Erfahrungsbericht "S7-VRM" Spannungsregler von Necroware

Seit inzwischen einigen Monaten köchelt bei mir eine Sockel 7 Entdeckungsreise, welcher mit dem Kauf von einem ungetesteten Bundle (Soyo 5T-Fx + AMD K5 PR133 + 16 MB EDO) gestartet hat. Es handelt sich dabei um ein Split-Voltage Sockel 7 Mainboard mit maximalem Bustakt von 66 MHz und maximal 64 MB cachable EDO-RAM. Nicht die optimalen Voraussetzungen für gute K6-2 Performance, aber allein die "zu neue" CPU-Generation verwenden zu können, finde ich super spannende. Das Hauptproblem für die Nutzung eines K6-2 in solchen alten Boards betrifft die Spannungsversorgung:

Zwei Lineare Spannungsregler sind verbaut, der mit dem großen Kühlkörper übernimmt die Regulierung der kompletten Versorgung auf 3,3 bis 3,5 V. Der mit dem kleinen Kühlkörper kümmert sich um die Regulierung von Vcore auf 2,5 V bis 2,9 V im Falle von Split-Voltage CPUs. Für einen K6-2 ist das einerseits eine zu hohe Spannung, andererseits fällt bei größeren Unterschieden zwischen Versorgungsspannung (5 V) und CPU-Spannung, mehr Abwärme an den Linearreglern an.

Diesem Problem hat sich Youtuber Necroware bei dem S7-VRM Projekt angenommen und schafft mit dem VRM Modul die Grundlage moderne Split-Voltage CPUs an Single-Voltage und frühen Split-Voltage Boards zu betreiben. Designed ist dieses VRM für Boards mit einem passenden Header, von Intel damals für den Sockel 7 spezifiziert. An Boards wie meinem, ohne diesem Header, kann man das Modul direkt einlöten und sich die 5 V zb. per Molex holen.

Nun, wie ist es mir ergangen:

Beim Bau des VRM-Moduls habe ich zunächst mit dem spärlichen Hinweis zu den Schalttransistoren "at least 15 A" zu wenig mitgedacht und Transistoren mit zu hohen Gate-Source Spannungen gekauft. Der Schaltregler hat eine 5 V Spannungsversorgung und braucht logischerweise Schalttransistoren, die sich mit den 5 V "öffnen" lassen. Also "logic level" MOSFETs gekauft und verlötet. Immernoch keine Spannung am Ausgang. Evtl. defekter Schaltregler? - ich hatte zwei bestellt, nach Tausch sprang der VRM dann munter an. Lange Rede, Infinion IRLR2905PBF Schalttransistoren funktionieren und den ersten Schaltregler hab ich bei der vorherigen Fehlersuche wohl beleidigt.

Ich habe das Modul übrigens etwas vereinfacht gebaut, weil ich die Umschaltung der Spannung und die Features des Intel VRM Headers nicht nutze: Ich habe kein Power Good, kein VRM Disable und kein Mäuseklavier verbaut. Fix auf 2,2 V Nennpannung und los.

Die Umschaltung zwischen Single und Split Voltage am Mainboard geschieht mittels J35, ich habe die Jumper einfach entfernt und das VRM am "Abgang" von dem Jumper angelötet. 5 V kommen über einen Molexstecker - schon liegen die gewünschten 2,18 V am Sockel an. K6-2 rein und läuft, erkannt wird er als "80486DX-S 66 MHz", laufen tut er gemäß den Jumpern auf 66 MHz x 3,5 = 233 MHz. Stabilität scheint einwandfrei, na dann ab zu den hohen Frequenzen, die ja der K6-2 bietet - aber kein POST bei Multiplikator 6.0, Diagnosekarte vermeldet "0D", CPU frequency detection. Also ein BIOS-Fallstrick. Nun 6.0 muss es ja nicht sein, auf der Mainboardrückseite den "BF2" Multiplikatorpin gegen GND gezogen um die Multiplikatoren 4.0 bis 5.5 zu testen. Aber auch da das gleiche Bild, "0D" und schwarzer Bildschirm.

Ich war schon etwas traurig, für mein Board hab ich kein alternatives BIOS gefunden um die korrekte Erkennung von K6-2 CPUs zu ermöglichen. Mit einem Board welches den VRM Header hat, gibt es deutlich bessere Chancen fündig zu werden, selbst wenn es sich um Single-Voltage Boards handelt (zB. Soyo 5T-Ex). Ein bisschen herumprobiert habe ich dann und aha! Bei 50 und 55 MHz wird auch bei höheren Multiplikatoren gePOSTet! Das Ergebnis:

55 MHz * 6.0 = 330 MHz. Na das ist doch mal schick

Hier die Auswirkungen auf Performance:

Klar bremst der langsamere Bus den Cache und PCI ein bisschen, aber spaßiger als 233 MHz allemal. Hier sieht man, dass der TOPBENCH Score (bzw. die Zeit) hauptsächlich vom Grafikspeicherzugriff abhängt, vielleicht doch nicht die beste Wahl für das Ranking in der (geplanten?) DOS-Benchmarkliste. Die Ergebnisse sind übrigens "out-of-the-box", ich habe also noch keine DOS-Tools zur Aktivierung von der K6 Write Allocation verwendet. Das sollte auf Boards ohne BIOS-Support/ohne Mod-BIOS nochmal ein bisschen extra Performance geben.

Mit dem Zangenmultimeter hab ich bis jetzt Ströme bis 5 A auf Vcore messen können (auf 3,3 V wird natürlich auch noch zusätzlich Strom konsumiert), das steckt das VRM thermisch gut weg: (5 A Dauerlast ergeben 85 °C am Ferritkern und 60 °C MOSFET)

Wenn jemand Lust hat so ein Modul zu bauen, ich habe noch zwei Ringkerne und vier Platinen, die ich euch sehr gerne zukommen lassen kann. Wenn jemand Interesse am K5 PR133 hat wird man sich sicher auch einig (hab ja jetzt K6-2 :D). Einen K6-2 400 MHz kann ich auch gerne abgeben, der 350 ist für den erreichbaren Takt hier ausreichend =).

Noch ein bisschen Milchmädchenrechnerei bezüglich der Abwärme der Linearregler:
CPU World schreibt dem K5 eine TDP von 14 W zu, welche bei 3,5 V Kernspannung einem Strom von 4 A entspricht. Beim Betrieb des K5 ist die Linearregler-Temperatur bei 1,5 V * 4 A = 6 W Verlustleistung auf über 80 °C angestiegen.

Die theoretisch schnellste unterstützte CPU von dem Board mit dem Standard-Spannungswandler wäre der Pentium MMX 233, welcher 11,5 W am großen (17 W TDP --> 6,8 A; 1,7 V) und nochmal ~2,5 W (~5 A; 0,5 V) am kleinen Linear-Kühlkörper abstrahlen müsste. Abgesehen davon, dass man für den K6-2 die Schaltung am Mainboard modifizieren müsste wären diese Werte, besonders am kleinen Kühlkörper noch höher. Das würde alles zumindest eine aktive Kühlung erfordern, wenn die Reglern nicht sogar einfach sterben.)

Hab zunächst auch geglaubt, dass die Spannung evtl. zu niedrig ist, und habe es mit 2,4 V versucht. Kein Unterschied. Die Spannung unter Last (5 A) sackt nur um wenige mV ab (2,177 V statt 2,180 V) das ist sehr stabil.