren Athlon 500, 550 und 600 an. Im August und Oktober folgten mit dem Athlon 650 und 700 noch zwei schnellere Varianten, wobei bei allen Modellen die Zahl für die Taktfrequenz stand. Turbomodi oder eine flexible Taktsteuerung, um Energie zu sparen, gab es bei Desktop-CPUs damals noch nicht. Zudem hatte AMD den Athlon erstmals mit einer Taktmultiplikatorsperre versehen, um Produktfälschungen zu erschweren. Dennoch gab es Schleichwege, diese zu umgehen und den Prozessoren einen höheren Takt zu entlocken.

Um das Projekt Athlon zum Erfolg zu verhelfen, machte der Chiphersteller damals einen harten Schnitt: Statt der von Intel ausrangierten (Super-)Sockel-7-Plattform der Vorgängerprozessoren K6-2 und K6-III kam ein neu entwickelter Slot-A-Steckplatz mit 242 Kontakten zum Einsatz.

Das CPU-Package mit dem Halbleiter-Die war beim Ur-Athlon auf einer Steckkarte aufgelötet. Diese Bauweise war notwendig, weil der Level-2-Cache ebenso wie beim Pentium III „Katmai“ nicht im CPU-Die untergebracht war. Stattdessen sitzen rechts und links davon die SRAM-Chips mit je 256 KByte Kapazität, welche von unterschiedlichen Zulieferern wie Motorola, NEC und Samsung stammten.

Links und rechts von der CPU sitzen die beiden Chips für den Level-2-Cache. Erst bei den späteren Sockel-A-Varianten des Athlon ist der L2-Cache mit in den Prozessorchip gewandert.

Bei der ersten, in 250 nm Strukturgröße gefertigten Generation „K7/Argon“ mit maximal 700 MHz lief der L2-Cache mit halbem Prozessortakt. Nach dem Die-Shrink auf 180 nm „K75/Pluto/Orion“ gab es dann Athlon-CPUs mit bis zu 1000 MHz, jedoch keine (bezahlbaren) SRAM-Bausteine, die schneller als mit 2,8 Nanosekunden Zykluszeit (350 MHz) liefen. Deshalb hat AMD bei den schnelleren Prozessoren Taktverhältnisse wie 2/5 oder 1/3 verwendet, sodass beispielsweise der L2-Cache beim Athlon 1000 mit 333 MHz lief.

Der auch als K7 bezeichnete Athlon besteht aus 22 Millionen Transistoren und einem einzigen CPU-Kern. Zum Vergleich: Ein Achtkern-Chiplet des aktuellen Ryzen 3000 umfasst 3,9 Milliarden Transistoren, wobei dort ein erheblicher Teil auf das Konto der 4 MByte L2-Cache und des 16 MByte großen Level-3-Cache gehen.

Der Ur-Athlon ist noch ein 32-Bit-Prozessor und adressiert somit maximal 4 GByte Speicher. Der RAM-Controller saß damals noch in der Northbridge des Chipsatzes auf dem Mainboard und konnte je nach Chipsatz mit PC100- oder PC133-SDRAM umgehen.

Für den Test habe ich mein privates Athlon-System aus dem Keller geholt und entstaubt. Der verwendete Athlon 500 gehört zur ersten, in 250 nm gefertigen Generation. Die Kühlung übernimmt ein großer Aluminiumkühler vom Typ GlobalWin VOS32, auf den wir einen 8-cm-Lüfter geschnallt haben. Das Paket aus Prozessorplatine und Kühlblock sitzt auf dem Mainboard NMC-7VAX mit VIAs Chipsatzkombination KX133 (VT8371) und VT82C686A.

Für das Athlon-Testsystem mussten wir tief im Hardware-Archiv wühlen, um SATA-Controller und Grafikkarten mit PCI-Schnittstelle sowie passendem SDRAM zu finden.

Das Board bietet drei Speicherplätze, die wir mit einem 512-MByte-SDRAM-Modul und zwei 256-MByte-DIMMs bestückt haben. Dafür haben wir im Hardware-Lager der c’t mehrere Kisten voll unsortierter, alter Speicherriegel durchwühlt, um passende, noch funktionierende DIMMs größtmöglicher Kapazität zu finden.

Die Grafikausgabe übernimmt eine Elsa Winner 1000/T2D mit PCI-Schnittstelle. Eine deutlich modernere Karte vom Typ GeForce 6600 GT lief nur eingeschränkt, weil deren GPU bereits mit PCI-Express-Interface ausgestattet ist und sich wohl der Brückenchip für die AGP-Schnittstelle der Grafikkarte nicht mit dem älteren Board vertrug.

Moderne Anschlüsse wie SATA oder USB 3.0, geschweige denn USB 2.0 sucht man auf der 20 Jahre alten Hardware vergeblich. Zudem konnte man damals noch nicht von USB-Datenträgern booten. Um die Messungen in endlicher Zeit auf einem halbwegs modernen Betriebssystem wie der 32-Bit-Version von Windows 7 durchführen zu können, haben wir eine SATA-Controller-Karte mit PCI-Anschluss eingebaut und daran eine Samsung SSD 830 angeschlossen.

Damit Windows 7 bei der Installation von einem DVD-Laufwerk mit IDE-Anschluss den SATA-Controller ansprechen kann, benötigt es bereits die passenden Treiber für den Sil3112A-Chip von Silicon Image. Dieser war allerdings gar nicht so leicht aufzutreiben, im Netz fanden sich zumeist ältere Versionen, die nur mit Windows 98 oder 2000 funktionieren oder aber welche, die nur für die RAID-Version taugen. Den Treiber konnten wir schließlich über die sogenannte F6-Methode von einem USB-Stick einbinden, sodass die SSD erkannt wurde.

Nachdem diese Hürde überwunden war, dauerte es ungefähr drei Stunden, bis die Betriebssysteminstallation abgeschlossen war. Der PCI-Controller bremst die Transfergeschwindigkeit der SSD auf rund 85 MByte/s aus. Zudem ist der einzelne Kern des Athlon 500 schon bei einfachen Aktionen wie dem Öffnen eines Fensters des Windows Explorer überfordert, sodass etwas Geduld bei der Bedienung und dem Aufspielen von Software erforderlich ist.

Die Athlon-Prozessoren lassen sich wie viele andere CPUs auf zwei verschiedene Art und Weisen übertakten. Der Prozessortakt leitet sich unter anderem vom Bustakt (100 MHz) ab. Zusammen mit dem Kernmultiplikator, zum Beispiel von 5, ergibt dies den Prozessortakt (500 MHz).

Der Taktgenerator für den Bustakt sitzt bei Slot-A-Systemen als separater Chip auf dem Mainboard. Bei unserem Testsystem mit dem NMC-7VAX ist ein Baustein vom Typ IC-Works (Cypress) W210H aufgelötet, dessen Takt sich über DIP-Switches oder das BIOS-Setup verändern lässt. Als nächsthöhere Stufe oberhalb von 100 MHz liefert er einen Bustakt von 110 MHz, wodurch der Prozessor mit 550 MHz laufen würde. Allerdings schaffte es unser Testsystem damit gerade einmal bis zum Startlogo von Windows 7. Ursache für den Absturz ist die direkte Verknüpfung von Bus- und PCI-Takt über das Verhältnis 1:3. Durch die Erhöhung um 10 Prozent arbeitet Letzterer nicht mehr mit 33,3 MHz, sondern mit 36,7 MHz. Diese Änderung nahm uns wahrscheinlich der SATA-Controller oder die Grafikkarte übel.

Alternativ bleibt also nur der Weg über die Manipulation des Taktmultiplikators. Im Unterschied zu den Vorgängerprozessoren von AMD, wo man den Multiplikator zum Beispiel per Jumper auf dem Board verändern konnte, ist dieser bei den Athlons über eine Kombination mehrerer Widerstände auf der Prozessorplatine festgelegt.

Das Umlöten dieser SMD-Bauteile ist umständlich. Stattdessen gibt es eine komfortablere Hintertür beim Slot-A-Athlon. Dazu muss man allerdings das Plastikgehäuse des Prozessors knacken. Anschließend kommt auf der Rückseite die Platine zum Vorschein, auf der das CPU-Die und den beiden SRAM-Chips sitzen. In der rechten oberen Ecke befindet sich ein Reihe goldener Kontaktzungen, vergleichbar mit einem kurzen PCI-Steckverbinder. Diese „Goldfinger“ dienen AMD als Debug-Schnittstelle, erlauben aber auch die Manipulation der Kernspannung und des Taktmultiplikators, ideal fürs Übertakten.

Nachdem dieser Weg entdeckt wurde, gab es innerhalb kurzer Zeit diverse Anbieter, die passende Overclocking-Karten anboten. Diese werden auch als Goldfinger-Devices bezeichnet. Auf der von uns verwendeten Karte von thetaTech befindet sich lediglich ein DIP-Schalter mit acht Schiebehebeln. Die vorderen vier dienen zum Einstellen des Multiplikators zwischen 3,0 und 10,5 in 0,5er-Schritten. Mit den hinteren vier lässt sich die Kernspannung in 50-mV-Stufen von 1,3 bis 2,05 Volt einstellen. Im Auslieferungszustand lief unser Exemplar des Athlon 500 mit 1,6 Volt Spannung, gemessen lag sie bei 1,68 Volt.

Da AMD bei der Fertigung eine gute Ausbeute hatte, wurden vergleichsweise viele Dies gefertigt, die mit 600 bis 700 MHz stabil arbeiteten, während von den Käufern hauptsächlich die langsameren, aber auch preiswerteren Prozessoren mit 500 bis 600 MHz nachgefragt waren. Das erklärt, warum nach dem Entfernen der Wärmeleitplatte von der CPU-Platine ein 650-MHz-Die zum Vorschein kam.

Auf der Goldfinger-Karte haben wir den Multiplikator auf 6,5 gesetzt und zudem die Kernspannung auf 1,7 Volt erhöht, damit der Athlon stabil mit 650 MHz lief. Im Rendering-Benchmark Cinebench R10, der letzten Version, die es noch in einer 32-Bit-Variante gab, erreichten wir einen Performancezuwachs von 22 Prozent. Das gleiche Plus gab es beim Entpacken mit 7-Zip, während der Rechner das Komprimieren mit 7-Zip 13 Prozent schneller absolvierte. Durch die höhere Kernspannung schluckte der Rechner unter Last 25 Watt und im Leerlauf 19 Watt mehr.

Messergebnisse Athlon 500

Bei 700 MHz hing sich der Rechner reproduzierbar beim Windows-7-Start auf. Übeltäter ist der Level-2-Cache: AMD hat bei unserem Exemplar 3,3-ns-Chips von Samsung aufgelötet, die bei 350 MHz nicht mehr mitspielten. Um höhere Frequenzen zu erreichen, wäre es notwendig, das Verhältnis des L2-Takts von 1/2 auf 2/5 zu verändern. Eine Möglichkeit ist, auf der Prozessorplatine SMD-Widerstände umzulöten, was wir jedoch vermieden haben. Bei einigen Mainboards konnte man zudem das BIOS modifizieren, was bei unserem Board nicht funktionierte. Alternativ gibt es auch Übertaktungs-Software für Windows wie CPUCool oder W2CPUA2. Allerdings muss dafür das System erst einmal erfolgreich das Betriebssystem starten, sodass auch dies ausschied.

Vor 20 Jahren bei Windows 98 klappte das Setzen des L2-Cache-Teilers mittels des DOS-Programms K7L2DOS, das bei jedem Start über die autoexec.bat aufgerufen wurde. Damit erreichte unser CPU-Exemplar vor 20 Jahren auch 800 MHz Taktfrequenz. Bei modernen Windows-Versionen mit NT-Unterbau bleibt dieser Weg jedoch versperrt.

Um noch ein paar Prozent mehr aus dem Athlon-Youngtimer herauszukitzeln, haben wir den Arbeitsspeicher von 100 auf 133 MHz umgestellt. Das brachte im Cinebench zusätzliche 7 Prozent. 7-Zip rechnete bis zu 12 Prozent schneller. Modernen Prozessoren ist der erste Athlon aber auch übertaktet hoffnungslos unterlegen. Während er sich rund eine dreiviertel Stunde mit der Berechnung des Render-Bildes des Cinebench R10 abmühte, erledigte der Quad-Core-CPU Core i5-6500 des Arbeitsplatzrechners, auf dem dieser Artikel geschrieben wurde, diese Aufgabe nebenbei in 45 Sekunden. Spaß hat das Overclocking der Museums-Hardware aber dennoch gemacht. (chh)

Dieser Artikel stammt aus c't Retro 2019.

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