Видеокарта: устройство и анатомия

 Видеокарта: устройство и анатомия

    Печатные платы

    На текущий момент у компании NVIDIA есть 3 вида дизайнов материнских плат. Если говорить точнее, то 2, а третий — это дизайны различных вендоров, которые непосредственно изготавливают печатные платы, ставят на них компоненты и прочее.

FOUNDERS EDITION – самый первый дизайн платы от NVIDIA, под которым компания выпускает свои варианты видеокарт с необычной системой охлаждения, формой платы и разъёмом.

REFERENCE DESIGN – референсный дизайн печатной платы NVIDIA или иначе эталонный дизайн, который предлагается производителям видеокарт. Как пример, вы можете видеть такой дизайн на Palit GeForce RTX 3080 Ti GamingPro. В целом на всех видеокартах серии GamingPro используется эталонный дизайн

    Нереференсный дизайн или, иначе говоря, неэталонный — дизайн, который используют производители, обычно в своих флагманах, но бывают и исключения. Так, например, Zotac почти во всех видеокартах применяет модифицированный эталонный дизайн, при этом свободное пространство используется для разъёмов подключения подсветки. Ниже представлен пример - EVGA GeForce RTX 3080 FTW3 Ultra. На плате можно увидеть различные вырезы для прохождения воздуха, а также дополнительный разъём 8-pin. В большинстве случаев флагманские видеокарты оснащаются дополнительным разъёмом, что также требует переработки печатной платы в сравнении с эталонным дизайном, где разъёмов всего два

    Компоненты на печатной плате

    Теперь рассмотрим расположение компонентов на печатной плате. Обратите внимание, что расположение может отличаться в зависимости от производителя и вида нереференсной платы. В референсных исполнениях все элементы будут располагаться на одних и тех же местах, если производитель не внесёт некоторые изменения в конструкцию. Эталонные дизайны очень часто используются производителями по причине того, что отсутствует необходимость в разработке своей печатной платы, что влечёт за собой увеличение времени, а также стоимости при её производстве

    Лицевая сторона печатной платы

1 — керамические конденсаторы, которые используются для фильтрации и подавления помех.

2 — GDDR видеопамять. На современных видеокартах используется GDDR6 и GDDR6X.

3 — чип GPU на подложке. Подложка необходима для подведения необходимых напряжений и сигналов к самому чипу.

4 — разъём для управления вентилятором. Такие разъёмы могут располагаться в разных местах, но в большинстве случаев они находятся с лицевой стороны платы.

5 — алюминиевые или танталовые конденсаторы применяются в комплексе с резисторами с целью обработки сигнала и сглаживания его пиков и острых импульсов.

6 — катушка индуктивности (дроссель) служит для фильтрации и подавления помех.

7 — MOSFET или DrMOS. MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) — металл — окисел — полупроводник транзистор, управляемый электрическим полем или DrMOS (Driver MOSFET) – модуль, состоящий из драйвера и мосфетов. Это основные питающие элементы, с помощью которых происходит понижение входного напряжения до необходимого GPU, видеопамяти.

8 — удвоитель используется в случае, когда количество фаз меньше, чем линий питания. Часто аналогичная компоновка примняется в материнских платах, когда мы видим 16 линий питания, а на самом деле используется 8 фаз с удвоителями.

9 — переключатель BIOS используется не во всех видеокартах и может располагаться в разных местах в зависимости от решения производителя.

10 — питание разъёмов PCIe. Основные разъёмы для подачи напряжения 12 В на плату с блока питания.

11 — электролитические конденсаторы служат для фильтрации входного напряжения.

12 — шунтирующие резисторы необходимы для измерения тока, подаваемого на видеокарту с помощью падения напряжения на резисторе

    Обратная сторона печатной платы

13 — контакты разъёма SLI. На текущий момент используются только во флагманских видеокартах, а именно RTX 3090 и RTX 3090 Ti, для объединения мощности нескольких видеокарт, например, в расчётах, связанных с искусственным интеллектом или играх, которые поддерживают данный режим.

14 — обратная сторона сокета чипа GPU, которая также имеет большое количество конденсаторов электролитических, танталовых, необходимых для фильтрации и подавления помех.

15 — регулятор напряжения, который нужен для управления MOSFET или DrMOS, а также удвоителями. Так, например, если у нас на плате 8-канальный регулятор напряжения, то может использоваться до 8 MOSFET или DrMOS или 16 с применением удвоителей.

Palit GeForce RTX 3080 Ti GamingPro

    Вернёмся к видеокарте Palit GeForce RTX 3080 Ti GamingPro и уже на её примере посмотрим расположение компонентов

    Под цифрой 1 располагаются основные коннекторы (2 шт. по 8 pin). Каждый из разъёмов может пропустить через себя 150 Вт, поэтому данная карта с соответствующим биосом и с заводскими ограничениями может использовать 350 Вт. Откуда ещё 50 Вт? С разъёма PCIe, в который вставляется видеокарта в материнской плате. По спецификации указано, что с PCIe слота можно забрать до 75 Вт энергии, но на деле ограничение не выходит за рамки 50 Вт

    Стоит немного остановиться и на слоте PCIe, который помимо подачи дополнительных 50 Вт энергии служит и для передачи необходимых данных. На изображении ниже можно посмотреть обозначение всех сигналов и напряжений на слоте. Обратите внимание, что контакты используются с двух сторон

    Передача данных происходит с помощью дифференциальных линий по двум дорожкам, за один цикл передается и принимается 1 бит данных. Одновременно в данном процессе учавствуют два сигнальных контакта и два - земли. Таким образом, используются 2 контакта на передачу, 2 контакта на прием и 4 контакта земли. 8 контактов формируют одну линию PCI-E. PCI Express x16 значит, что мы может одновременно передать/принять до 16 битов за один цикл.

    Под цифрой 2 располагается зона VRM, которая включает в себя конденсаторы, катушки индуктивности, DrMOS, резисторы - всё то, что мы рассматривали уже выше. Зона VRM необходима для ограничения, стабилизации поступающего тока и напряжения для работы основных компонентов видеокарты. Напряжений на плате достаточно много, среди них входящие 12 В, 5 В, необходимые для работы регуляторов напряжения: 0.5-1.5 В — основные напряжения для чипа GPU, 1.35 В - для регулятора напряжения и фаз питания видеопамяти, 1.8 В - дополнительные опорные напряжения памяти и напряжения на слоте PCIe, 3.3 В; и различные сигналы, необходимые для управления в виде напряжения или тока в зависимости от используемого компонента.

    Под 3 располагается сама видеопамять, которая необходима графическому процессору для временного хранения части вычислений. Кроме этого видеопамять используется для предварительной загрузки необходимого материала, например, игровых текстур. Под 4 - сам графический процессор на подложке, на котором можно увидеть небольшие конденсаторы по всему периметру центральной части чипа. Под 5 номером располагаются шунтирующие резисторы, благодаря которым видеокарта рассчитывает потребление. Под 6 - те самые сглаживающие танталовые конденсаторы, о которых мы говорили ранее. 7 — видеовыходы, благодаря которым мы получаем необходимое нам изображение на экране.

На обратной стороне всё так, как мы ранее уже выяснили. Под 8 располагается обратная сторона видеопамяти, 9 — обратная сторона сокета видеочипа. Под 10 находится ещё один шунтирующий резистор, но уже для слота PCIe, под цифрой 11 — регуляторы напряжения для питания VRM.

    Мы рассмотрели основные компоненты и узлы видеокарт. В примерах использовались только видеокарты Nvidia, но у Radeon всё аналогично по компонентной базе, за исключением компоновки самого графического процессора, которая в рамках данной статьи не рассматривалась. Нам же с вами остаётся только подбирать видеокарты по своему бюджету и потребностям с надеждой, что производители сделают хорошую компонентную базу в нашей видеокарте!