关于NV GT200 PCB/供电的一些知识回顾

金鹏

转自超能网  http://bbs.expreview.com/viewthread.php?tid=22393&highlight=

GTX260公版三易PCB设计
　　GTX260经历了三个版本的变化，即第一版（192SP/65nm）、第二版（216SP/65nm）和第三版（216SP/55nm），在公版GTX260的PCB设计上其实也是三易其容。
　　对于65nm制程的GTX260来说，无论是192SP还是216SP的版本，都是采用P651 PCB设计（与GTX280相同），它的明显特点是采用14层PCB以及玩家津津乐道的Volterra数字供电，P651的供电方案从寿命、空间、电源效率这些方面整体来看，确实是非常强大，然而它的成本也是昂贵的。
　　到了55nm制程的GTX260，功耗已比65nm产品大为降低，所以在刚刚推出时换成了P654 PCB设计，PCB从P651的14层减少到了10层，14颗显存（共896MB）全部安排在PCB正面，它的好处在于简化布线，也可以共用一体化散热器进行散热。在供电部分，P654版也改成了普通的模拟PWM方案，MOSFET采用了LEPAK封装的产品，整体成本上明显下降。





公版GTX260的三版PCB设计

　　在今年二月，NVIDIA开始提供给合作厂商P897 PCB版的GTX260设计方案，目的是为了进一步降低成本，GPU的供电管理芯片更换为ADP4100，厂商可以自行选择采用4或6相设计，显存供电部分则由以前的2相改为1相，并移到了显卡的左端，MOSFET均采用成本更低的DPAK封装替代原来的LFPAK封装；另外一个明显的改变是PCB层数由10层再度精简到8层，为了进一步降低成本，厂商还可能更换DVI接口、晶振以及各类电气元件，甚至可以把BIOSRom容量从1MB改用512K的类型。相比P654设计方案，P897版可以节省10-15美元的成本。
　　NVIDIA的产品经理解释说：“P897的设计相对于P654并不能算是缩水。初期P654的版本最主要是为了满足产品尽快上市的目设计的，所以整个方案可以说是不计成本的。其中一些用料是远远高过了本身产品的需求，这样做的好处是刚刚出来的产品不需要花费很多的调校时间就可以保证品质。随着产品上市后时间的推移，我们要充分的时间对用料和PCB设计进行优化，以去掉不必要的高规格料件浪费。从P897和P654的超频性上就可以看出，P897的产品设计同样维持了P654一样的水准。我们推出的产品设计一定是以保障品质和性能为第一考虑要素的。”
　　从这三次PCB设计上的变化来看，在满足GTX260需求的前提下，尽可能的降低产品本身的制造成本，有助于提升其于市场的竞争力，将这一部分成本转化为实惠返还给消费者，GTX260从刚发售时的2799元一直降到现在的1299元，制造成本的不断下降也是功不可没。






  P651的供电方案（3+2相）





P654的供电方案（4+2相）





P897的供电方案（4+1相分离设计，也可以设计成6+1相）




另外从上面三张对比图还可以看到，在12V电源输入端，P897版已取消了输入电感，理论是对输入电流的纯净性保证有所下降。



◆ 关于数字供电
　　其实无论是数字供电还是模拟供电，都属于开关电路，本质上都是模拟电路。我们所说的数字供电，准确意义上，是指PWM芯片采用数字方式来控制所有的相位IC。
P651公版上采用的数字供电



数字供电中，PWM芯片采用数字式处理技术，对整个模拟电路进行管理。模拟供电中电路的响应特性是由各种离散元件决定的，不能很好的为所有的电源值和负载点提供最佳的设置，另外由于各种元器件的长时间使用，因为温度引起老化，实际输出值偏离于正常设计的理想值，而数字供电则很大程度上杜绝了这类事件的发生，在电流/电压平衡上它可以直接侦测每一颗驱动IC上面的电流/电压，让每一相所承担的负载更平均，不易产生凸波。比如说通过VT1165MF组成的数字供电，GPU电压峰值幅度仅140mV，而模拟供电GPU电压峰值幅度却有300mV。在转换效率也远高于模拟供电普遍保持的70-80%，可以达到90%左右。
　　数字供电可以使得供电电流更为稳定、更容易精确控制、转换效率高、响应时间快，而且还具有能提供更大电流、元件体积更小等优点，缺点当然就是价格比较高了。


◆ PWM芯片之变
不同PCB公版上用的PWM芯片


对于供电电路来说，最重要的当数PWM（脉宽调制）芯片，它的作用是获取GPU/CPU的工作电压代码，再转换成实际的电压信号，控制Mosfet输出准确的电压，监视CPU的工作电流变化，根据GPU/CPU的负载调整输出电流。
　　在P651公版上，采用了成本昂贵的Volterra公司的VT1165MF数字式PWM芯片，可以管理6相供电。而P654公版上，则开始采用模拟PWM芯片，由安森美（ONSemiconductor）出品的NCP5388，该芯片能管理2/3/4相电，内置有驱动IC（driver）。到了P897，PWM芯片又换成了安森美的ADP4100，可以管理6相以下供电，ADP4100没有内置驱动IC，因此通常在显卡背面可以看到一些体积很小的驱动芯片，它的作用把PWM发出的信号放大，以驱动MOSFET工作。理论上来说，外置driver的控制精度要好于内置drvier的，因此从PWM芯片上讲，P897相比P654并没有缩水，相反在性能上还要略好点，从价格上来说，两者相差不多，当然它们和Volterra的数字PWM芯片相比就小巫见大巫。
55nm版本的GT200芯片的功耗已经比65nm产品大为降低，在这种情况下，NVIDIA推出的P654和P897公片改用普通的模拟PWM降低成本也算是非常正常的做法。

七彩虹的“IPU”实际上就是ADP4100 PWM芯片


七彩虹宣称它们的iGame系列显卡中加入了IPU（iGame PowerUnit）引擎，在刚推出的iGame260+显卡我们甚至能发现一颗印有IPU字样的芯片，你是不是也认为这颗IC就是IPU引擎的管理芯片了？根据我们的知识判断，它只是LFCSP-48封装的安森美PWM芯片ADP4100的remark版本而已。


◆ 供电电路Mosfet之变



Mosfet（场效应晶体管）在供电电路中起“开关”作用，“开启”时允许电流通过，“关闭”时阻挡电流通过，在这个开关过程中不断给电感存储能量或为负载（如GPU）供电。
　Mosfet元件用料上的变化在这三版PCB设计上也体现得淋漓尽致，从P651上CSP封装的Volterra一体化电源芯片到P654上LFPAK封装的Mosfet，再到P897上最普通的DPAK封装的Mosfet，采购成本一次比一次低，当然电气性能也在递减。DPAK封装Mosfet由于引脚和内部引线的电感，设计频率始终无法达到很高，一般在200KHz左右，而LFPAK采用内部夹层构造，不再使用任何引线，从而在工作频率可以达到很高，最高能达到2MHz。
　　一般传统的Mosfet每一相位大概可以提供25～30A电流，而整合IC（如Volterra一体化电源芯片）可以提供30～50A的大电流。


◆ 供电电路电感之变



在供电电路中，电感的作用是存储能量，把Mosfet送过来的电能转变为磁能储存。
　　在P651和P654的公版设计中，供电电路中的电感均采用的是陶瓷SMD（贴片）电感，到了P897公版中，已被普通的铁壳SMD电感替代，更甚的是在不少非公版GTX260中，使用了成本更低的DIP（插件）电感。
　　陶瓷电感在容量和耐压稳定性上要出色得多，普通的SMD电感在散热和体积上比DIP电感要强，工作频率也可以达到更高，DIP电感的优势在于允许更大的电流和价格低廉，对于普通用户来说，DIP电感体积较大有时可能会影响到散热器的安装等。


◆ 供电电路电容之变

MLCC陶瓷贴片电容 vs 固态电解电容


供电电路中电容起着存储电能和滤波作用。
　　由于在P651公版中采用了Volterra的供电方案，Mosfet的开关频率很高，普通的电解电容难以满足要求，所以采用了大量的陶瓷贴片电容（MLCC），陶瓷电容属于无机电容，象CPU背面和GPU表面用的那种就是，性能稳定，高温性能很好，耐压耐热阻抗低体积小。
　　在P654和P897公版中，由于采用了频率较低的普通Mosfet，用直立电解电容就够了，因此大多数GTX260使用了固态直立铝电容。从本质上说，固态电容和液态电容都是电解电容，只是阴极材料不同而已，固态电容阴极采用的是高分子材料而不是电解液，具有环保、低阻抗、高低温稳定、耐高纹波及高信赖度等优越特性。不过在GTX260这样的高端显卡中，液态铝电容基本是绝迹了的。
　　当然同样是固态电容，也有品牌好坏之分，同一品牌也有高低端之分，一般来说日系固态电容强于台系电容，台系电容强于国产电容。


◆ 晶振之变



晶振（Crystal）的作用是向显卡的各部分提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定，自然容易出现问题。由于现在晶振制造水平很成熟，技术指标都很好，已不容易出现故障。
　　从上面的图可以看到，在P897设计中，有些厂家产品的晶振已采用了两根引脚的无源晶振，而前两版均是采用四根引脚的有源晶振，无源晶振其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，缺点是灵活性较差，价格相对较高，两者的采购价大概相差1元人民币左右。特别在这里介绍主要是因为无源晶振个头比较高，可能会影响到散热器的安装，象超频三黑海散热器就与P897版的GTX260有这样的冲突问题。
　　GTX260的Shader和显存频率都是以晶振的频率为基准的，在公版GTX260上均采用的是27MHz的晶振，可以简单地理解27MHz为外频，Shader频率1242MHz＝46*27MHz，显存频率999MHz＝37*27MHz，而核心频率与 Shader是一个比例关系，对于GTX260来说，核心频率＝Shader频率*32/69。

[ 本帖最后由 金鹏 于 2009-7-17 15:23 编辑 ]

Bismarck

嗯嗯

QCH还是那么的不厚道

P651越来越少

金鹏

651现在基本上绝迹了，期待以后有采用651基板的275甚至285超公火星卡出现

2287732

金鹏的文章写的很好。

cicikml

真不错，学了很多知识，感谢金鹏兄！

金鹏

晕倒，这文章不是我写的，是转载自超能网

Bismarck

原帖由 金鹏 于 2009-7-19 09:44 发表
651现在基本上绝迹了，期待以后有采用651基板的275甚至285超公火星卡出现

咳咳，成本成本

金鹏

喜欢651的FANS们有贵上200－300米的心理准备

55NM核心能上800＋P651定价1399厂家有得赚，玩家也欢喜

cicikml

我知道是转载啊，呵呵 ，即使转载也应该感谢，因为平时上超能网较少，这类技术分析的文章也就不常看到。能在EQUN看真是方便很多。

金鹏

呵呵，兄弟最近学业很忙吧？

发现兄弟GPUGRID计算能力惊人

估计有10台机器跑吧？

cicikml

原帖由 金鹏 于 2009-7-19 22:22 发表
呵呵，兄弟最近学业很忙吧？
发现兄弟GPUGRID计算能力惊人
估计有10台机器跑吧？

GPUGRID只有一台机器在跑，就是9600GSO，FAH也是一台9600GSO在撑着，就是不能24小时跑，可惜了。
这个项目的分值很高，而且负载较小，跑起来温度很好控制，最高温度大概70多度。
有条件一定要让自己的FAH每日得分达到6K，呵呵。

金鹏

原来如此

GPUGRID是关于哪方面研究的？

cicikml

金鹏兄看这个网页，呵呵，你有兴趣也可以来参加。
http://www.equn.com/wiki/GPUGRID.net

金鹏

貌似多巴胺之类研究治疗精神分裂症的药物的？

感觉研究结果受益面太狭隘，不如WCG和FAH

zxy0714

此贴大家看看、笑笑就好了，其中很多元器件知识介绍错误，是常识性错误。别转到其他专业论坛，会被人笑话我们FAHer的无知的~~~