Как создаются видеокарты ZOTAC экскурсия на завод PC Partner

Как создаются видеокарты ZOTAC: экскурсия на завод PC Partner

Несколько дней назад наши редакторы получили возможность посетить производство крупной китайской компании. PC Partner не так хорошо известна нашим читателям, но компания стоит за такими популярными брендами, как ZOTAC. Ниже мы расскажем нашим читателям о современном цикле производства видеокарт и приведем множество фотографий.

Конечно, мы не можем охватить полный цикл производства видеокарты. Например, GPU производятся компаниями NVIDIA и AMD, производители видеокарт получают уже готовую упаковку с чипом. То же самое касается и чипов памяти, хотя здесь производители видеокарт получают некоторую свободу. Впрочем, здесь не все так просто. Например, с видеокартами GTX 1070 некоторые производители перешли на чипы памяти другого бренда, что поначалу привело к проблемам. Ниже мы рассмотрим процесс добавления компонентов на PCB, а также сборку и упаковку видеокарт. Все эти процессы выполняются на заводе PC Partner. Другие этапы, такие как создание PCB, выполняются другими компаниями, PC Partner получает уже готовые печатные платы.

Но сначала пару слов о самой компании. В PC Partner работает порядка 5.000 сотрудников, компания была основана в 1997 году как производитель материнских плат. Но с 1998 года компания работала в качестве контрактного производителя в других сферах. Штаб-квартира PC Partner находится в Гонконге, отдел исследований и разработок – в китайском Шэньчжэне вблизи Гонконга. А производство вынесено в Дунгуань, порядка 110 км от Гонконга.

Непосредственно на заводе в городе Дунгуань работают около 3.000 сотрудников, производственная площадь составляет 80.000 м². Четыре больших и пять маленьких конвейеров могут выпускать разнообразную продукцию, от видеокарт до печатных плат мини-ПК для банкоматов. На конвейерах установлены 45 машин SMT (Surface Mount Technology, технология поверхностного монтажа). Что касается полного производственного цикла, от PCB до упаковки, то здесь одновременно могут работать три конвейера. Помимо бренда ZOTAC, компания PC Partner известна сотрудничеством с другими клиентами. Здесь можно отметить, например, Acer, AMD (эталонные видеокарты), Dell, Fujitsu, HP, Lexar, LG, Microsoft, Sapphire, Samsung, Sony и Wincor Nixdorf.

В нашей статье мы сфокусируемся на производстве видеокарт и готовых систем. Одних только видеокарт завод PC Partner может выпускать до 400.000 штук в месяц. Что касается мини-ПК, то здесь объем производства составляет до 15.000 штук в месяц.

Кроме непосредственно самого производства, которое мы обсудим ниже, важную роль играет контроль качества и отдел разработок. PC Partner предлагает свои возможности разработки партнерам – например, для разработки PCB.

Все начинается с PCB

Перед тем, как мы перейдем к отдельным этапам производства, позвольте упомянуть некоторые шаги, которые PC Partner считает не менее важными. Печатные платы (PCB) обычно производятся на внешних мощностях, но инженеры PC Partner проверяют качество. Как правило, PCB выпускают партнеры в Южной Корее, у которых накопился богатый опыт производства многослойных печатных плат. PCB для видеокарт могут содержать десять или 12 слоев, выпускать подобные платы довольно сложно. PC Partner устанавливает компоненты только на наружные слои печатной платы, а все остальные слои должны быть сделаны заранее.

Помимо PCB важную роль играет подготовка компонентов. Машины SMT устанавливают на PCB компоненты поверхностного монтажа SMD (Surface Mount Device), такие как резисторы, конденсаторы, дроссели и многие другие. Они поставляются такими компаниями, как Samsung, в виде лент разных размеров. В зависимости от размера компонента, на каждой ленте содержится их разное количество.

Если требуется, например, выпустить в день 3.000 видеокарт, то следует заранее озаботиться соответствующим количеством компонентов. Например, для 3.000 видеокарт потребуются 13.000 R007 SMD-резисторов (сопротивлением 0,007 Ом), но в каждой ленте содержатся только 5.000 резисторов. PC Partner может перемотать ленты на катушки большего размера, что обеспечит уже 13.000 резисторов R007 SMD на каждой катушке. Остальные компоненты устанавливаются таким же способом. В конце концов сотрудники подготавливают катушки с лентами, число компонентов в которых достаточно для производства партии.

Конечно, PC Partner предотвращает появление ошибок при производстве на машинах SMT. Если часто менять ленты, то без остановки производства не обойтись. И здесь ошибка может возникнуть в том случае, если сотрудник установит ленту с другими компонентами.

Начало…

Но перейдем к производству видеокарт. PCB извлекаются сотрудниками из контейнера, после чего выполняется визуальный контроль качества. Затем платы устанавливаются в рамки. В зависимости от размера PCB, конвейер PC Partner может работать с одной или двумя PCB в одной рамке.

Затем лицевая сторона PCB покрывается паяльной пастой. Причем для этого используется машина с металлическим трафаретом. Он задает, какие участки PCB покрываются паяльной пастой, а какие – нет. Одного трафарета достаточно для нанесения паяльной пасты примерно на 100.000 PCB, после чего его придется заменять. Саму машину приходится чистить каждые восемь часов.

После нанесения паяльной пасты PCB передаются в машину установки компонентов SMD. В зависимости от количества и типа компонентов, на обработку одной PCB требуется определенное время. PC Partner использует машины NXT II M3II. Они могут устанавливать на плату до 20 разных компонентов SMD в десять этапов. То есть такая машина может устанавливать до 200 разных компонентов SMD. Скорость работы машины зависит от типа компонентов и от дистанции перемещения «механической руки», которая устанавливает компоненты на PCB. Мы подготовили короткий видеоролик, на котором показаны разные этапы сборки.

После заполнения лицевой стороны PCB компоненты SMD припаиваются. Здесь используется еще одна машина пайки. В ней паяльная паста расплавляется горячим воздухом или микроволнами (в зависимости от типа машины пайки и требований), после чего компоненты припаиваются пастой. Поскольку PCB и, особенно, компоненты довольно чувствительные, высокие температуры получается использовать не всегда. Поэтому в подобных машинах пайки PCB разделяется на несколько температурных зон. Например, при производстве GeForce GTX 1050 Ti PC Partner использует десять температурных зон.

В машине пайки температура PCB и компонентов сначала увеличивается до 195 °C. Такой шаг гарантирует, что все компоненты нагреются одинаково. Затем температура сначала снижается до 175 °C, после чего увеличивается до 265 °C, чтобы расплавить паяльную пасту. Но, как мы уже отмечали выше, температуры зависят от используемых компонентов и зон. Затем плата с компонентами охлаждается до 154 °C и 125 °C.

Сразу же после пайки выполняется оптическая проверка качества, она контролирует, чтобы все компоненты находились на своих местах. Проверку проходит каждая PCB. В зависимости от требований и объема партии, PCB может подвергаться и другим проверкам. Например, может применяться рентгеновское 3D-сканирование, которое позволяет оценить качество пайки BGA под крупными чипами. Здесь оценивается не сам чип, а именно контакты BGA (ball grid array). Они представляют собой маленькие шарики снизу каждой упаковки, которые обеспечивают контакт между упаковкой GPU и PCB после пайки. Даже небольшие отклонения могут привести к тому, что контакт не установится. В современных чипах BGA используются тысячи контактов, поэтому точность установки и контроль здесь очень важны.

Для определения возможных ошибок чип медленно поворачивается во время рентгеновской съемки, он также просвечивается с боков. Все это позволяет проконтролировать связь не только между упаковкой GPU и PCB, но и контакты внутри упаковки GPU. Последняя тоже использует небольшие шариковые контакты по сравнению с крупными шариками между упаковкой и PCB. Для поиска дефектного контакта рентгеновский анализ проводят в 3D-проекции. Для каждого чипа создаются порядка 1.600 изображений. Из них уже строится 3D-проекция.

После контроля качества PCB переворачивается, после чего установка компонентов выполняется на обратную сторону. Здесь выполняются те же самые шаги, разница заключается только в числе и типе компонентов, которые нужно установить.

Часть этапов выполняются полностью автоматически, но их дополняют ручные стадии сборки на конвейере PC Partner. Ручная сборка используется для установки крупных компонентов, таких как дроссели или разъемы. Они часто устанавливаются на PCB по технологии THT (through-hole technology) или PIH (pin-in-hole), после чего компоненты необходимо припаять. Отметим, что некоторые производители смогли полностью автоматизировать и данный этап. В результате исключается фактор человеческой ошибки.

После монтажа всех компонентов на PCB можно переходить к установке кулера. С помощью специальных инструментов каждый винт устанавливается в правильное место. После чего он затягивается со строго заданным крутящим моментом.

После полной сборки видеокарты и установки всех компонентов можно приступать к процедуре тестов и установке VBIOS. Проверяются все разъемы и режимы. Останавливаются ли вентиляторы в режиме бездействия? Работают ли они на номинальных скоростях под нагрузкой? Работают ли все видеовыходы?

Если видеокарта успешно прошла все тесты, она переходит на стадию упаковки. Здесь видеокарта тоже проходит несколько этапов. В коробку добавляются руководство пользователя, CD с драйверами, адаптеры и аксессуары. Затем видеокарта готова к отгрузке.

Расширенные тесты

Тесты видеокарты и компонентов проводятся до, во время и после сборки. К ним относятся тесты механических нагрузок, но также тесты в экстремальных условиях работы, например, при температуре до 90 °C, влажности до 90% или пыльных окружениях. При этом можно управлять параметрами тестов, чтобы, например, пятилетнее старение видеокарты симулировалось за минимальный период времени.

Все геймеры наверняка знают, где можно посмотреть температуру GPU. В тестах своих продуктов PC Partner отслеживает температуры многих других компонентов. Для этой цели прикрепляются температурные датчики, после чего отслеживается работа компонентов. Тесты не ограничиваются платой видеокарты, проверяется работа, например, системы охлаждения с вентиляторами.

В галерее можно посмотреть различные другие тесты, которые мы не будем детально описывать. Все они призваны обеспечить минимальный уровень брака. Но PC Partner указывает, что достичь 100% качества не представляется возможным. Но компания работает над тем, чтобы ошибок и сбоев было как можно меньше.

Читайте также:  Radeon vega 8 видеокарта что это

Тесты EMC в отдельном здании

Кроме тестов функциональности PC Partner, как и все крупные производители, выполняет другие тесты, необходимые для сертификации продуктов. Для этой цели PC Partner построила несколько лет назад отдельное здание. В специальной комнате выполняется тест электромагнитной совместимости (Electromagnetic Compatibility, EMC), во время которого происходит проверка, чтобы устройство не стало источником нежелательных электромагнитных помех для других компонентов. И не реагировало на электромагнитные помехи со стороны других устройств.

Еще и мини-ПК

Производство мини-ПК очень схоже с видеокартами. Здесь тоже используется PCB, на которую последовательно устанавливаются все компоненты. Многие компоненты, например, тот же модуль WLAN, производятся другими компаниями.

Источник

Какие должны быть размеры у фермы для майнинга — все секреты

Есть среди современных майнеров те, кто собирают майнинговую ферму, основанную на видеокартах, своими руками. Для этого нужно знать, как выполнить каркас для фермы майнинга чертеж профессионалов используя за основу. Количество таких пользователей стремительно увеличивается, потому вопрос, становится все более актуальным. О составляющих фермы в данной статье рассказываться не будет, подобные элементы – блоки питания, видеокарты – постоянно меняются. Неизменным остается корпус, на его изготовлении и стоит остановить внимание.

Корпус или каркас?

Многие начинающие пользователи при самостоятельном строительстве фермы, задаются вопросом, что лучше выбрать – корпус или каркас? Здесь можно отметить, что для майнинг фермы использование корпуса не очень подходит.

В подобной конструкции очень плохо циркулирует воздух. Для полноценного функционирования фермы подобная циркуляция очень важна, при ее отсутствии установленное оборудование быстро выйдет из строя. Не рекомендуется покупать готовый корпус для ПК, но сделать его своими руками.

Советы по сборке

При сборке каркаса важно придерживаться такого алгоритма (для алюминиевой конструкции):

  1. Подготовка двух уголков необходимых размеров (к примеру, 55 и 34 см).
  2. Создание основания с помощью высверливания дырок и крепления уголков шурупами. Возможна фиксация с применением винта или заклепки.
  3. Крепление днища к основанию. Для этих целей применяется лист фанеры — МДФ или ДСП.
  4. Соединение конструкции вертикальными уголками по 30 сантиметров высотой. В результате получается корпус прямоугольной формы.
  5. Фиксация двух уголков по бокам для монтажа деревянной планки.
  6. Крепление элементов аппаратуры для майнинга. Для исключения ошибок на полках и металлических элементах предварительно делаются пометки.

Советы по установке оборудования:

  1. Материнка крепится на расстоянии 5–10 мм от поверхности во избежание контакта с алюминием.
  2. Процессор устанавливается на материнскую плату.
  3. Блок питания фиксируется с помощью саморезов к металлическим уголкам. В процессе крепления важно обратить внимание на вентиляторы, которым не должно ничего мешать. Лучшее место для монтажа — нижняя полка.
  4. Жесткий диск желательно располагать на отдалении от материнки. Как вариант — вынесение винчестера путем удлинения фермы для майнинга (с помощью куска фанеры).
  5. Видеокарты устанавливаются сверху конструкции и на идентичном расстоянии.
  6. На завершающем этапе монтируются кнопки и индикаторы, после чего ферма для майнинга тестируется.

После сборки важно учесть следующие советы:

  1. Имеющиеся шероховатости убираются с помощью напильника. Действовать необходимо осторожно во избежание повреждения установленного оборудования.
  2. Стойка располагается в протираемой комнате, подальше от отопительных радиаторов. Оптимальное место в зимний период — застекленная лоджия или балкон, а в летний — комната с теневой стороны.

Советы по изготовлению деревянного каркаса:

  1. В процессе работы важно быть внимательным и придерживаться заданных размеров.
  2. Соединения делаются только под прямым углом для обеспечения достаточной жесткости.
  3. Для крепления применяются клей, заклепки, саморезы или другие элементы.
  4. Соблюдение размеров обязательно (под рукой должны быть рулетка и линейка).

Соблюдение указанных рекомендаций позволяет создать надежную ферму для майнинга. Далее можно создавать биткоин-кошелек, настраивать оборудование, после чего переходить к добыче криптовалюты.

Как собрать корпус для фермы майнинга своими руками?

Сделать каркас можно из разных материалов – алюминий, дерево. Алюминий преимущественен быстрым охлаждением и прочностью, а деревянный является доступным по стоимости. Что касается особенностей конструкции, то для домашней фермы подойдет открытый со всех сторон каркас, на него будет устанавливаться все приобретенное оборудование.

В качестве основного оборудования могут использоваться стандартные видеокарты и специальные микросхемы, предварительно заточенные под определенный алгоритм по майнингу криптовалюты. Выбор между микросхемами и видеокартами должен осуществить сам пользователь. Здесь имеет значение уровень знаний начинающего майнера и его материальные возможности.

Какие инструменты пригодятся для сборки конструкции?

Чтобы собрать корпус для фермы майнинга своими руками, обязательно понадобится инструмент. Он выбирается в зависимости от того, из какого материала будет изготовлена ферма. Если майнить крипту планируется недолго и выбор пал на дерево, то для создания каркаса понадобится лишь две простых вещи, которые можно найти почти в каждом доме:

  1. Ножовка или лобзик.
  2. Дрель или же шуруповерт.

Но сборка каркаса из алюминия выглядит несколько сложнее, ведь вся процедура требует намного больше усилий. А потому обязательно понадобится:

  1. Болгарка.
  2. Дрели или же шуруповерт.
  3. Заклепочник.
  4. Надфиль.

Если же нет какого-то инструмента, то не обязательно идти в магазин и покупать его. С огромной вероятностью его можно найти у соседа или же друга, знакомого. Если что, то товарищ может помочь в сборке стоек для видеокарт.

Сборка конструкции

Теперь подробнее о том, как собрать желанный каркас для майнинга своими руками. Сразу стоит прояснить, что профессионалы майнинга редко используют деревянные конструкции. Даже новичкам не рекомендуется тратить на них свое время. А потому целесообразно рассмотреть, как создается алюминиевая стойка для видеокарт.

  1. Первым делом надо сделать алюминиевые отрезы уголка. Понадобится пять отрезов по 60 сантиметров и 10 отрезов по 30 сантиметров.
  2. Нужно взять стальной лист с размерами 30 сантиметров на 60 сантиметров и приложить к нему материнскую плату. После этого необходимо отметить, куда именно будет крепиться материнка, сделав точки для отверстий.
  3. В стальном листе проделываются отверстия, а потом собирается весь каркас.
  4. Надо осмотреть конструкцию и проверить ее на устойчивость. Если остались какие-то шероховатости, то они обязательно удаляются надфилем. Шероховатости могут легко поцарапать пол, повредить оборудование, порвать одежду или зацепить кожу.

Как только каркас под майнинг ферму будет готов, можно приступать к установке на него всего необходимого оборудования. Что касается расположения конструкции, то ее лучше ставить в том месте, которое хорошо проветривается. Стойки не рекомендуется ставить около центрального отопления. Опытные майнеры вообще на зиму выставляют ферму на балкон, а летом ставят ее в комнату на теней стороне или в ванную.

Размеры и чертеж майнинг фермы для 3 видеокарт

В полностью готовый каркас крепятся основные компоненты системы. Размер конструкции должен быть таким, чтобы все разместилось максимально свободно. Если планируется соорудить устройство на 3 видеокарты, размер корпуса может быть относительно небольшим, если на 6 карт, потребуется соорудить большой по габаритам каркас.

Если в наличии есть свободные деньги, примерно за 1000 рублей можно приобрести хороший каркас. При отсутствии средств и при наличии свободного времени, каркас без проблем можно соорудить своими руками. Для фермы из трех видеокарт стоит соблюдать такие размеры конструкции, как:

  • Высота 30 см;
  • Ширина 30 см;
  • Длина 60 см.

В качестве основных элементов можно использовать алюминиевые профили. Конструкция получится прочная, довольно красивая, аккуратная, но и дорогая. Один метр уголков из алюминия стоит примерно 5 долларов. По этой причине многие отдают предпочтение деревянным конструкциям. Размеры при этом соблюдаются ровно те же.

Материалы для сборки

Выделяется два варианта исполнения (по применяемому материалу):

  1. Фермы для майнинга из дерева. Конструкции надежны, имеют небольшие размеры и просты в монтаже. При выполнении работ предпочтение отдается деревьям твердых пород. Их особенность — лучшая плотность и стойкость к возгоранию. Для защиты от разной живности и негативного воздействия окружающей среды конструкция обрабатывается антисептическими и огнестойкими средствами. Средний срок службы рига для майнинга составляет 3–5 лет, после чего придется делать новую конструкцию.
  2. Фермы из алюминия. Алюминиевые корпуса отличаются большей надежностью. Материал стоек к возгоранию и не требует дополнительной обработки. Минус — при покупке исходного материала придется потратить большую сумму. Могут возникнуть трудности со сбором своей собственной фермы, ведь металл труднее поддается обработке (потребуются дополнительные навыки).

Приведем плюсы и минусы каждого из материалов в виде таблицы:

Дерево Алюминий
Плюсы Легкость монтажа Не нуждается в обработке
Низкая цена Долговечность
Минусы Необходимо тратить время на обработку с помощью специальных средств для защиты от насекомых Проблемы с изготовлением (потребуются определенные навыки)
Требуется окрашивание для придания солидного внешнего вида Высокая цена
Сравнительно небольшой срок службы

При подготовке к работе потребуется ДСП-плита (выбирается под размеры фермы для майнинга) и инструменты:

  1. Болгарка — для работы с алюминиевыми материалами. Желательно иметь устройство небольших размеров.
  2. Дрель и сверла — для фиксации деревянных брусьев или проделывания отверстий в металлических элементах.
  3. Лобзик или пилка по металлу (в зависимости от применяемых материалов).
  4. Шуруповерт (при наличии).
  5. Прочие материалы — заклепочник, болты и гайки, саморезы, краска, пропитка, линейка, рулетка.

До сбора оборудования важно определиться с материалом, размерами и начертить ориентировочную схему.

Размеры фермы для майнинга на 6 видеокарт

Чтобы соорудить ферму для майнинга на 6 видеокарт, потребуется обратить внимание на то, чтобы каркас фермы для майнинга размеры имел следующие:

  1. Ширина 75 см.
  2. Глубина 35 см.
  3. Высота 35 см.

Если в качестве основы используется алюминиевый уголок, его размеры должны быть 20х20х2 мм. Данный материал преимущественен тем, что не подвергается коррозии и не теряет своего привлекательного внешнего вида в процессе эксплуатации. Собирается подобный каркас при помощи специальных заклепок и болтового соединения.

Для установки в каркас всего необходимого оборудования потребуется приобрести такие элементы, как кнопку включения, крепеж для карт, крепежные проставочные кольца, саморезы, а также уголки для вентиляторов, размером 120 и 140 мм. На все это потребуется потратить в среднем 2000 рублей. Если есть желание сэкономить, можно собрать конструкцию из дерева.

Читайте также:  PowerColor Radeon RX 590 Red Devil

Сборка комплектующих воедино

Итак, осталось только установить все оборудование на конструкцию и можно приступать к настройке и самой добыче крипты. Первым делом надо взять материнку и прикрутить ее в заранее обозначенном месте. Рекомендуется прикручивать ее на небольшом расстоянии от поверхности, хотя бы три миллиметра. Тогда не будет прямого контакта с металлом.

Теперь же надо установить на материнскую плату процессор и кулер. После первых тестов может оказаться, что нужно дополнительное охлаждение. Тогда докупаются кулеры и направляются на видеокарты. Блок питания лучше прикрепить где-то сбоку. Работе его кулера не должно ничего мешать, а если есть какие-то помехи, то можно вынести его на 3-5 сантиметров. Блоки питания и материнскую плату лучше ставить поближе друг к другу.

Надо разместить в удобном месте элементы включения, а также необходимые индикаторы. Еще подключается жесткий диск, а потом он выносится на определенное расстояние от материнки. Некоторые пользователи жалуются на сильный шум. В таком случае можно взять кусок фанеры или резины и просто подложить его, шум будет меньше.

Дальше надо взять райзеры и подключить их к видеокартам, а сами карты поставить на стойку на одинаковом расстоянии друг от друга. Как только все будет готово, нужно перепроверить подключение и можно запускать ферму, настраивать ее. Лучше сразу рассчитать примерные размеры фермы. Корпус на 6 видеокарт будет больше каркаса всего на 3-4 карточки.

На самом деле оборудование для добычи крипты нужно выбирать с умом, уделяя внимание каждому устройству. Надо учитывать стоимость оборудования, его производительность, совместимы ли комплектующие друг с другом.

Существующие риски

Сборка фермы для добычи крипты – дело рисковое. Перед тем как браться за это лучше ознакомиться с мнением криптоаналитиков. Дело в том, что мир майнинга изменяется ежедневно, а потому может случиться так, что даже не получится отбить вложенные в ферму деньги. А если еще учитывать огромные счета за электричество, то и вовсе можно уйти в минус. Получается, что даже если собрать хорошую ферму на дорогих видеокартах, правильно подобрать софт и пул, можно попросту прогореть по следующим причинам:

  1. Очень большую роль играет отношение общества к криптовалютам и их легализация. Оно давит на мир криптовалют, в том числе и на их майнинг. Если некоторые страны и признают крипту, то они обязательно искореняют анонимность, вводят дополнительные налоги, пошлины. Зачастую это приводит к обвалу курсов коинов.
  2. У каждой криптовалюты есть свой потолок роста. Рост стоимости любого коина – это обычное явление. Но как только валюта достигает своего пика, мощности пулов все равно продолжают увеличиваться. Получается, что майнерам без нескольких ферм с топовыми видеокартами добывать крипту и получать хорошую прибыль становится невозможно и приходится приобретать новое оборудование.
  3. Сложность добычи той или иной монеты растет с каждым днем. И случается так, что мощности хороших видеокарт не хватает для того чтобы окупить вложения, даже при невеликих затратах.

Да и вообще сборка фермы требует немалого бюджета. Поэтому для некоторых людей собственная ферма для майнинга – это все еще несбывшаяся мечта. Но если и присоединяться к миру криптовалют, то лучше создавать долговечную конструкцию, с которой потом не будет проблем. Но один лишь каркас – это не залог успеха. Еще нужна подходящая программа для майнинга биткоинов, оборудование и многое другое.

Источник

Видеокарты стали сокровищем в 2021 году — 8 проверенных способов продлить им жизнь

Аналитики сходятся во мнении, что дефицит видеокарт продлится, как минимум, весь 2021 год. И если видеокарты пострадали в первую очередь от майнинг бума, то на производство остальной электроники уже накладываются производственные проблемы и эпидемия коронавируса COVID–19. В результате начали расти цены на SSD-накопители и оперативную память, котором пророчат подорожание на 20%.

Корпорация Nvidia снова запустила выпуск графических процессоров для видеокарт GeForce GTX 1050 Ti, чтобы насытить рынок хотя-бы минимально приемлемым для новых игр решением, но неинтересным для майнеров. GeForce GTX 1050 Ti сегодня можно купить без особых проблем, самые недорогие модели стартуют в цене от 17250 рублей, например PALIT GeForce GTX 1050 Ti StormX.

А более производительные модели, которые раскупают майнеры, подорожали гораздо серьезнее. Цены на GeForce GTX 1660 SUPER стартуют от 47760 рублей за Palit GeForce GTX 1660 SUPER GP.

А новинки — GeForce RTX 3060, стоят уже дороже 80000 рублей, сумму, за которую год назад можно было собрать неплохой игровой ПК. Например — PALIT GeForce RTX 3060 STORMX OC 12G.

Новые видеокарты в 2021 году стали роскошью, которая не по карману большинству игроков, поэтому надо понимать, что если ваша старенькая Geforce GTX 970 или Radeon R9 290 сломается в период дефицита, это будет очень болезненный удар по карману. В этом блоге я постараюсь наиболее подробно разобрать тему создания комфортных условий работы для видеокарт, на основе своего многолетнего опыта, и опыта наших форумчан.

Следим за температурой

Можно долго спорить, какая температура безопасна для видеокарт, но физику не обманешь — чем выше температура, тем сильнее процессы деградации в кремнии чипов GPU и видеопамяти. Но, скорее всего, ваша видеокарта умрет не от деградации, а от так называемого «отвала» или дефекта BGA пайки, когда один из шариков припоя перестанет давать контакт между платой и видеочипом или чипом видеопамяти. Происходит это от многократных циклов нагрева и остывания пайки, и чем сильнее перепад температур — тем хуже.

Кошмар любого ПК-геймера — артефакты

Поэтому температура — это главный фактор продления жизни видеокарте, на который мы будем ориентироваться. Для ее мониторинга подойдет утилита MSI Afterburner, которая может выводить температуру в трей на рабочем столе или на экран прямо во время игры.

Улучшаем температурный режим

Если ваше кремниевое сокровище нагревается до 75 градусов и выше в играх, то это уже повод бить тревогу. Не слушайте комментаторов, которые обязательно напишут под этой статьей, что их Radeon HD 7970 9 лет работает с температурой 90 градусов и не ломается — это частный случай, не отражающий общей картины.

Помимо температуры чипа, которая мониторится на всех моделях видеокарт, температура памяти мониторится редко, и именно она может стать роковой для вашей видеокарты. Если на видеочипе температуры около 75 градусов и выше, то на видеопамяти, охлаждению которой, как правило, уделяется меньше внимания, температура вполне может достигать 95 градусов и выше. А на новинках, GeForce RTX 3080, видеопамять может разогреваться выше 100 градусов даже на моделях с качественным охлаждением.

Поэтому я рекомендую улучшить обдув видеокарты, а сделать это можно разными способами. Первый — прибавить обороты вентиляторов в MSI Afterburner. Второй — улучшить охлаждение в корпусе, поставив дополнительные вентиляторы на вдув и выдув. Если корпус старый и не продуваемый, то стоит заменить его на новый, ведь в наших реалиях дефицита цена корпуса и цена видеокарты могут различаться в десятки раз.

За 3-4 тысячи рублей сегодня можно купить отлично продуваемый корпус, например FORMULA CL-3303B RGB, с шестью(!) предустановленными вентиляторами.

Отключаем функцию "fan stop"

«Fan stop» — довольно популярная функция остановки вентиляторов, которая дошла даже до самых бюджетных моделей видеокарт. Ее плюсы — акустический комфорт, экономия ресурса вентиляторов и меньшее запыление видеокарты. Но есть и довольно серьезные минусы, ведь видеокарта будет разогреваться до 50-60 градусов по датчику на GPU, прежде, чем включатся вентиляторы.

А на чипах памяти в это время температура может просто зашкаливать, особенно в тесном корпусе. Или если видеокарта имеет качественную СО для видеочипа, и посредственную — для видеопамяти, как, например, моя MSI GeForce GTX 1060. Поэтому для продления жизни видеокарты «fan stop» лучше отключить.

Делаем андервольтинг

Андервольтинг — неплохой способ понизить температуру и энергопотребление видеокарты. Сделать его можно через утилиту MSI Afterburner, настроив кривую частот и напряжений, включить которую можно сочетанием клавиш Ctrl+F. Добиться похожего эффекта поможет уменьшение «Power Limit» в MSI Afterburner.

На у самое простейшее средство заставить видеокарту работать на более низкой частоте и напряжении — это включение вертикальной синхронизации или фиксации частоты кадров в том случае, если ее загрузка в играх будет меньше 80-90%, чего можно дополнительно добиться отключением сглаживания и понижением настройки качества в играх.

Регулярно чистим видеокарту, но без разборки и извлечения из корпуса

Чистки от пыли и замены термопасты убили гораздо больше видеокарт, чем «отвалы» чипов или «прогары» системы питания. Причин гибели устройств много — от статического электричества и скола элементов при установке, до перекоса системы охлаждения с повреждением чипа. Поэтому чистку лучше всего производить прямо в компьютере, сжатым воздухом, направляемым между крыльчаток вентиляторов. А сами крыльчатки надо придерживать, не давая им раскручиваться.

Не лезем менять термопасту без надобности

Многие пользователи убеждены, что на видеокарте нужно обязательно и регулярно менять термопасту, но на деле после ее замены они или не получают никакого выигрыша по температурам, или даже получают ее ухудшение. Причина проста — производители используют довольно качественную термопасту, которая долго не «каменеет», а по теплопроводным свойствам находится на уровне популярных, качественных термопаст Arctic Cooling MX-4.

Если же вы решились на замену термопасты, то заранее приготовьте термопрокладки нужной толщины и приличного качества, ведь после разборки видеокарты их, скорее всего, тоже придется поменять. Не помешает посмотреть подробные гайды по разборке именно вашей модели видеокарты.

Читайте также:  Что делать если вибрирует видеокарта

Убираем разгон, если он не нужен

Раньше я любил выжимать из комплектующих максимум и оставлять их работать в таком режиме на постоянной основе, но теперь стараюсь делать все наоборот. Все потому, что прирост от разгона настолько мизерный, что не стоит лишнего шума и энергопотребления. Как правило, его невозможно заметить «на глаз» в игре. Исключение составляют встроенные видеокарты Radeon RX Vega в APU Ryzen, например в Ryzen 5 3350G, которые получают отличный буст от разгона.

Не каждая какая игра требует высоких частот видеочипа и памяти, и если вы играете в основном в нетребовательные игры, то имеет смысл сделать специальный профиль в MSI Afterburner, убавив в нем не только частоту чипа, но и памяти, и дополнительно сделав андервольт.

Хорошее питание

Если ваша сильно подорожавшая видеокарта до сих пор запитывается от блока питания Aerocool KCAS или подобного ему по качеству, то стоит срочно озаботиться более качественным питанием. Блок питания — это вложение на перспективу, ведь взяв качественную модель, вы сможете делать апгрейд за апгрейдом, не меняя БП, при этом обеспечивая комплектующие стабильным напряжением без пульсаций и всеми возможными защитами.

Например, SEASONIC FOCUS GX-650, с сертификатом 80 PLUS GOLD и приличным запасом мощности.

И не используйте переходники питания, особенно с мощными видеокартами. Если он вам требуется — это верный признак, что пора менять БП.

Надеюсь, эти советы помогут продлить срок службы вашей видеокарты. Пишите в комментарии, какие видеокарты у вас проработали дольше всего?

Источник



Обзор самодельных систем охлаждения видеокарт

Если вы застали компьютерные форумы и блоги нулевых годов, то наверняка помните фотографии видеокарт, к которым прикручены кулеры от процессоров. Давайте вспомним самодельные системы охлаждения видеокарт, зачем их делали и почему их нет в наше время.

В нулевые годы бурно расцвели самодельные системы охлаждения для видеокарт. «Кулибины» с компьютерных форумов меняли на видеокартах вентиляторы, ставили радиаторы от процессоров и городили дополнительный обдув.
Условно, эти самоделки можно разделить на несколько уровней.

Дополнительный обдув видеокарты

Обычно брался вентилятор на 120 или 80 мм и закреплялся таким образом, чтобы обдувать проблемные места видеокарты: зону VRM, память, обратную сторону текстолита над чипом. Решение было простое и очень эффективное.

Ведь вмешательства в систему охлаждения видеокарты не было и товарный вид не страдал. Дополнительный обдув легко снимался и видеокарту можно было продать на б/у рынке или отнести в магазин по гарантии.

Так же этот способ был наименее рискованным, шансы повредить видеокарту были минимальны. «Как может один вентилятор так улучшить охлаждение?» — спросите вы. Чем хуже охлаждение на подопытной видеокарте, тем сильнее заметен эффект от таких кустарных методов.

Если вы избалованы дорогими моделями видеокарт с несколькими теплотрубками в радиаторе и дополнительным охлаждением чипов памяти и зоны конвертера питания, то вам не понять, в каких тяжелых условиях трудятся дешевые модели видеокарт. Особенно — дешевые модели среднего уровня, где и тепловыделение уже приличное, а производитель сэкономил на всем, чем можно.

90-110 градусов на чипах памяти и зоне VRM на таких видеокартах — это обычное дело, и в таком случае дополнительный обдув — это спасение. Он легко может скинуть 10-20 градусов с системы питания и чипов памяти, что давало видеокарте возможность нормально работать без перегрева.

Я и сам делал такие системы обдува в нулевые годы. Как мне казалось, переболел этой «самодеятельностью» навсегда, думая, что делать этого больше не придется, однако нужда заставила.

В 2017 году, когда после скачка курса криптовалют майнить их стали даже не разбирающиеся в компьютерах люди и на любом доступном оборудовании, я не удержался и докупил к уже имеющейся Gigabyte GeForce GTX 1060 G1 Gaming, Palit GeForce GTX 1070 Jetstream. И сразу столкнулся с перегревом в корпусе компьютера, видеокарты стали нагревать друг друга. По отдельности, эти модели видеокарт вполне добротные середнячки в плане охлаждения, но вместе выделяли слишком много тепла.

Держать компьютер открытым я не мог из-за детей и котов, поэтому пришлось изобретать дополнительное охлаждение, как и в нулевые годы.

Я ставил дополнительный вентилятор на боковую крышку компьютера на вдув и выдув, но самым эффективным оказался продув видеокарт с торца вентилятором 140 мм. Температуры пришли в норму и можно было спокойно майнить дальше.

Кстати, следующий уровень переделки систем охлаждения видеокарт тоже снова расцвел в связи с майнингом.

Замена вентиляторов охлаждения

Эта процедура уже посложнее и требует хотя бы минимальных знаний по сборке компьютеров. В нулевые годы массовые видеокарты имели довольно низкое энергопотребление и комплектовались маленьким радиатором со смешным вентилятором размера 40 мм.
Эти вентиляторы не отличались качеством и начинали трещать через несколько месяцев работы.

Самым простым способом ремонта была замена маленького вентилятора на полноценный, размером 80 или 92 мм с приличными оборотами. Питание такого вентилятора обычно подключали к разъему «молекс» блока питания, и он крутился на постоянных оборотах без регулирования.

Более опытные пользователи подключали вентилятор через реобас и прибавляли обороты на время игры. Но, назвать удобным такой метод конечно нельзя. Зато ему не откажешь в эффективности, такой вентилятор обычно решал и проблему с перегревом.

В 2017 году, после майнинг бума, количество видеокарт, задействованных в майнинге, было огромным. И первое, что стало ломаться на видеокартах, работающих круглые сутки — это вентиляторы. Они выходили из строя массово и в интернете стал очень популярным способ, когда на видеокарту ставился один или два вентилятора 92-120 мм на стяжки.

Источник

Апгрейд видеокарты своими руками

Апгрейд видеокарты своими руками

Линейки графических плат NVIDIA зачастую отличаются друг от друга лишь идентификатором устройства Device ID. Тот, кто знает об этом, может сэкономить немалые деньги, заменив некоторые компоненты.

Линейки графических плат NVIDIA зачастую отличаются друг от друга лишь идентификатором устройства Device ID. Тот, кто знает об этом, может сэкономить немалые деньги, заменив некоторые компоненты.

Увеличиваем производительность графических карт NVIDIA самостоятельноУвеличиваем производительность графических карт NVIDIA самостоятельно Не только изготовители моющих средств обслуживают разные сегменты рынка, используя несколько вариаций одного и того же основного продукта. Производители видеокарт также пользуются этим маркетинговым ходом. Зачастую графические платы из различных ценовых категорий имеют абсолютно идентичную архитектуру, а тактовая частота графического процессора зависит лишь от версии драйвера. Драйвер, в свою очередь, определяет модель видеокарты на основании идентификатора Device ID, который задается комбинацией резисторов на печатной плате. Это означает, что любому пользователю под силу собственноручно превратить графическую плату среднего ценового сегмента в топовую модель — нужно лишь знать идентификатор и определить, какие резисторы за него отвечают. Это можно сделать, воспользовавшись поиском специализированных форумов в Интернете. Также придется вооружиться специальным паяльником для SMD-компонентов и солидным запасом терпения. Самое главное — правильно установить, какие резисторы подлежат замене.

Топовая видеокарта за 20% от цены

В нашем случае видеокарту Zotac GeForce GTX 670 стоимостью 13 000 рублей (3000 гривен) мы превратили в топовую Quadro K5000 (73 000 руб./17 500 грн.). По желанию можно использовать любую другую модель — необходимо лишь определить идентификатор устройства. Кроме того, при апгрейде важно знать объем оперативной памяти видеоплаты. С одной стороны, это обеспечит нормальное функционирование драйвера, с другой — позволит избежать эффекта «бутылочного горлышка», когда недостаточный объем видеопамяти тормозит работу «разогнанного» графического процессора. В нашем случае проблем не возникло, так как объем видеопамяти исходной карты GTX 670 — 2 Гбайт — совпадает с аналогичным показателем Quadro K5000. Для большей эффективности мы рекомендуем использовать паяльный пинцет для SMD-компонентов, позволяющий одновременно спаивать или выпаивать сразу два контакта. Это уменьшает риск повредить плату или резистор. После того как новые резисторы припаяны, необходимо перепрошить видеоплату.

Внимание. Помните, что, производя описанные в этой статье манипуляции с графической картой, вы лишаетесь гарантии от производителя. CHIP не несет ответственности за повреждения компонента, которые могут возникнуть вследствие перепаивания резисторов. Производите апгрейд своей видеоплаты только с помощью специальных инструментов и лишь в том случае, если у вас есть соответствующие технические знания и опыт.

Как это сделать?

1. ПОДГОТОВКА Заранее приготовьте все инструменты, которые могут понадобиться. Нет ничего хуже, чем в самый ответственный момент судорожно искать, например, пинцет. Вам потребуются два паяльника для SMD-компонентов или один паяльный пинцет, припой, ножницы, крестовая отвертка, отсос для удаления припоя и, конечно же, подходящие SMD-резисторы и термопаста.

2. РАЗБИРАЕМ ВИДЕОКАРТУ Снимите пластиковый кожух, а при необходимости также и заднюю панель видеоплаты, затем открутите винты, которыми крепится кулер.

3. СНИМАЕМ СИСТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ Осторожно отсоедините кулер и удалите термопасту с чипа видеоплаты.

4. УБИРАЕМ ТРУБКИ Теплоотводящие термотрубки прикреплены одновременно к нескольким элементам карты. Отсоедините трубки с максимальной осторожностью — в противном случае вы рискуете оторвать термопрокладки или другие находящиеся на плате компоненты.

5. ВЫПАИВАЕМ SMD-РЕЗИСТОРЫ Удалите SMD-резисторы вашей конкретной видеоплаты. В общей сложности вам нужно будет заменить два резистора.

6. ПРИПАИВАЕМ НОВЫЕ SMD-РЕЗИСТОРЫ Теперь пришло время припаять на плату два новых резистора — они должны встать точно на место старых.

7. УСТАНАВЛИВАЕМ СИСТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ После того как новые резисторы припаяны к карте, нанесите термопасту на графический чип как можно более тонким слоем, а затем установите на место кулер.

8. СОБИРАЕМ ВИДЕОКАРТУ В завершение поместите обратно защитный кожух. Теперь осталось только установить новую прошивку, и ваша графическая плата готова к использованию.

Источник

Как создаются видеокарты ZOTAC экскурсия на завод PC Partner

Как создаются видеокарты ZOTAC: экскурсия на завод PC Partner

Несколько дней назад наши редакторы получили возможность посетить производство крупной китайской компании. PC Partner не так хорошо известна нашим читателям, но компания стоит за такими популярными брендами, как ZOTAC. Ниже мы расскажем нашим читателям о современном цикле производства видеокарт и приведем множество фотографий.

Конечно, мы не можем охватить полный цикл производства видеокарты. Например, GPU производятся компаниями NVIDIA и AMD, производители видеокарт получают уже готовую упаковку с чипом. То же самое касается и чипов памяти, хотя здесь производители видеокарт получают некоторую свободу. Впрочем, здесь не все так просто. Например, с видеокартами GTX 1070 некоторые производители перешли на чипы памяти другого бренда, что поначалу привело к проблемам. Ниже мы рассмотрим процесс добавления компонентов на PCB, а также сборку и упаковку видеокарт. Все эти процессы выполняются на заводе PC Partner. Другие этапы, такие как создание PCB, выполняются другими компаниями, PC Partner получает уже готовые печатные платы.

Но сначала пару слов о самой компании. В PC Partner работает порядка 5.000 сотрудников, компания была основана в 1997 году как производитель материнских плат. Но с 1998 года компания работала в качестве контрактного производителя в других сферах. Штаб-квартира PC Partner находится в Гонконге, отдел исследований и разработок – в китайском Шэньчжэне вблизи Гонконга. А производство вынесено в Дунгуань, порядка 110 км от Гонконга.

Непосредственно на заводе в городе Дунгуань работают около 3.000 сотрудников, производственная площадь составляет 80.000 м². Четыре больших и пять маленьких конвейеров могут выпускать разнообразную продукцию, от видеокарт до печатных плат мини-ПК для банкоматов. На конвейерах установлены 45 машин SMT (Surface Mount Technology, технология поверхностного монтажа). Что касается полного производственного цикла, от PCB до упаковки, то здесь одновременно могут работать три конвейера. Помимо бренда ZOTAC, компания PC Partner известна сотрудничеством с другими клиентами. Здесь можно отметить, например, Acer, AMD (эталонные видеокарты), Dell, Fujitsu, HP, Lexar, LG, Microsoft, Sapphire, Samsung, Sony и Wincor Nixdorf.

В нашей статье мы сфокусируемся на производстве видеокарт и готовых систем. Одних только видеокарт завод PC Partner может выпускать до 400.000 штук в месяц. Что касается мини-ПК, то здесь объем производства составляет до 15.000 штук в месяц.

Кроме непосредственно самого производства, которое мы обсудим ниже, важную роль играет контроль качества и отдел разработок. PC Partner предлагает свои возможности разработки партнерам – например, для разработки PCB.

Все начинается с PCB

Перед тем, как мы перейдем к отдельным этапам производства, позвольте упомянуть некоторые шаги, которые PC Partner считает не менее важными. Печатные платы (PCB) обычно производятся на внешних мощностях, но инженеры PC Partner проверяют качество. Как правило, PCB выпускают партнеры в Южной Корее, у которых накопился богатый опыт производства многослойных печатных плат. PCB для видеокарт могут содержать десять или 12 слоев, выпускать подобные платы довольно сложно. PC Partner устанавливает компоненты только на наружные слои печатной платы, а все остальные слои должны быть сделаны заранее.

Помимо PCB важную роль играет подготовка компонентов. Машины SMT устанавливают на PCB компоненты поверхностного монтажа SMD (Surface Mount Device), такие как резисторы, конденсаторы, дроссели и многие другие. Они поставляются такими компаниями, как Samsung, в виде лент разных размеров. В зависимости от размера компонента, на каждой ленте содержится их разное количество.

Если требуется, например, выпустить в день 3.000 видеокарт, то следует заранее озаботиться соответствующим количеством компонентов. Например, для 3.000 видеокарт потребуются 13.000 R007 SMD-резисторов (сопротивлением 0,007 Ом), но в каждой ленте содержатся только 5.000 резисторов. PC Partner может перемотать ленты на катушки большего размера, что обеспечит уже 13.000 резисторов R007 SMD на каждой катушке. Остальные компоненты устанавливаются таким же способом. В конце концов сотрудники подготавливают катушки с лентами, число компонентов в которых достаточно для производства партии.

Конечно, PC Partner предотвращает появление ошибок при производстве на машинах SMT. Если часто менять ленты, то без остановки производства не обойтись. И здесь ошибка может возникнуть в том случае, если сотрудник установит ленту с другими компонентами.

Начало…

Но перейдем к производству видеокарт. PCB извлекаются сотрудниками из контейнера, после чего выполняется визуальный контроль качества. Затем платы устанавливаются в рамки. В зависимости от размера PCB, конвейер PC Partner может работать с одной или двумя PCB в одной рамке.

Затем лицевая сторона PCB покрывается паяльной пастой. Причем для этого используется машина с металлическим трафаретом. Он задает, какие участки PCB покрываются паяльной пастой, а какие – нет. Одного трафарета достаточно для нанесения паяльной пасты примерно на 100.000 PCB, после чего его придется заменять. Саму машину приходится чистить каждые восемь часов.

После нанесения паяльной пасты PCB передаются в машину установки компонентов SMD. В зависимости от количества и типа компонентов, на обработку одной PCB требуется определенное время. PC Partner использует машины NXT II M3II. Они могут устанавливать на плату до 20 разных компонентов SMD в десять этапов. То есть такая машина может устанавливать до 200 разных компонентов SMD. Скорость работы машины зависит от типа компонентов и от дистанции перемещения «механической руки», которая устанавливает компоненты на PCB. Мы подготовили короткий видеоролик, на котором показаны разные этапы сборки.

После заполнения лицевой стороны PCB компоненты SMD припаиваются. Здесь используется еще одна машина пайки. В ней паяльная паста расплавляется горячим воздухом или микроволнами (в зависимости от типа машины пайки и требований), после чего компоненты припаиваются пастой. Поскольку PCB и, особенно, компоненты довольно чувствительные, высокие температуры получается использовать не всегда. Поэтому в подобных машинах пайки PCB разделяется на несколько температурных зон. Например, при производстве GeForce GTX 1050 Ti PC Partner использует десять температурных зон.

В машине пайки температура PCB и компонентов сначала увеличивается до 195 °C. Такой шаг гарантирует, что все компоненты нагреются одинаково. Затем температура сначала снижается до 175 °C, после чего увеличивается до 265 °C, чтобы расплавить паяльную пасту. Но, как мы уже отмечали выше, температуры зависят от используемых компонентов и зон. Затем плата с компонентами охлаждается до 154 °C и 125 °C.

Сразу же после пайки выполняется оптическая проверка качества, она контролирует, чтобы все компоненты находились на своих местах. Проверку проходит каждая PCB. В зависимости от требований и объема партии, PCB может подвергаться и другим проверкам. Например, может применяться рентгеновское 3D-сканирование, которое позволяет оценить качество пайки BGA под крупными чипами. Здесь оценивается не сам чип, а именно контакты BGA (ball grid array). Они представляют собой маленькие шарики снизу каждой упаковки, которые обеспечивают контакт между упаковкой GPU и PCB после пайки. Даже небольшие отклонения могут привести к тому, что контакт не установится. В современных чипах BGA используются тысячи контактов, поэтому точность установки и контроль здесь очень важны.

Для определения возможных ошибок чип медленно поворачивается во время рентгеновской съемки, он также просвечивается с боков. Все это позволяет проконтролировать связь не только между упаковкой GPU и PCB, но и контакты внутри упаковки GPU. Последняя тоже использует небольшие шариковые контакты по сравнению с крупными шариками между упаковкой и PCB. Для поиска дефектного контакта рентгеновский анализ проводят в 3D-проекции. Для каждого чипа создаются порядка 1.600 изображений. Из них уже строится 3D-проекция.

После контроля качества PCB переворачивается, после чего установка компонентов выполняется на обратную сторону. Здесь выполняются те же самые шаги, разница заключается только в числе и типе компонентов, которые нужно установить.

Часть этапов выполняются полностью автоматически, но их дополняют ручные стадии сборки на конвейере PC Partner. Ручная сборка используется для установки крупных компонентов, таких как дроссели или разъемы. Они часто устанавливаются на PCB по технологии THT (through-hole technology) или PIH (pin-in-hole), после чего компоненты необходимо припаять. Отметим, что некоторые производители смогли полностью автоматизировать и данный этап. В результате исключается фактор человеческой ошибки.

После монтажа всех компонентов на PCB можно переходить к установке кулера. С помощью специальных инструментов каждый винт устанавливается в правильное место. После чего он затягивается со строго заданным крутящим моментом.

После полной сборки видеокарты и установки всех компонентов можно приступать к процедуре тестов и установке VBIOS. Проверяются все разъемы и режимы. Останавливаются ли вентиляторы в режиме бездействия? Работают ли они на номинальных скоростях под нагрузкой? Работают ли все видеовыходы?

Если видеокарта успешно прошла все тесты, она переходит на стадию упаковки. Здесь видеокарта тоже проходит несколько этапов. В коробку добавляются руководство пользователя, CD с драйверами, адаптеры и аксессуары. Затем видеокарта готова к отгрузке.

Расширенные тесты

Тесты видеокарты и компонентов проводятся до, во время и после сборки. К ним относятся тесты механических нагрузок, но также тесты в экстремальных условиях работы, например, при температуре до 90 °C, влажности до 90% или пыльных окружениях. При этом можно управлять параметрами тестов, чтобы, например, пятилетнее старение видеокарты симулировалось за минимальный период времени.

Источник

Как делают процессоры для видеокарты

Современные микропроцессоры – одни из сложнейших устройств, изготавливаемых человеком. Производство полупроводникового кристалла намного более ресурсоемко, чем, скажем, возведение многоэтажного дома или организация крупнейшего выставочного мероприятия. Однако благодаря массовому выпуску CPU в денежном эквиваленте мы этого не замечаем, да и редко кто задумывается обо всей грандиозности элементов, занимающих столь видное место внутри системного блока. Мы решили изучить детали производства процессоров и поведать о них в данном материале. Благо в Сети сегодня достаточно информации на эту тему, а специализированная подборка презентаций и слайдов корпорации Intel позволяет выполнить поставленную задачу максимально наглядно. Предприятия других гигантов полупроводниковой индустрии работают по тому же принципу, поэтому с уверенностью можно сказать, что все современные микросхемы проходят идентичный путь создания.

Читайте также:  Матрица для iMac 27 Retina 5K LCD A1419 LM2

Первое, о чем стоит упомянуть, – строительный материал для процессоров. Кремний (англ. silicon) – второй после кислорода наиболее распространенный элемент на планете. Он является природным полупроводником и используется как основной материал для производства чипов всевозможных микросхем. Больше всего кремния содержится в обычном песке (особенно кварце) в виде диоксида кремния (SiO2).

Впрочем, кремний – не единственный материал. Самый близкий его родственник и заменитель – германий, однако в процессе совершенствования производства ученые выявляют хорошие полупроводниковые свойства у соединений других элементов и готовятся опробовать их на практике или уже это делают.

1 Кремний проходит многоступенчатый процесс очистки: сырье для микросхем не может содержать больше примесей, чем один чужеродный атом на миллиард.

2 Кремний расплавляют в специальной емкости и, опустив внутрь постоянно охлаждаемый вращающийся стержень, «наматывают» на него благодаря силам поверхностного натяжения вещество.

3 В итоге получаются продольные заготовки (монокристаллы) круглого сечения, каждая массой около 100 кг.

4 Заготовку нарезают на отдельные кремниевые диски – пластины, на которых будут расположены сотни микропроцессоров. Для этих целей используются станки с алмазными режущими дисками или проволочно-абразивные установки.

5 Подложки полируют до зеркального блеска, чтобы устранить все дефекты на поверхности. Следующий шаг – нанесение тончайшего фотополимерного слоя.

6 Обработанная подложка подвергается воздействию жесткого ультрафиолетового излучения. В фотополимерном слое происходит химическая реакция: свет, проходя через многочисленные трафареты, повторяет рисунки слоев CPU.

7 Реальный размер наносимого изображения в несколько раз меньше собственно трафарета.

8 Участки, «протравленные» излучением, вымываются. На кремниевой подложке получается рисунок, который затем подвергается закреплению.

9 Следующий этап изготовления одного слоя – ионизация, в процессе которой свободные от полимера участки кремния бомбардируются ионами.

10 В местах их попадания изменяются свойства электрической проводимости.

11 Оставшийся полимер удаляют, и транзистор почти готов. В изолирующих слоях делаются отверстия, которые благодаря химической реакции заполняются атомами меди, используемыми в качестве контактов.

12 Соединение транзисторов представляет собой многоуровневую разводку. Если взглянуть в микроскоп, на кристалле можно заметить множество металлических проводников и помещенных между ними атомов кремния или его современных заменителей.

13 Часть готовой подложки проходит первый тест на функциональность. На этом этапе на каждый из выбранных транзисторов подается ток, и автоматизированная система проверяет параметры работы полупроводника.

14 Подложка с помощью тончайших режущих кругов разрезается на отдельные части.

15 Годные кристаллы, полученные в результате данной операции, используются в производстве процессоров, а бракованные отправляются в отходы.

16 Отдельный кристалл, из которого будет сделан процессор, помещают между основанием (подложкой) CPU и теплорас-пределительной крышкой и «упаковывают».

17 В ходе окончательного тестирования готовые процессоры проверяются на соответствие требуемым параметрам и лишь затем сортируются. На основании полученных данных в них прошивается микрокод, позволяющий системе должным образом определить CPU.

18 Готовые устройства упаковываются и направляются на рынок.

Интересные факты о процессорах и их производстве

«Силиконовая долина» (Silicon Valley, США, Калифорния)

Получила свое название благодаря основному строительному элементу, использующемуся в производстве микрочипов.

«Почему пластины для производства процессоров круглые?» – наверняка спросите вы.

Для производства кремниевых кристаллов применяется технология, позволяющая получать только цилиндрические заготовки, которые затем режутся на части. До сих пор еще никому не удавалось изготовить квадратную пластину, лишенную дефектов.

Почему микрочипы квадратные?

Именно такая литография позволяет использовать площадь пластины с максимальной эффективностью.

Зачем процессорам столько ножек/контактов?

Помимо сигнальных линий каждый процессор для работы нуждается в стабильном питании. При энергопотреблении порядка 100–120 Вт и низком напряжении через контакты может протекать ток силой до 100 А. Значительная часть контактов CPU выделена именно под систему питания и дублируется.

Утилизация отходов производства

Раньше дефектные пластины, их остатки и бракованные микрочипы шли в отходы. На сегодняшний день ведутся разработки, позволяющие использовать их в качестве основы для производства солнечных батарей.

«Костюм кролика».

Такое название получил комбинезон белого цвета, который обязаны носить все рабочие производственных помещений. Делается это для поддержания максимальной чистоты и защиты от случайного попадания частиц пыли на производственные установки. «Костюм кролика» впервые был использован на фабриках по производству процессоров в 1973 году и с тех пор стал общепринятым стандартом.

99,9999%

Для производства процессоров пригоден только кремний высочайшей степени чистоты. Заготовки очищают спецхимией.

300 мм

Таков диаметр современных кремниевых пластин для производства процессоров.

1000 раз

Именно настолько чище воздух в помещениях фабрик для производства чипов, чем в операционной.

20 слоев

Процессорный кристалл очень тонкий (меньше миллиметра), но в нем умещаются более 20 слоев сложнейших структурных объединений транзисторов, которые выглядят как многоуровневые хайвеи.

Именно столько кристаллов процессора Intel Atom (имеют наименьшую площадь среди cовременных CPU) размещаются на одной 300-миллиметровой пластине.

10 000 000 000 000 000 000

Сто квинтиллионов транзисторов в виде структурных элементов микрочипов отгружаются с фабрик каждый год. Это приблизительно в 100 раз больше, чем оценочное количество муравьев на планете.

Стоимость производства одного транзистора в процессоре сегодня равна цене печати одной буквы в газете.

Источник

Как делают процессоры: технология Mapper против Intel

Производство микросхем — весьма непростое дело, и закрытость этого рынка диктуется в первую очередь особенностями главенствующей в наши дни технологии фотолитографии. Микроскопические электронные схемы проецируются на кремниевую пластину через фотошаблоны, стоимость каждого из которых может достигать $200 000. А между тем для изготовления одного чипа требуется не меньше 50 таких масок. Добавьте к этому стоимость «проб и ошибок» при разработке новых моделей, и вы поймете, что производить процессоры могут только очень большие компании очень большими тиражами.

А что делать научным лабораториям и высокотехнологичным стартапам, которым необходимы нестандартные схемы? Как быть военным, для которых закупать процессоры у «вероятного противника» — мягко говоря, не комильфо?

Мы побывали на российском производственном участке голландской компании Mapper, благодаря которой изготовление микросхем может перестать быть уделом небожителей и превратится в занятие для простых смертных. Ну или почти простых. Здесь, на территории Технополиса «Москва» при финансовой поддержке корпорации «Роснано» производится ключевой компонент технологии Mapper — электронно-оптическая система.

Однако прежде чем разбираться в нюансах безмасочной литографии Mapper, стоит вспомнить основы обычной фотолитографии.

Принципиальная схема установки Mapper

Неповоротливый свет

На современном процессоре Intel Core i7 может располагаться около 2 млрд транзисторов (в зависимости от модели), размер каждого из которых — 14 нм. В погоне за вычислительной мощностью производители ежегодно уменьшают размеры транзисторов и увеличивают их число. Вероятным технологическим пределом в этой гонке можно считать 5 нм: на таких расстояниях начинают проявляться квантовые эффекты, из-за которых электроны в соседних ячейках могут вести себя непредсказуемо.

Чтобы нанести на кремниевую пластину микроскопические полупроводниковые структуры, используют процесс, похожий на работу с фотоувеличителем. Разве что цель у него обратная — сделать изображение как можно меньше. Пластину (или защитную пленку) покрывают фоторезистом — полимерным фоточувствительным материалом, который меняет свои свойства при облучении светом. Требуемый рисунок чипа экспонируют на фоторезист через маску и собирающую линзу. Напечатанные пластины, как правило, в четыре раза меньше, чем маски.

Транзисторный ликбез

Такие вещества, как кремний или германий, имеют по четыре электрона на внешнем энергетическом уровне. Они образуют красивые кристаллы, похожие на металл. Но, в отличие от металла, они не проводят электрический ток: все их электроны задействованы в мощных ковалентных связях и не могут двигаться. Однако все меняется, если добавить к ним немного донорной примеси из вещества с пятью электронами на внешнем уровне (фосфора или мышьяка). Четыре электрона вступают в связь с кремнием, а один остается свободным. Кремний с донорной примесью (n-типа) — неплохой проводник. Если добавить к кремнию акцепторную примесь из вещества с тремя электронами на внешнем уровне (бор, индий), аналогичным образом образуются «дырки», виртуальный аналог положительного заряда. В таком случае речь идет о полупроводнике p-типа. Соединив проводники p- и n-типа, мы получим диод — полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении. Комбинация p-n-p или n-p-n дает нам транзистор — через него ток протекает только в том случае, если на центральный проводник подается определенное напряжение.

Свои коррективы в этот процесс вносит дифракция света: луч, проходя через отверстия маски, немного преломляется, и вместо одной точки экспонируется серия концентрических кругов, как от брошенного в омут камня. К счастью, дифракция находится в обратной зависимости от длины волны, чем и пользуются инженеры, применяя свет ультрафиолетового диапазона с длиной волны 195 нм. Почему не еще меньше? Просто более короткая волна не будет преломляться собирающей линзой, лучи будут проходить насквозь, не фокусируясь. Увеличить собирающую способность линзы тоже нельзя — не позволит сферическая аберрация: каждый луч будет проходить оптическую ось в своей точке, нарушая фокусировку.

Максимальная ширина контура, которую можно отобразить с помощью фотолитографии, — 70 нм. Чипы с более высоким разрешением печатают в несколько приемов: наносят 70-нанометровые контуры, протравливают схему, а затем экспонируют следующую часть через новую маску.

Читайте также:  Что делать если вибрирует видеокарта

Сейчас в разработке находится технология фотолитографии в глубоком ультрафиолете, с применением света с экстремальной длиной волны около 13,5 нм. Технология предполагает использование вакуума и многослойных зеркал с отражением на основе межслойной интерференции. Маска тоже будет не просвечивающим, а отражающим элементом. Зеркала лишены явления преломления, поэтому могут работать со светом любой длины волны. Но пока это лишь концепция, которую, возможно, станут применять в будущем.

Источник



Что такое техпроцесс в микрочипах и как он влияет на производство полупроводников

Ключевым элементом практически каждой вычислительной схемы является транзистор. Это полупроводниковый элемент, который служит для управления токами. Из транзисторов собираются основные логические элементы, а на их основе создаются различные комбинационные схемы и уже непосредственно процессоры.

Чем больше транзисторов в процессоре — тем выше его производительность, ведь можно поместить на кристалл большее количество логических элементов для выполнения разных операций.

В 1971 году вышел первый микропроцессор — Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978 мир увидел Intel 8086 и в нем помещались целых 29 000 транзисторов. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона. Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например, в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.

Модель Год выпуска Кол-во транзисторов
Xeon Broadwell-E5 2016 7 200 000 000
Ryzen 5 1600 X 2017 4 800 000 000
Apple A12 Bionic (шестиядерный ARM64) 2018 6 900 000 000
Qualcomm Snapdragon 8cx 2018 8 500 000 000
AMD Ryzen 7 3700X 2019 5 990 000 000
AMD Ryzen 9 3900X 2019 9 890 000 000
Apple M1 ARM 2020 16 000 000 000

Много это или мало? На 2020 год на нашей планете приблизительно 7,8 миллиардов человек. Если представить, что каждый из них это один транзистор, то полтора населения планеты
с легкостью поместилась бы в процессоре Apple A14 Bionic.

В 1975 году Гордон Мур, основатель Intel, вывел скорректированный закон, согласно которому число транзисторов на схеме удваивается каждые 24 месяца.

Нетрудно посчитать, что с момента выхода первого процессора до сего дня, а это всего-то 50 лет, число транзисторов увеличилось в 10 000 000 раз!

Казалось бы, поскольку транзисторов так много, то и схемы должны вырасти в размерах на несколько порядков. Площадь кристалла у первого процессора Intel 4004 — 12 мм², а у современных процессоров AMD Epyc — 717 мм² (33,5 млрд. транзисторов). Получается, по площади кристалла процессоры выросли всего в 60 раз.

Как же инженерам удается втискивать такое огромное количество транзисторов в столь маленькие площади? Ответ очевиден — размер транзисторов также уменьшается. Так
и появился термин, который дал обозначение размеру используемых
полупроводниковых элементов.

Упрощенно говоря, техпроцесс — это толщина транзисторного слоя, который применяется в процессорах.

Чем мельче транзисторы, тем меньше они потребляют энергии, но при этом сохраняют текущую производительность. Именно поэтому новые процессоры имеют большую вычислительную мощность, но при этом практически не увеличиваются в размерах
и не потребляют киловатты энергии.

Какие существуют техпроцессы: вчера и сегодня

Первые микросхемы до 1990-х выпускались по технологическому процессу 3,5 микрометра. Эти показатели означали непосредственно линейное разрешение литографического оборудования. Если вам трудно представить, насколько небольшая величина в 3 микрометра, то давайте узнаем, сколько транзисторов может поместиться в ширине человечного волоса.

Уже тогда транзисторы были настолько маленькими, что пару десятков с легкостью помещались в толщине человеческого волоса. Сейчас техпроцесс принято соотносить с длиной затвора транзисторов, которые используются в микросхеме. Нынешние транзисторы вышли на размеры в несколько нанометров.

Для Intel актуальный техпроцесс — 14 нм. Насколько это мало? Посмотрите в сравнении
с вирусом:

Однако по факту текущие числа — это частично коммерческие наименования. Это означает, что в продуктах по техпроцессу 5 нм на самом деле размер транзисторов не ровно столько, а лишь приближенно. Например, в недавнем исследовании эксперты сравнили транзисторы от Intel по усовершенствованному техпроцессу 14 нм и транзисторы от компании TSMC на 7 нм. Оказалось, что фактические размеры на самом деле отличаются не на много, поэтому величины на самом деле относительные.

Рекордсменом сегодня является компания Samsung, которая уже освоила техпроцесс 5 нм. По нему производятся чипы Apple A14 для мобильной техники. Одна из последних новинок Apple M1 — первый ARM процессор, который будет установлен в ноутбуках от Apple.

Продукцию по техпроцессу в 3 нм Samsung планирует выпускать уже к 2021 году. Если разработчикам действительно удастся приблизиться к таким размерам, то один транзистор можно будет сравнить уже с некоторыми молекулами.

Насколько маленьким может быть техпроцесс

Уменьшение размеров транзисторов позволяет делать более энергоэффективные и мощные процессоры, но какой предел? На самом деле ответа никто не знает.

Проблема кроется в самой конструкции транзистора. Уменьшение прослойки между эмиттером и коллектором приводит к тому, что электроны начинают самостоятельно просачиваться, а это делает транзистор неуправляемым. Ток утечки становится слишком большим, что также повышает потребление энергии.

Не стоит забывать, что каждый транзистор выделяет тепло. Уже сейчас процессоры Intel Core i9-10ХХХ нагреваются до 95 градусов Цельсия, и это вполне нормальный показатель. Однако при увеличении плотности транзисторов температуры дойдут до таких пределов, когда даже водяное охлаждение окажется полностью бесполезным.

Самые смелые предсказания — это техпроцесс в 1,4 нм к 2029 году. Разработка еще меньших транзисторов, по словам ученых, будет нерентабельной, поэтому инженерам придется искать другие способы решения проблемы. Среди возможных альтернатив — использование передовых материалов вместо кремния, например, графена.

Источник

Как разрабатываются и создаются процессоры? Часть 2: Процесс проектирования процессора

Теперь, когда мы знаем, как работают процессоры на высоком уровне, пришло время заглянуть внутрь процессора, чтобы понять, как устроены его внутренние компоненты. Эта статья является второй частью нашей серии, посвященной устройству процессоров. Если вы не читали первую часть, советуем ознакомиться с ней прежде, чем вы начнете читать дальше, поскольку в этой статье мы будем использовать понятия, освещенные ранее.

Как вы, вероятно, знаете, процессоры и большинство других современных цифровых технологий основаны на транзисторах. Самый простой способ представить транзистор – это управляемый переключатель с тремя контактами. Когда затвор включен, ток пропускается через транзистор. А когда выключен, транзистор ток не проводит. Точно так же, как и выключатель света на вашей стене, только транзистор гораздо меньше, гораздо быстрее и может управляться электрически.

В современных процессорах используются два основных типа транзисторов: pMOS и nMOS. Транзистор nMOS позволяет току течь, когда подается ненулевое напряжение на затвор, а транзистор pMOS – наоборот, проводит ток, когда напряжение на затворе стремится к нулю. Комбинируя эти типы транзисторов, мы можем создать логические вентили CMOS. В третьей части серии мы ещё остановимся подробней на физике работы процессоров.

Логический вентиль (логический элемент, гейт) – это простейшее устройство, которое принимает входной сигнал, выполняет некоторые операции и выводит результат в виде выходного сигнала. Например, вентиль AND (И) включит свой выход тогда и только тогда, когда все входы в вентиль включены. Инвертор или вентиль отрицания NOT (НЕ) включит свой выход, если вход отключен. Объединив эти два гейта, мы получим логический элемент NAND (И-НЕ), который включает свой выход, если и только если ни один из входов не включен. К другим логическим гейтам, с иной логической функциональностью, относятся OR (ИЛИ), NOR (ИЛИ-НЕ), XOR (Исключающее ИЛИ) и XNOR (Исключающее ИЛИ с инверсией).

Ниже показаны схемы двух основных логических элементов, реализованных с помощью транзисторов: вентиль отрицания (инвертор) и вентиль NAND (И-НЕ). В инверторе сверху находится транзистор pMOS, подключенный к питанию, а снизу транзистор nMOS, подключенный к земле. Транзисторы pMOS обозначаются с небольшим кружочком на затворе. Поскольку устройства pMOS срабатывают при отключенном входе, а устройства nMOS наоборот – при включенном, то несложно понять, что сигнал на выходе всегда будет противоположным сигналу на входе. Глядя на вентиль NAND, мы видим, что для него требуются четыре транзистора и что выход будет включен, пока хотя бы один из входов отключен. По такому же принципу, как формируются приведенные примеры элементарных транзисторных схем, проектируются и более сложные логические гейты и прочие схемы внутри процессоров.

Трудно представить, как из таких простейших кирпичиков – логических элементов – может получиться функционирующий компьютер. Сперва из нескольких отдельных вентилей создаётся простейшее устройство, способное выполнять какую-то простую функцию. Затем из нескольких таких простых устройств создаётся более сложное, выполняющее более сложную задачу. Процесс объединения отдельных компонентов для получения требуемой функциональности – это именно то, что применяется сегодня при создании чипов. Современные чипы имеют миллиарды транзисторов.

В качестве примера, взглянем на простой полный одноразрядный сумматор. Он имеет три входа – А, B и Вход переноса (Cin), и два выхода – Сумма (Sum) и Выход переноса (Carry out). Базовая схема такого сумматора строится на пяти логических гейтах, которые можно сгруппировать для получения сумматора требуемого размера. Современные схемы вносят некоторые улучшения, оптимизируя работу логики и работу с переносами, но суть остаётся прежней.

Вывод Суммы (Sum) включается, если A или B включены (но не оба сразу), либо если есть сигнал переноса (Cin), при этом A и B одновременно включены или выключены. Вывод переноса (Carry out) функционирует несколько сложнее – он срабатывает либо при одновременном включении A и B, либо если есть сигнал переноса и один из A или B (но не оба сразу). Чтобы соединить несколько однобитных сумматоров в один более широкий, нам попросту нужно последовательно соединить вывод переноса предыдущего бита с входом переноса текущего бита. Чем сложнее схемы, тем сложнее логика, но это самый простой способ сложить два числа. Современные процессоры используют более сложные сумматоры, рассматривать их в нашем обзоре будет излишним. Помимо сумматоров, процессоры также содержат узлы для деления и умножения, включая версии всех этих операций с плавающей запятой.

Читайте также:  PowerColor Radeon RX 590 Red Devil

Объединение групп логических элементов для выполнения какой-либо функции, подобное этому, называется комбинационной логикой. Но этот тип логики не единственный, что встречается в компьютерах. Было бы мало толку, если бы мы не могли хранить данные или отслеживать состояние чего-либо. Для этого нам нужна секвенциальная логика, которая обеспечивает возможность хранить данные.

Секвенциальная логика строится путем подключения инверторов и других гейтов таким образом, что их выходы возвращают сигналы на вход гейтов. Эти контуры обратной связи используются для хранения одного бита данных и известны как статическое ОЗУ или SRAM (Static RAM). Статическим оно называется в противоположность динамическому (DRAM), поскольку сохраняемые в нём данные всегда напрямую связаны с положительным напряжением или землей.

Ниже показан стандартный способ имплементации одного бита SRAM на шести транзисторах. Верхний сигнал WL (Word Line, словная линия) является адресным, и когда он включен, данные, хранящиеся в этой 1-битной ячейке, подаются на битовую линию BL (Bit Line). Вывод BLB (Bit Line Bar, шина битовой линии) это просто инвертированное значение битовой линии, но физически это одна и та же линия. Помимо двух типов транзисторов, мы видим и знакомые нам схемы инверторов, выполненные на транзисторах M3/M1 и M2/M4.

SRAM используется для создания сверхбыстрых кэшей и регистров внутри процессоров. Такая память очень стабильна, но требует от шести до восьми транзисторов для хранения каждого бита данных. Это делает его чрезвычайно дорогим по стоимости, сложности и площади чипа по сравнению с Dynamic RAM. DRAM, в свою очередь, хранит данные в крошечном конденсаторе, а не с помощью логических вентилей. Динамическим оно называется потому, что напряжение на конденсаторе может динамически изменяться, поскольку оно не подключено напрямую к питанию или земле.

Поскольку для доступа к данным, хранящимся в конденсаторе, требуется только один транзистор на бит и конструкция схемы очень масштабируема, DRAM может быть «упакован» компактно и дешево. Одним из недостатков DRAM является то, что заряд в конденсаторе настолько мал, что его необходимо постоянно поддерживать. Именно поэтому при выключении компьютера все конденсаторы разряжаются и данные в оперативной памяти теряются.

Принципиальная схема DRAM. Address Line – адресная шина (словная линия); Bit Line – битовая шина (битовая линия); Transistor – транзистор; Storage capacitor – конденсатор; Ground – земля.

Такие производители, как Intel, AMD и Nvidia, не публикуют схем работы своих процессоров, поэтому и мы не можем предоставить точные схемы узлов современных процессоров. Однако этот простой сумматор позволяет получить достаточное представление о том, как даже самые сложные части процессора можно разбить на составляющие логические элементы, элементы памяти, и в конечном итоге – на транзисторы.

Теперь, когда мы знаем об устройстве некоторых компонентов процессора, нам нужно выяснить, как они соединяются и согласуются между собой. Все важнейшие узлы процессора подключены к тактовому сигналу (синхросигналу), который представляет собой чередование верхнего и нижнего уровня сигнала с заданным интервалом, называемым частотой. Логика внутри процессора обычно переключает значения и выполняет вычисления в момент переключения синхросигнала с низкого уровня на высокий. Синхронизируя все вместе, мы можем быть уверены, что данные всегда распределяются корректно по времени, тем самым исключая сбои в работе процессора.

Многие, наверное, слышали о так называемом «разгоне» – увеличении тактовой частоты процессора с целью повысить его производительность. Этот выигрыш в производительности достигается за счет более быстрого переключения транзисторов и внутрипроцессорной логики, чем предусмотрено производителем. Поскольку число тактов в секунду становится больше, то и операций может быть произведено больше, отчего и повышается производительность процессора. Но это справедливо лишь до определенного предела. Большинство современных процессоров работают с частотой от 3,0 до 4,5 ГГц, и за последнее десятилетие ситуация не сильно изменилась. Точно так же, как металлическая цепь не прочнее её самого слабого звена, процессор не может быть быстрее его самой медленной части. К концу каждого такта каждый из элементов процессора должен завершить свою работу. Если какой-то элемент не успевает, значит заданная частота слишком высока, и процессор не сможет работать. Разработчики называют эту самую медленную часть «критическим путем», и именно по ней производителем задаётся максимальная частота процессора. Выше определенной частоты транзисторы просто не могут переключаться достаточно быстро и начинают глючить или давать неправильные выходные сигналы.

Мы можем ускорить переключение транзисторов, повысив напряжение питания процессора, но это тоже срабатывает до определённого предела. Если подать слишком большое напряжение, то мы рискуем сжечь процессор. При увеличении частоты или повышении напряжения процессора, усиливаются его нагрев и потребляемая мощность. Это происходит потому, что мощность процессора прямо пропорциональна частоте и пропорциональна квадрату напряжения. Чтобы определить энергопотребление процессора, мы рассматриваем каждый транзистор как маленький конденсатор, который нужно заряжать или разряжать при изменении его значения.

Подача питания — настолько важная часть процессора, что в некоторых случаях до половины физических контактов на чипе может использоваться только для питания или заземления. Некоторые чипы при полной нагрузке могут потреблять больше 150 ампер, и весь этот ток должен крайне аккуратно управляться. Чтобы представить такое количество энергии, заметим: центральный процессор производит больше тепла на единицу площади, чем ядерный реактор.

Тактовый сигнал в современных процессорах отнимает примерно 30-40% от его общей мощности, потому что он очень сложен и должен управлять множеством различных устройств. Для сохранения энергии большинство процессоров с низким потреблением отключают части чипа во время их бездействия. Это реализуется отключением тактового сигнала (Clock Gating) или отключением питания (Power Gating).

Тактовые сигналы имеют ещё одну сложность при разработке процессора: так как их частоты постоянно растут, на их пути начинают вставать законы физики. Хоть скорость света и чрезвычайно высока, она недостаточно высока для высокопроизводительных процессоров. Если подключить тактовый сигнал к одному из концов чипа, то ко времени, когда сигнал достигнет другого конца, он уже будет значительно рассинхронизован. Чтобы синхронизировать все части чипа, тактовый сигнал распределяется при помощи так называемого H-дерева (H-Tree). Это структура, обеспечивающая равноудаленность всех конечных точек от центра.

Может показаться, что проектирование каждого отдельного транзистора, тактового сигнала и контакта питания в чипе – чрезвычайно монотонная и сложная задача, и это в самом деле так. Даже несмотря на то, что в таких компаниях, как Intel, Qualcomm и AMD работают тысячи инженеров, они не смогли бы вручную спроектировать каждый аспект чипа. Для их проектирования они используют различные специальные инструменты, помогающие создавать необходимые конструкции и схемы к ним. Такие инструменты обычно получают высокоуровневое описание того, что должен делать компонент, и определяют наилучшую аппаратную конфигурацию, удовлетворяющую этим требованиям. Зародилось технологическое направление под названием «Синтез высокого уровня» (High Level Synthesis), которое позволяет разработчикам задавать в коде желаемую функциональность, после чего компьютеры определяют, как оптимально достичь её в оборудовании.

Точно так же, как вы можете описывать компьютерные программы с помощью кода, проектировщики могут описывать кодом аппаратные устройства. Такие языки, как Verilog и VHDL позволяют разработчикам оборудования выражать функциональность любой создаваемой ими электрической схемы. После успешного выполнения симуляций и верификации таких проектов их можно материализовать в конкретные транзисторы, из которых будет состоять электрическая схема. Хоть этап верификации и не кажется столь же увлекательным, как проектирование нового кэша или ядра, он значительно важнее их. На каждого нанимаемого компанией инженера-проектировщика может приходиться пять или более инженеров по верификации.

Верификация нового проекта чипа зачастую требует гораздо больше времени и денег, чем создание самого чипа. Компании тратят так много времени и средств на верификацию, потому что после отправки чипа в производство его невозможно исправить. В случае ошибки в ПО, можно просто выпустить патч, а вот с ошибками в оборудовании такого не сделаешь. Например, компания Intel обнаружила баг в модуле деления с плавающей запятой у некоторых чипов Pentium, и теперь этот баг обошёлся компании в 2 миллиарда долларов.

Непросто осмыслить то, что в одном чипе может быть несколько миллиардов транзисторов и понять, что все они делают. Если разбить чип на его отдельные внутренние компоненты, становится немного легче. Из транзисторов составляются логические вентили, логические вентили соединяются в функциональные модули, выполняющие определённую задачу, а эти функциональные модули собираются вместе, образуя архитектуру компьютера, о которой мы говорили в первой части серии.

Бо́льшая часть работ по проектированию автоматизирована, но изложенное выше позволяет нам осознать, насколько сложен только что купленный нами новый процессор.

Эта вторая часть нашей серии посвящена процессу проектирования процессора. Мы рассмотрели транзисторы, логические элементы (они же вентили, гейты), подачу питания и синхронизирующих сигналов, синтез конструкции и верификацию. В третьей части мы узнаем, что требуется для физического производства чипа. Все компании любят хвастаться тем, насколько современен их техпроцесс (Intel 10 нм, Apple и AMD 7 нм, и т.д.), но что же на самом деле означают эти числа? Об этом мы расскажем в следующей части.

Источник