Comparatif : les Radeon R9 290 et 290X d'AMD, Asus, Gigabyte, HIS, MSI et Sapphire

Publié le 17/07/2014 par
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Pour l'ensemble des cartes graphiques, les bases de l'overclocking sont assez simples : augmenter la fréquence du GPU et augmenter la fréquence de sa mémoire. Chaque génération de GPU ou des cartes graphiques voit cependant son overclocking lié à quelques particularités. C'est le cas pour Hawaii et, avant de rentrer dans les détails des résultats que nous avons obtenus, nous allons revenir sur celles-ci.


Hawaii et l'overclocking GPU
Tout d'abord il est important de rappeler que la fréquence des GPU peut varier, surtout en charge lourde, ce qui peut rendre complexe la validation d'un overclocking. Les systèmes de gestion de la consommation et des températures récents peuvent décider de limiter le GPU sous sa fréquence maximale. Par exemple si vous overclockez un GPU de 1 à 1.2 GHz mais que la limite de consommation est atteinte et que le GPU voit sa fréquence varier entre 1030 et 1050 MHz, il est difficile de parler d'overclocking à 1.2 GHz stable. Il est même probable qu'en lançant un jeu moins lourd, dans lequel le GPU monte réellement à sa fréquence maximale, des problèmes apparaissent.

Si le GPU ou le pilote graphique détecte qu'il est sous-utilisé, par exemple lors d'une grosse limitation CPU ou lorsque la synchronisation verticale est activée, le GPU peut voir sa fréquence réduite, avec un impact mineur voire nul sur les performances. Pour les Radeon R9 290, AMD a par exemple recours à cette approche quand le GPU s'approche de ses limites, de manière à lui donner un peu de répit. Cela signifie que si le test n'est pas assez lourd, il est possible que le GPU ne monte pas à sa fréquence maximale, tout simplement parce que cela ne sert à rien. Si le test est lourd mais parsemé de petits ralentissements liés au reste du système, le GPU peut voir sa fréquence réduite brièvement à chacun de ceux-ci. Dans ce dernier cas, c'est la fréquence moyenne qui n'a plus réellement de sens, les performances étant définies par une fréquence supérieure, qui peut être ou pas la fréquence maximale.

Pour analyser et valider un overclocking, il convient de prendre tout cela en compte sans oublier la limite de température définie en pratique par les performances du ventirad. Dans bien des cas, lors d'une charge prolongée, la limite de température finit par être atteinte et la fréquence maximale n'est plus d'application. Cela peut aller jusqu'à rendre l'overclocking contre-productif !

En augmentant la tension, vous augmentez la consommation, ce qui peut pousser le GPU plus vite et/ou plus loin dans ses limites. Prenons l'exemple d'un GPU cadencé d'origine à 1 GHz et qui se stabilise à 980 MHz après 30 minutes de jeu. Si vous augmentez sa tension de 0.1V pour arriver à une fréquence maximale de 1.150 GHz, il est tout à fait possible qu'après 30 minutes de jeu, la fréquence GPU se soit stabilisée à moins de 980 MHz ! Pour qu'un tel overclocking soit utile en pratique, en plus d'être stable à la fréquence maximale, il faut que le système de refroidissement soit à la hauteur et capable de le maintenir dans la durée.

Avec un système de refroidissement qui est déjà à la peine sans overclocking, mieux vaut ne pas augmenter la tension GPU. Si la fréquence maximale du GPU ne peut être maintenue, son overclocking a malgré tout de l'intérêt puisqu'il revient à réduire la tension relative et donc la consommation et l'échauffement à une fréquence donnée. Si nous reprenons l'exemple précédent d'un GPU cadencé à 1 GHz mais qui se stabilise à 980 MHz après 30 minutes de jeu suite à son échauffement, le pousser à 1.1 GHz sans augmenter sa tension lui permettra de tourner à un peu plus de 1 GHz, sans consommer plus et sans chauffer plus. Il faudra cependant pour cela que le GPU soit parfaitement stable à 1.1 GHz puisque cette fréquence pourra être d'application pendant quelques minutes, voire de manière stable dans un jeu plus léger.

Notons enfin qu'il est peu courant mais tout à fait possible qu'un overclocking soit stable quand le GPU est à son état le plus élevé, par exemple 1.1 GHz et 1.208V, mais qu'il ne le soit pas à 1.09 GHz et 1.201V, état dans lequel il peut retomber quand une limite Powertune est atteinte. Pour éviter ce problème, le plus simple est de réduire l'overclocking d'une dizaine de MHz après avoir obtenu le maximum stable. Si vous voulez cependant conserver le moindre MHz et vous assurer d'un overclocking parfaitement stable, nous vous conseillons ceci :

- fixer la vitesse du ou des ventilateurs à une valeur réduite
- augmenter la limite de consommation Powertune
- lancer un monitoring de la fréquence GPU
- lancer une charge lourde, mais pas trop (il ne faut pas que le GPU atteigne sa limite de consommation d'emblée, ce qui peut être le cas avec Furmark même à +50%)
- la limite de température va être atteinte et le couple fréquence/tension du GPU réduit progressivement, ce qui permet de détecter un problème éventuel
- si la fréquence GPU baisse trop vite, répéter en augmentant un petit peu la vitesse du ou des ventilateurs

Enfin, un autre problème de stabilité est possible : l'échauffement de l'étage d'alimentation. Plus il est chaud, plus son rendement baisse et moins la tension est stable. Si vous observez une instabilité étrange après une longue période de charge et que la température des VRM (reportée par GPU-Z) monte à plus de 120 °C, ce point est à placer en haut de la liste des suspects.


Hawaii et l'overclocking de la mémoire
Lors des tests des différentes Radeon R9 290, nous obtenions initialement des résultats incohérents au niveau de l'overclocking de leur mémoire GDDR5. Un coup un gros overclocking semblait stable, un coup seul un overclocking mineur évitait des artéfacts et/ou un plantage du système.

Nous avons rapidement réalisé que la capacité d'overclocking de la mémoire GDDR5 était liée à la tension GPU. Les Radeon R9 290 sont les premières cartes graphiques avec lesquelles nous avons observé un tel comportement aussi marqué. C'est de toute évidence lié à un choix d'AMD dans le design de la puce qui fait qu'une partie de l'interface mémoire voit sa capacité à supporter un bus à haute fréquence liée à la tension VDDC.

Nous avons pu vérifier qu'avec toutes les cartes testées, la fréquence GDDR5 maximale supportée n'avait pas besoin d'une tension VDDC supérieure à la tension d'origine du GPU en charge. Du coup où est le problème ?

Il y en a en fait deux. Le premier est lié à la gestion de la consommation et des températures. Quand Powertune réduit la fréquence GPU, dès qu'une limite est atteinte, il réduit en même temps la tension VDDC. Il est ainsi possible qu'un overclocking de la mémoire en apparence stable ne le soit plus lorsque la fréquence GPU, et donc sa tension, est réduite. Il en va en fait de même quand la charge augmente, la tension délivrée par l'étage d'alimentation ayant alors tendance à être légèrement réduite (vdrop).

Le second est plus embêtant. Rien ne garantit que la fréquence en charge de la mémoire ne sera d'application que quand la fréquence (et donc la tension) en charge du GPU l'est aussi. En fait, régulièrement, ce n'est pas le cas. Par exemple avec certaines combinaisons de sorties vidéo et de résolutions, la mémoire peut sortir de sa fréquence repos (150 MHz) pour passer en fréquence maximale alors que le GPU reste à sa fréquence repos (300 MHz). Autre exemple, le pilote graphique évite de changer trop brusquement la fréquence mémoire. Lors d'un chargement dans un jeu, le GPU va retomber à sa fréquence repos, mais pas sa mémoire, tout du moins durant les premiers instants. Autre exemple, lorsqu'une application est fermée, le GPU retombe rapidement à la fréquence repos, sa mémoire prend un peu plus de temps.

Lors de la validation des GPU Hawaii, AMD s'assure qu'ils supportent une interface mémoire cadencée à 1250 MHz même avec un GPU au repos dont la tension est réduite à moins de 1V (la tension exacte varie d'un échantillon à l'autre). Pour valider un overclocking il faut donc en faire de même, sans quoi des artéfacts pourront apparaître, notamment sur le bureau, voire des plantages nets du système, régulièrement en sortie d'application.

AMD aurait pu éviter ce problème en ajoutant simplement un mode intermédiaire pour la fréquence mémoire, mode dans lequel elle retomberait à 1250 MHz (voire moins) quand le GPU est en mode repos ("2D"). Mais ce n'est pas le cas. Nous avons bien entendu interrogé AMD à ce sujet, mais le concepteur des Radeon a préféré ne pas répondre à ces questions.

Il n'y a donc que deux options : limiter l'overclocking de la mémoire GDDR5 ou augmenter la tension GPU. Contrairement à ce que propose par défaut Nvidia, l'augmentation de la tension des Radeon R9 290 consiste en un biais appliqué à tous les états du GPU. Si vous ajoutez 0.1V, cela impactera autant la tension GPU en charge qu'au repos. Sans toucher à la limite de Powertune, la consommation n'augmentera pas du tout ou très peu en charge lourde, mais la fréquence GPU pourra en souffrir, d'autant plus que l'algorithme d'AMD réduit quelque peu la part de la consommation allouée au canal VDDC quand la fréquence mémoire augmente (comme expliqué au début de ce dossier).

En pratique, pour être exploitable et utile, un overclocking massif de la mémoire devra donc s'accompagner d'une hausse de la limite de consommation et d'une augmentation de la fréquence GPU pour profiter pleinement de la hausse obligatoire de sa tension. Pour que tout cela soit réaliste, le ventirad devra bien entendu être à la hauteur et ne pas oublier de prendre soin de l'étage d'alimentation. Plus que jamais, se contenter d'une carte de référence ou de mauvaise qualité pour jouer sérieusement de l'overclocking est à éviter avec les Radeon R9 290.


Nos résultats
Tout en sachant que chaque exemplaire d'un modèle de carte peut se comporter différemment au niveau de l'overclocking, cela reste une loterie, nous avons tenté de pousser toutes les cartes en notre possession de manière à observer d'éventuelles généralités, mais également de manière à vérifier si le système de refroidissement de ces cartes était à la hauteur pour encaisser la charge supplémentaire.

Nous validons les overclockings au départ avec 3 jeux : Crysis Warhead, Anno 2070 et Battlefield 4. Cela se fait sur un banc de test, à l'air libre et avec la limite de consommation poussée à son maximum, ce qui dans le cas des Radeon R9 (+50% !) revient à peu près à désactiver cette limite. Reste alors la limite de température définie en pratique par les performances du ventirad. Fréquences, températures et consommations sont observées durant ces tests. Nous validons ensuite l'overclocking dans 3DMark 11 en boîtier fermé et le revoyons à la baisse si des artéfacts ou plantages apparaissent durant un test de charge de 45 minutes. Dans bien des cas, durant ce dernier test, la limite de température finit par être atteinte et la fréquence maximale n'est plus d'application. Cela peut aller jusqu'à rendre l'overclocking contre-productif !

Voici ce que nous avons pu obtenir concernant l'overclocking des GPU :


Nous avons tout d'abord pu confirmer que la tension par défaut variait bien d'un GPU à l'autre, avec un écart observé de 1.156V à 1.211V. A noter que MSI applique par défaut un overvolting de +0.0125V sur ses cartes.

Dans un premier temps, en évoluant par pas de 25 MHz, nous avons cherché à atteindre la fréquence stable maximale à la tension d'origine. Sur le panel de cartes testées, elle se situe entre 1050 et 1125 MHz, MSI s'aidant probablement en partie de la tension légèrement revue à la hausse.

Nous faisons ensuite de même mais en poussant progressivement la tension de +0.025V, +0.050V, + 0.075V et +0.100V. Pour la moitié des cartes testées, il faut au moins +0.050V pour gagner 25 MHz mais passer à 0.075V permet de gagner encore 25 MHz de plus. Aucune carte n'a pu tirer d'avantage en passant à +0.1V.

Nous n'observons aucune différence significative entre les Radeon R9 290 et R9 290X en termes de fréquences maximales. Les dernières semblent avoir une légère avance moyenne de 25 MHz, mais notre panel est bien trop réduit pour pouvoir généraliser une aussi faible différence.

Lors d'un test de charge de 45 minutes, la R9 290X d'Asus, la R9 290 de Gigabyte, et les R9 290/290X de MSI ont fini par atteindre la température GPU maximale de 95 °C et ont ainsi vu leur fréquence GPu revue à la baisse. La R9 290 de HIS a vu sa fréquence réduite légèrement d'emblée, probablement limitée par sa consommation, puis réduite un peu plus quand la température limite a également été atteinte. Quant à la R9 290X de Gigabyte, elle n'a pas pu maintenir l'overclocking de manière stable en boitier fermé alors qu'aucune température (GPU, VRM, tout ce qui est visible à la caméra thermique) n'était critique. Nous supposons qu'un de ses composants était défectueux, ce qui peut arriver.

Seules les cartes de référence, de Sapphire et la R9 290 DirectCU II d'Asus ont pu maintenir leur fréquence maximale lors d'une charge lourde de 45 minutes. Il faut par ailleurs noter dans le cas de cette dernière que la consommation relative de l'échantillon fourni par Asus est particulièrement réduite et d'autre part qu'il faut utiliser le bios silence pour y parvenir. Une ancienne version de ce bios qui plus est, et pas sa dernière version dont la mesure de protection de la température des VRM peut rendre la carte inutilisable dans cet exercice.

Ne restent donc à notre avis que les cartes de référence et de Sapphire. Les cartes de référence doivent cependant monter affreusement dans les tours (il faut revoir à la hausse la limite de vitesse de leur ventilateur) et produisent alors des nuisances sonores insupportables. A moins d'être sourd, seules les cartes Sapphire sont réellement adaptées à un gros overclocking.

Pour l'ensemble des autres cartes, nous vous déconseillons de pousser la tension GPU, ce qui implique de se contenter d'une fréquence mémoire réduite :


A la tension GPU d'origine, la mémoire GDDR5 de toutes les cartes a pu monter à 1350-1450 MHz. En poussant la tension GPU VDDC de +0.075V (excepté pour la MSI 290X, +0.050V), la fréquence est montée plus haut pour toutes les cartes excepté pour notre 290X de référence issue du commerce, particulièrement peu coopérative sur ce point.

Pour les autres cartes, c'est en général 150 à 200 MHz qui ont pu être gagnés, de quoi monter jusqu'à 1650 MHz ! Par rapport aux 1250 MHz des fréquences de référence c'est 32% de mieux, ce qui est loin d'être négligeable et profitera aux performances lorsque la bande passante mémoire est un élément déterminant, notamment avec un niveau élevé de MSAA.

Les cartes équipées de mémoire Elpida semblent se comporter de manière plus homogène que celles équipées en GDDR5 SK Hynix. Le nombre de cartes testées est cependant insuffisant pour pouvoir généraliser cette impression.
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