Анатомия. Из чего состоит видеокарта?

Промышленность развивается, компоненты современных видеокарт становятся всё меньше и производительнее. Увеличение количества компонентов влечёт за собой сложность производства, усложнение схемотехники. К сожалению, это не идёт на пользу современным системам, так как их ремонтопригодность усложняется, а количество проблем, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации, возрастает. Мы же в данной ситуации можем только наблюдать и пользоваться современными решениями, которые не всегда обладают высокой надежностью, которую мы бы хотели получить за такой зачастую немалый бюджет. Но что мы о грустном, перейдём к самой теме.

Рассмотрим анатомию современных видеокарт. Посмотрим на основные компоненты печатных плат, при этом в принцип работы углубляться не будем. Если же такое желание появится, то ждём большое количество просмотров данной статьи.

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.

Системы охлаждения

Воздушное охлаждение

Говоря о строении систем охлаждения, можно выделить 3 основных типа.

Наиболее популярное на данный момент охлаждение - состоящее из теплораспределительной пластины или без неё для передачи тепла от чипа GPU и видеопамяти на тепловые трубки, на которые нанизаны алюминиевые пластины, а сверху расположены вентиляторы для отвода тепла с нагретых пластин. Конечно, есть ещё испарительные камеры и охлаждение посредством турбинных вентиляторов, но мы остановимся на более популярном охлаждении. Посмотрим на примере Palit GeForce RTX 3080 Ti GameRock OC, как это всё выглядит.

На изображении выше можно увидеть две стороны радиатора, термопасту по центру для GPU, серые и зелёные термопрокладки для передачи тепла от видеопамяти и зоны питания ( MOSFET или DrMOS, катушек индуктивности и др. в зависимости от того, как производитель решил охлаждать компоненты платы). Обратная сторона системы охлаждения в большинстве случаев — это обычная металлическая пластина из силумина или алюминия, которая играет роль дополнительного охлаждения обратной стороны печатной платы в зоне наибольшего нагрева (видеопамять, зона питания). В данном случае термопрокладки установлены только на обратной стороне видеопамяти.

Лицевая сторона самая массивная и состоит из пластины для охлаждения видеопамяти, радиатора и вентиляторов.

На изображении ниже показан сам двухсекционный радиатор с использованием шести никелированных тепловых трубок диаметром 6 мм и теплораспределительной пластиной. 

В качестве охлаждения видеопамяти мы видим дополнительную пластину, которая используется также как дополнительное усиление печатной платы. На ней располагается дополнительная плата управления подсветкой видеокарты и сам кожух, на котором устанавливаются вентиляторы. 

Водяное охлаждение

Менее популярная система по причине того, что иногда могут случаться протечки и большинство пользователей не хочет с этим сталкиваться. С одной стороны вышел из строя обычный вентилятор на системе охлаждения или же мы получили заводской брак в изготовлении водоблока, либо не до конца прикрученные фитинги, что привело к утечке во время работы видеокарты.

Сама система состоит также из лицевой и обратной стороны. На лицевой располагается сам водоблок с входными отверстиями (портами) для вкручивания фитингов и подключения шлангов или трубок. На нём также намазывается термопаста для чипа GPU и устанавливаются термопрокладки для видеопамяти и зоны питания.

На обратной стороне аналогично воздушному охлаждению ставится пластина (бекплейт) для дополнительного отведения тепла. Такая пластина может использоваться не во всех вариантах водяного охлаждения.

Гибридное охлаждение

Данный тип охлаждения ближе к водяному по причине того, что в нём используется водоблок для чипа GPU и видеопамяти или же только для чипа GPU, а также в комплекте уже присутствуют шланги, радиатор и вентиляторы.

Почему система гибридная? Потому что в таких системах зачастую область питания видеокарты охлаждается воздушным потоком, который создаёт дополнительный вентилятор, расположенный рядом с водоблоком.

Остальные компоненты

Стоит также отметить, что на печатной плате располагаются видеовыходы, такие как HDMI, Display Port, хотя их может и не быть в случае использования видеокарт для майнинга. Также на печатных платах могут располагаться различные контроллеры и разъёмы для управления подсветкой или вывода изображения на дисплей, который присутствует на видеокарте. 

Живой пример

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.