GeForce GTX Titan另类超频测试
作为新一代的单芯卡王，GeForce GTX Titan引起玩家关注的除了超强的游戏性能外，还有其全新的GPU Boost 2.0机制。GPU Boost 2.0相比1.0版本究竟有何改进？对GTX Titan的超频又有何影响？下面笔者就结合NVIDIA内部绝密的显卡BIOS编辑软件，深入解密GPU Boost 2.0的工作机制，并实测其对GTX Titan超频的影响。
GPU Boost作为一种显卡自动超频技术，其设计的目的就是为了在严格控制功耗的基础上更好地提高显卡的性能，进而提高显卡的能耗比。在目前的很多实际应用中，显卡其实并没有达到满负载运行状态，实际功耗也低于TDP。GPU Boost技术能够让处于该状态下的显卡自动提升工作频率，使显卡的实际功率接近或者达到TDP，防止显卡“偷懒”。
一、GPU Boost 1.0解析
GPU Boost 2.0由1.0版本改进而来，我们首先需要了解一下GPU Boost 1.0的工作原理。GPU Boost的实现在硬件上需要借助一个起着监测与控制功率作用的I2C芯片，在软件上则主要是显卡BIOS支持。
1、功率的监测与限制
在开普勒架构显卡的设计中，有一个极为重要的芯片：I2C芯片。这个芯片担负着监测并控制显卡输入功率和输出功率的作用。具体一点来说，I2C芯片可以控制PCI-E插槽、6pin、8pin等供电接口各自的大输入功率。此外，它还可以对显存、GPU等部件的大输出功率进行设定，并对显卡的功率上限做出监测与限制（图1～图6）。可以说，I2C芯片是实现GPU Boost的硬件基础。而显卡BIOS中的参数设置则可以对各个功率值进行设定与调整，是实现GPU Boost的软件基础。
上述一系列针对显卡功率的监测与控制，是实现GPU Boost动态超频技术的基础。在GPU Boost 1.0版本中，功率是重要的触发指标。以公版GTX 680显卡为例，BIOS中的默认核心频率为1006MHz，Boost频率为1058MHz，实际的高Boost频率为1097MHz（之所以会出现高Boost频率与默认Boost频率不符的情况，后面会有详细介绍），默认TDP被设定为196W。当显卡的实际TDP低于196W时，GPU Boost就开始工作，GPU核心的实际运行频率就会在1006MHz～1097MHz之间波动。当显卡的实际TDP达到或者略微超过196W时，核心频率就会自动下调，以减少显卡功耗。当运行满负载拷机软件时，为了把功率控制在196W以内，公版GTX 680的实际频率甚至会自动降为低于默认频率的979MHz。
2、电压与频率挂钩
那么GPU Boost 1.0技术是如何实现以功率为触发指标来自动进行频率调节的呢？在开普勒架构显卡的BIOS中其实都存在三个定义表格：电压表格、频率与电压对应表格、运行状态表格。
① 电压表格
该表格用于定义各个状态下的电压值，多可以达到64档。每档前面有一个序列号，后面为具体的电压值。显卡BIOS通过调用序列号来加载该档的预设电压值（图7）。
② 频率与电压对应表格
该表格用于定义GPU核心频率与电压之间的关系，多可以达到63档（0～62）。每档前面有一个序列号，后面为具体的运行频率值（除以2即为实际频率）和运行该频率时对应的电压序列号（即前文电压表格中的电压序列号）。显卡BIOS通过调用序列号来加载该档的预设频率与电压值（图8）。
③ 运行状态表格
该表格用于定义显卡在2D、3D、大性能状态下的频率范围，该范围通过调用前面“频率与电压对应表格”中的运行状态序列号来进行定义（图9）。
大性能状态下的频率范围为1～46（运行状态序列号），显卡的默认高电压为1.175V，对应的电压序列号为49。而在“频率与电压对应表格”中我们可以发现38档中的电压序列号就是49，对应的频率为2195÷2=1097MHz，该值就是公版GTX 680在默认电压下的高Boost频率值。
因此GPU-Z软件所测得的Boost频率其实只是一个目标参考值，至于显卡实际高的Boost频率值，还得看BIOS中的电压与频率设置关系。事实上，NVIDIA Inspector这款NVIDIA显卡超频软件在检测显卡的高Boost频率值时比GPU-Z要更加准确（图10）。
如果我们把公版GTX 680的电压增加到大的1.2125V，此时对应的电压序列号为57，在“频率与电压对应表格”中46档的电压序列号就是57，对应的频率为2404÷2=1202MHz，该值就是公版GTX 680在1.2125V电压下的大Boost频率值。
也就是说如果我们把公版GTX 680加压到1.2125V，那么显卡在GPUBoost1.0机制下的大自动超频频率即为1202MHz。如果该状态下显卡整体功率大于196W，那么Boost率就会自动下降一个档次，假如下调频率之后显卡功率依然高于196W，那么Boost会继续自动下调频率，直到功率低于196W为止。这也就是支持GPU Boost 1.0的显卡上需要破解大功率上限才能获得更大超频幅度的原因。反过来说，如果我们把公版GTX 680的默认电压下调，那么其在Boost状态下的大频率也会自动根据电压值而下降。同理，如果把功率上限值也下调的话，Boost状态下的核心频率也会自动下降。
简而言之，GPU Boost 1.0的运行机制就是以显卡整体功率值为触发点，把电压值与核心运行频率以表格的形式进行挂钩，再细分为几十个档次，根据实际的功率情况在不同档次之间调整（图11、图12）。
图1、图2：I2C芯片是实现GPU Boost的硬件基础
图3：通过BIOS可以将PCI-E插槽的默认输入功率设定为66W（大75W）
图4：通过BIOS可以将6pin供电接口的默认输入功率设定为87W（大108W）
图5：通过BIOS可以将8pin供电接口的默认输入功率设定为162W（大180W）
图6：通过BIOS可以将GTX Titan的默认TDP设定为250W（大TDP为265W）
图7：每一档的序列号与预设电压值都是一一对应的
图8：显卡BIOS通过调用序列号来加载某一档的预设频率与电压值
图9：运行状态表格示意
图10：NVIDIA Inspector中测得的Boost频率与GPU-Z一致，均为目标参考值，而Est.Ma栏中的数值才是实际的高Boost频率。
图11：第38档的频率与电压序列号
图12：第46档的频率与电压序列号
图13：GTX Titan的GPU核心温度达到77℃时，GPUBoost 2.0机制会被触发。
图14：在默认BIOS下，公版GTX Titan的大功率上限为106%，即265W。使用NVIDIA Inspector软件可以把GTX Titan的保护温度上限调整为94℃。
图15：NVIDIA Inspector软件配合破解版BIOS能够把功率上限提升到300%，即750W。
图16：测试平台一览
图17：测试成绩
图18：核心频率与温度监测
图19：核心温度超过77℃之后的变化
二、GPU Boost 2.0解析
随着单芯卡王GTX Titan的横空出世，GPU Boost 2.0首次亮相。GPU Boost2.0除了沿用GPU Boost1.0中的功率触发机制外，还加入了温度触发机制。当GTX Titan的GPU核心温度达到77℃时（图13），GPU Boost 2.0机制会被触发，此后核心温度每上升1℃，Boost的频率值将自动下调一个档次。当核心温度达到80℃时，GPU Boost 2.0会取消自动超频机制，显卡也会随即降到默认频率下运行。
需要注意的是，在GPU Boost 2.0中，功率触发机制与温度触发机制是同时生效的，无论显卡的运行状态先触发到哪个机制，都会被降频使用。例如把GTX Titan显卡的散热器排风口用纸板挡住，GPU核心温度很快就会上升到80℃，此时即使显卡功率达不到250W，核心频率也会自动下降到默认的837MHz。
事实上，GPU Boost 2.0并非GTX Titan独享，在GK106核心的GTX 660/650Ti Boost（工程样品）的BIOS中也早已经具备了GPU Boost 2.0的功能，但是不知道出于何种原因在终产品上市的时候NVIDIA把该功能关闭了。后续笔者会尝试在GTX 660/650Ti Boost显卡上开启GPU Boost 2.0功能。
三、GTX Titan另类超频测试
在深入的了解了GPU Boost 1.0、2.0的机制之后，下面笔者将进行GTX Titan的超频实战，来看看在新的GPU Boost 2.0机制下如何才能把GTX Titan超得更高、更稳定（图16）。
测试中为了验证GPU核心温度对GTX Titan自动超频的影响，需要营造一个让GPU核心温度很快到达80℃以上的环境。由于公版GTX Titan所使用的是一体化涡轮散热器，具有独立的风道，因此即使放置在风道较差的密闭机箱内，对显卡的散热影响也不大。笔者采用了在GTX Titan显卡出风口放置纸片的方法来破坏OTES一体化涡轮散热器的散热效果，目的是让公版GTX Titan的核心温度很快突破80℃。
另外，由于公版GTX Titan的大功率上限为265W，仅比默认TDP提高了6%（图14），因此笔者采用修改BIOS的方法把功率上限破解到750W，以验证功率限制对GTX Titan超频的影响。前文中提到过的NVIDIA Inspector软件可以手动调整GTX Titan的保护温度上限，配合破解版BIOS还能够把功率上限提升到750W（图15）。
测试分为五个状态下进行，一、以正常默认频率下的GTX Titan进行常规的基准测试和游戏测试，以此成绩作为基准；二、接着用纸板挡住显卡散热器出风口，并且在默认频率下再次进行性能测试。
三、然后撤去纸板，并在默认电压、风扇转速、温度限制下把GPU核心频率超频到1006MHz，显存频率超频到6600MHz，记录下各个测试结果；四、在测试4中则利用破解BIOS把GTX Titan的功率上限提升到750W，但是温度上限保持为默认的80℃，超频频率保持测试3中的1006MHz/6600MHz。
后的测试5中使用NVIDIA Inspector软件把温度上限提升到94℃，超频频率与测试3、4一致。在所有测试进行的同时使用GPU-Z软件在后台记录下显卡的实时频率与温度情况。
在测试1中（图17），GTX Titan完全在默认状态下正常运行，由于原装散热器性能不弱，所以GPU核心温度控制还是比较理想，在77～79℃之间波动，核心频率也在966～992MHz之间波动（图18）。在测试2中使用纸板挡住散热器出风口从而使得显卡核心温度快速上升到77℃之后，GTX Titan的Boost频率开始逐级下降，达到80℃后Boo st功能自动关闭，GPU核心频率下降到默认的837MHz。测试2中GPU核心频率在837～992MHz之间波动，因此显卡性能明显低于测试1中显卡在正常状态下的情况，整机满载功率也低于测试1。
在测试3中，笔者把GPU核心超频到1006MHz，此时理论上的Boost大频率应该为1162MHz，但由于受到温度与功率的双重限制，其核心频率大多数时间是在1006～1111MHz之间波动，性能相比默认状态提升不明显。
测试4的情况与测试3非常相似，虽然把功率上限提升到750W，但是温度限制依然存在。超频后的GPU核心温度高达到82℃（图19），核心频率也是在1006～1111MHz之间波动，性能几乎与测试3中的表现一致。测试3、4中的整机满载功率均比默认状态下略微提升了20W左右。
进入测试5之后，GTX Titan终于挣脱了紧箍咒的束缚，此时GPU核心频率长时间稳定在1134～1162MHz。虽然笔者设置的频率与测试3、4中完全一致，但是性能提升却非常明显，达到了9%左右。整机功率比默认状态下增加了约70W，GPU核心高温度也超过了89℃。
GPU Boost 2.0使超频更加安全
从整个测试来看，我们可以得出这样的结论：GPU Boost 2.0在1.0版本的基础上增加了温度限制机制，使得Boost自动超频更加地智能与安全。对于绝大多数普通用户来说，在严格限制了功率与温度上限之后，显卡的自动超频更具实用性。既能够增强显卡性能，还能够合理控制显卡的功耗与发热，大大减少了由于超频而引发硬件损坏的机率。而对于追求极限超频的发烧玩家而言，GPU Boost 2.0的存在可能成为一个桎梏，但也无需担心，我们可以通过BIOS与软件破解相结合的方法去除各种超频限制，不过切记一定要做好显卡的散热措施以免让卡王受伤。
