特集、その他
超低消費電力CPUにもなる？「Core i9-12900K」をリミット調整で美味しく使う！
少し絞れば発熱/消費電力が激変 text by 瀬文茶
2021年12月2日 00:01
Alder Lake-Sこと第12世代Core プロセッサーの最上位モデル「Core i9-12900K」は、11月4日の発売以来、241WというHEDT級のMTP(Maximum Turbo Power)や、大消費電力に伴う発熱の大きさから、「爆熱」という不名誉な評価を得ています。この評価が不当だとまでは思いませんが、同じAlder Lake-Sがベースであるなら、先日テストした「Core i5-12600K」のように電力効率に優れた一面もあるはずです。
そこで今回は、爆熱と呼ばれるCore i9-12900Kから、低発熱で電力効率に優れたAlder Lake-Sの特性を引き出すべく、ブースト動作のリミッターをチューニング。Core i9-12900Kの発熱と消費電力をコントロールする実験にチャレンジしてみました。
MTP 241Wの16コア24スレッドCPU「Core i9-12900K」
まずは、Core i9-12900KというCPUについておさらいしておきましょう。
Core i9-12900Kは、開発コードネームAlder Lake-Sこと第12世代Intel Coreプロセッサーの最上位モデルで、8コア16スレッドのPコア(Performanceコア)と、8コア8スレッドのEコア(Efficientコア)のハイブリッド構成により16コア24スレッドを実現したCPUです。
DDR5メモリやPCIe 5.0といった新規格を取り入れたCore i9-12900Kですが、そのスペックで一番注目を集めたのは、241Wという数値が設定された「MTP(Maximum Turbo Power)」でしょう。新たに導入された電力指標であるMTPは、「ブースト動作時の最大消費電力」の指標で、標準的にはこの数値がCPUの電力リミットとして利用されます。
ただし、CPUがベースクロックで動作したさいの電力指標である「PBP(Processor Base Power)」とは異なり、MTPはシステムベンダーが任意で構成可能とされており、現在発売されているIntel Z690マザーボードの多くがMTP値よりも高い電力リミットを設定しています。逆に、将来的にはMTP値よりも低い電力リミットを設定したマザーボードが登場する可能性もあり、MTP値は厳密な最大消費電力という訳ではありません。
IntelがわざわざCore i9-12900KのMTPを241Wにした理由は、競合の16コア32スレッドCPU「Ryzen 9 5950X」を打倒するためでしょう。実際、CPUのマルチスレッド性能を測定するベンチマークテストでRyzen 9 5950Xを上回ることもあるようですが、そのために必要な高クロックのブースト動作は電力効率が悪く、結果として得た評価が「爆熱」であったという訳です。
Core i9-12900Kのワットパフォーマンスが激変Alder Lake-Sの美味しいところを引き出す「電力リミット」チューニング
まずは、手っ取り早くCore i9-12900Kの消費電力をコントロールする方法として、「電力リミット」のチューニングを試してみます。
今回のテストでは、DDR4版Intel Z690マザーボード「ASUS TUF GAMING Z690-PLUS D4」と、360mmサイズのオールインワン水冷クーラー「Fractal Design Celsius S36 Blackout」の組み合わせで、Core i9-12900Kをしっかり冷却しつつ、電力リミットチューニングを行っていきます。
なお、チューニングできる範囲やCPUの挙動については、マザーボードやUEFIのバージョンなどによって異なる可能性がありますので、ご注意ください。
ASUS TUF GAMING Z690-PLUS D4では、UEFI上の項目から電力リミットの設定が行えます。
具体的には、UEFIメニューのAdvanced Modeで、「Ai Tweaker」→「Internal CPU Power Management」の順にアクセスした先にある、「Long Duration Package Power Limit」が長期的電力リミ
ットである「PL1」、「Short Duration Package Power」が時間制限付電力リミットである「PL2」の設定項目です。今のところ、Alder Lake-SではPL1とPL2を同じ数値にするのが標準的な設定となっています。
ASUS TUF GAMING Z690-PLUS D4では、電力リミットが標準で「Unlimited(4,095W)」に設定されていたので、今回はこれを「241W」「180W」「142W」「125W」「65W」「35W」に引き下げてテストしてみることにしました。
なお、マザーボードの標準値よりも高い数値を電力リミットに設定した場合、供給能力を超える電力消費の発生によってマザーボードが故障する危険があります。標準値がUnlimited以外のマザーボードでは、その標準値を超えない範囲でチューニングすることをおすすめします。
電力リミットによるパフォーマンスの変化（CINEBENCH R23）
電力リミット設定ごとにCINEBENCH R23の「Multi Core」を実行し、そのスコアをまとめたものが以下のグフラです。
電力リミット無制限のUnlimitedで記録したスコアは27,069で、このスコアは241W設定ではほぼ変化がみられないものの、180Wで26,502に低下し、以降は電力リミットが低くなるほどスコアが低下していることが確認できます。
電力リミットごとの「CPU消費電力」
CINEBENCH R23実行中のCPU消費電力を、モニタリングソフト「HWiNFO64 Pro」で測定した結果が以下のグラフです。測定した数値は、電力リミットの制御用パラメータである「CPU Package Power」です。
Unlimitedと241W以外の設定では、最大消費電力と平均消費電力が電力リミット値とほぼ一致しており、かなりの高精度で制御が行われていることが伺えます。
例外となったUnlimitedと241Wでは、最大消費電力が210W前後となっており、上限値に達していないため電力リミットは機能していません。最大限のブースト動作中でもCINEBENCH R23程度の負荷では、MTP値の241Wには到達しなかったというわけです。
電力リミットごとの「システムの消費電力」
CINEBENCH R23実行中にシステムが消費した電力を、ワットチェッカー「RS-BTWATTCH2」で測定した結果が以下のグラフです。
電力リミットが機能していないUnlimitedと241W設定では、平均で280W弱、最大で290W弱の電力を消費していますが、180W設定以下では目に見えて消費電力は減少しており、125W設定で200Wを切り、35W設定では80W未満にまでシステムの消費電力が低下しています。
電力リミットごとの「ワットパフォーマンス」
電力リミットで消費電力を制御することによって、Core i9-12900Kの電力効率がどの程度変化したのかを確かめるべく、CINEBENCH R23のスコアを平均消費電力で割ることにより「1Wあたりのパフォーマンス」を求めてみました。
まずは、スコアをCPU消費電力で割った結果のグラフです。
このグラフでは、電力リミットが作動する180W以下になると、リミット値を低くすればするほど電力効率が上昇していることが分かります。35W設定では1Wあたりのスコアが「326.0」に達しており、これは「132.5」だったUnlimited設定の2.5倍近い数値であり、CPU自体の電力効率が劇的に向上していることが分かります。
続いて、スコアをシステムの消費電力で割った結果のグラフです。
CPU自体の電力効率では35W設定がベストでしたが、システムの消費電力として見た場合は65W設定が僅差ながら35Wを退けてトップに立っています。システムが消費する電力には、CPU以外にもメモリやチップセット、CPUクーラーなどの消費電力も含まれるため、CPUの電力効率を追求しただけではシステム全体の電力効率を改善することはできないということです。
いずれにせよ、180W以下の設定ではUnlimited設定に比べ電力効率が向上していることは確かです。パフォーマンスと電力効率を確認して、自分自身が美味しいと感じられるバランスを見つけるのが電力リミットチューニングのポイントです。
電力リミットごとの「CPU温度」
CINEBENCH R23実行中のCPU温度を、モニタリングソフトで測定した結果が以下のグラフです。測定した数値は温度リミット制御用のパラーメータである「CPU Package」です。
Unlimitedと241W設定で平均約72℃、最大76℃だったCPU温度は、電力リミットを引き下げるほど低くなっています。電力リミットによる制御によって、大部分が熱に変換されるCPUの消費電力が減少しているわけですから、これは当然の結果と言えるでしょう。
電力リミットごとの「CPUクロック」
CINEBENCH R23実行中に取得したモニタリングデータから、PコアとEコアの平均CPUクロックを計算したものが以下のグラフです。
電力リミットが作動する180W以下の設定ではCPUクロックの低下が見られますが、Core i9-12900KのベースクロックはPコアが3.2GHzで、Eコアが2.4GHzですので、125W設定以上ではPコアとEコアの両方がベースクロックを超えるブースト動作中であることが確認できます。
電力リミットに達したからと言って即座にブースト動作が無効になるという訳ではなく、許容されている消費電力の範囲内で最大限のパフォーマンスが発揮できるよう、CPUクロックが調整されているというわけです。
動作温度「100℃」の不安を解消する「温度リミット」チューニング
ここからは、CPUの上限温度をコントロールする「温度リミット」のチューニングを試していきます。
電力リミットのチューニングで使用したマザーボード(ASUS TUF GAMING Z690-PLUS D4)はそのままで、CPUクーラーは360mmオールインワン水冷の「Fractal Design Celsius S36 Blackout」に加え、240mmオールインワン水冷の「ASUS TUF GAMING LC 240 ARGB」と、サイドフロー型空冷「サイズ 虎徹 Mark II」を用意。冷却性能の異なるこれらのクーラーで、温度リミットチューニングの効果を確認していきます。
今回使用しているASUS TUF GAMING Z690-PLUS D4は、UEFI上で温度リミットのチューニングが行えます。
電力リミットチューニング同様、Advanced Modeの「Ai Tweaker」→「Internal CPU Power Management」にアクセスすると、最上段に温度リミット値を設定するための項目「Maximum CPU Core Temperature」が用意されています。
温度リミットに設定できる数値はマザーボードによって異なりますが、ASUS TUF GAMING Z690-PLUS D4は「62～115℃」という広い範囲で温度リミットを調整できます。ただし、標準のリミット値である100℃を超える設定は、オーバーヒートによってCPUを故障させるリスクがある極めて危険な設定です。温度リミットをチューニングする場合は、100℃以下に調整することを強く推奨します。
今回は、標準値である「100℃」と、20℃低い「80℃」に設定した場合でベンチマークテストを行い、CPUのパフォーマンスがどのように変化するのかを確認してみます。
なお、今回はテスト環境では室温が約22℃とだいぶ低いものとなっています。Core i9-12900Kを冷やすのに必要なCPUクーラーの能力を推し量るには適さない条件でのテストとなっておりますので、あらかじめご了承ください。
温度リミットによるパフォーマンスの変化（CINEBENCH R23）
温度リミット設定とCPUクーラーの組み合わせによる6通りの条件で、CINEBENCH R23のMulti Coreスコアを測定してみた結果が以下のグラフです。
温度リミット100℃でのベストスコアは「27,069」の360mm水冷で、240mm水冷を0.4％、虎徹 Mark IIを1.2％上回っています。いずれのクーラーも僅差ですが、虎徹 Mark IIは軽くサーマルスロットリングが起きていそうなスコアとなっています。
温度リミットを80℃にした場合でもベストスコアは360mm水冷の「27,076」で、240mm水冷を0.9％、虎徹 Mark IIを4.4％上回っています。虎徹 Mark IIはスコアの低下が顕著になっており、サーマルスロットリングが作動していることは間違いなさそうです。
温度リミットと「CPU温度」
CINEBENCH R23実行中のCPU温度(CPU Package)をまとめた結果が以下のグラフです。
360mm水冷のCPU温度は平均72℃、最高76℃となっており、温度リミットの設定に関わらずサーマルスロットリングが作動する温度には達していないことが分かります。
一方、240mm水冷は、温度リミット100℃設定時に平均83.4℃、最高88℃を記録しており、この時は温度リミットに到達していません。しかし、温度リミット80℃設定では平均79.3℃、最高82℃に低下しており、サーマルスロットリングによる温度制御が行われているようです。
虎徹 Mark IIに関しては、どちらの温度リミット設定でもCPU温度はリミット値に到達しており、100℃設定では平均98.7℃、80℃設定では平均79.6℃と、CPU温度がリミット値に張り付いていないと記録できないような数値になっています。実際、推移グラフをみるとその通りになっていることが確認できます。
温度リミットと「CPUクロック」
いくつかの条件では温度リミットに到達していることが確認できたので、サーマルスロットリングによってCPUクロックがどの程度低下しているのか確認してみましょう。
まずは、ベンチマーク中の平均Pコアクロックをまとめたグラフです。
温度リミットの影響を受けていない最大ブースト動作の360mm水冷が4.9GHzで動作している一方、100℃設定時の虎徹 Mark II、80℃設定時の240mm水冷と虎徹 Mark IIは、Pコアクロックが低下していることが確認できます。
次のグラフは、平均Eコアクロックをまとめたものです。
Eコアクロックは全ての条件で約3.7GHzとなっています。今回発生したサーマルスロットリング程度であれば、Pコアクロックを多少絞るだけで温度リミットを維持する制御が可能だったようです。
温度リミットと「CPU消費電力」
ベンチマーク実行中のモニタリングデータから、CPU消費電力(CPU Package Power)についてまとめたものが以下のグラフです。
サーマルスロットリングが発生した条件の平均消費電力は低い数値となっていることが確認できる一方、最大消費電力についてはCPU温度の低かった360mm水冷がもっとも低い数値となっています。CPUは動作温度が高いほど消費電力が増加する傾向があるので、CPU温度を低く保っている360mm水冷の消費電力が低い値となっているわけです。
実際、サーマルスロットリングが起きていない100℃設定での360mm水冷と240mm水冷を比較してみると、CPUの動作自体に差は無いにも関わらず、最大値だけでなく平均値も360mm水冷の方が低い消費電力となっています。
温度リミットと「システムの消費電力」
ベンチマーク実行中に、ワットチェッカーで測定したシステムの消費電力をまとめたものが以下のグラフです。
ここにはCPUクーラー自体の消費電力差も含まれていますが、各条件の消費電力差はCPU消費電力の測定結果とほぼ同じ結果となっています。CPUクーラーの消費電力自体、それほど大きなものではないということでしょう。
温度リミットと「ワットパフォーマンス」
最後に、CINEBENCH R23のスコアを平均消費電力で割った「1Wあたりのスコア」で、温度リミットやCPUクーラーの違いによる電力効率を確認してみましょう。
まずは、スコアをCPU消費電力で割った結果です。
100℃設定では最大ブースト状態でありながらもっとも消費電力の低かった360mm水冷が頭一つ抜けた結果になっています。これは動作温度が高くなるほど消費電力が増加するという、CPUの基本的な特性を反映した結果です。
一方、80℃設定では、サーマルスロットリングによってもっとも低いスコアとなっていた虎徹 Mark IIが頭一つ抜けています。少しCPUクロックを絞る程度で電力効率が大幅に向上するというCore i9-12900Kの特性ゆえの結果と言えるでしょう。
次のグラフは、スコアをシステムの消費電力で割った結果です。
こちらはCPU消費電力あたりのスコアと大差ないようで、100℃設定では360mm水冷、80℃設定では虎徹 Mark IIがトップに立っています。
いずれにせよ、温度リミットのチューニングによる電力効率の改善は副次的なものです。電力効率の改善を狙うなら電力リミットでチューニングするべきでしょう。
少し絞れば断然使いやすくなるCore i9-12900K手軽で効果的な電力＆温度リミット・チューニング
そのまま使うと200W以上の電力を消費しながら大きな熱を発するCore i9-12900Kは確かに扱いづらいCPUですが、今回のテストで試したように、電力リミットを少し絞ってやれば、Core i5-12600KのようにAlder Lake-Sならではの優れた電力効率を発揮するCPUになります。消費電力が減少すれば発熱も減少するので、かなり扱いやすくなります。
電力効率に興味はないけれど、動作温度や冷却に興味があるという方であれば、温度リミットで最大動作温度を制限するのも有効です。設定した温度の範囲内で、CPUは最大限のパフォーマンスを発揮してくれるでしょう。
これらのチューニングは組み合わせて利用することもできますし、なにより安定性に影響のあるアンダークロックや低電圧チューニングとは違い、基本的に安定性を損ねることがないのが魅力です。手軽で効果的な電力＆温度リミットチューニングを使って、Core i9-12900Kを使いこなしてみましょう。
