Производители видеокарт при подаче информации об их технических характеристиках, в частности о потребляемой мощности, используют различные не всегда понятные и правдивые способы. Используются такие словосочетания, как:

• Thermal Design Parameter (TDP) – тепловой расчетный параметр, обычно относится только к потреблению видеопроцессора;
• GPU Power – потребляемая мощность видеопроцессора;
• Total Board Power (TBP) – общая потребляемая мощность платы;
• Total Graphics Power (TGP) – общая потребляемая мощность графического ускорителя, аналог TBP. TGP всегда больше TDP;
• Maximum Power Consumption (MPC) – максимальная потребляемая мощность.

В данной статье рассматриваются особенности потребления видеокарт производства компаний AMD и Nvidia. Используются материалы сайта igorslab и другие источники информации. Понимание разницы между TDP, TBP/TGP поможет пользователям более осознанно относиться к выбору видеокарт и блоков питания, понимать реальные цифры потребления видеокарт.

Формирование напряжений питания для видеопроцессора и видеопамяти на картах производства Nvidia и AMD

У всех видеокарт для питания большинства компонентов используются понижающие преобразователи входного постоянного напряжения +12 вольт. Кроме 12-вольтовой линии, видеокарты потребляют небольшой ток и по линии +3,3 вольта через разъем PCI-E (райзер). Хотя загрузка по этой линии измеряется единицами ватт, все же ею не стоит пренебрегать.

При этом инженеры компаний AMD и Nvidia используют разные подходы при разработке своей продукции, что хорошо иллюстрируется изображениями цепей VRM на их видеокартах.

Лицевая сторона печатной платы видеокарты производства компании Nvidia с обозначенными электронными элементами 8+3 фаз питания преобразователя напряжения видеокарты GeForce RTX 2080 Ti, ответственных за формирование напряжений VDDC (для видеопроцессора) и MVDD (для видеопамяти):

Лицевая сторона печатной платы видеокарты с обозначенными элементами 5 + 2 + 1 +2 фаз преобразователя постоянного напряжения видеокарты AMD Radeon VII:

О разнице в подходах к измерению потребляемой мощности видеокарт AMD и Nvidia

Для предоставления информации относительно энергопотребления видеокарт производителями обычно используются сокращения TDP, либо TBP/TGP, в ваттах.

У видеокарт Nvidia в BIOS записаны значения, определяющие лимит потребляемой по умолчанию мощности (default power limit) и максимальную потребляемую мощность (Max Power Limit). С этим тесно связаны возможности разгона/оверклокинга зеленых видеокарт. В случае, если значения Default Power Limit и Max Power Limit равны, то обычными способами разогнать такую видеокарту будет довольно сложно.

В отличие от видеокарт AMD, в изделиях Нвидиа с помощью специального чипа производится мониторинг напряжения/тока на входе 12 вольтовой линии. Чип производит замер напряжения на входе и выходе специального шунта с очень малым сопротивлением. Измерение падения напряжения на этом шунте позволяет точно узнать потребляемый видеокартой Nvidia ток по линии 12 вольт. Так как основное потребление зеленых видеокарт осуществляется именно по этой линии, то точность информации относительно общего энергопотребления получается довольно точной.

Сопротивление R005, использующееся для контроля потребляемой мощности на видеокарте производства Nvidia:

Чип NCP45491 производства On Semi, использующийся для контроля тока и напряжения, поступающего на видеокарту по линии 12 V:

Значение максимальной потребляемой мощности видеокарт Nvidia практически никогда не превышает указанных в BIOS значений. Это достигается благодаря контролю потребления по линии 12 вольт и оперативному изменению режима работы ШИМ-контроллера VRM в зависимости от этого.

В общую корзину потребления видеокарты Nvidia учитывается не только мощность, потребляемая видеопроцессором и памятью, но и RGB-подсветкой, вентиляторами системы охлаждения, и т.д. Их доля потребления может достигать нескольких десятков ватт, что ограничивает максимальную мощность, которую может развить GPU при прочих равных условиях. Если отключить лишнюю подсветку, поставить более производительные вентиляторы той же мощности или (лучше) водяную систему охлаждения, разгонный потенциал таких видеокарт значительно вырастет (за счет увеличения доступной цифры – лимита потребляемой мощности в рамках, дозволенной в BIOS).

У видеокарт АМД контроллер ограничивает потребление по несколько другому алгоритму, связанному с питанием видеопроцессора (GPU). Потребление других компонентов при расчете TBP/TGP у видеокарт AMD обычно не учитывается. В связи с этим видеокарты AMD одного уровня с Nvidia обычно потребляют больше энергии при одинаковом значении TBP/TGP.

Контроль потребляемой мощности видеокарты Radeon VII осуществляется без шунтов через входной сглаживающий LC-контур:

Потери в преобразователях постоянного напряжения видеокарт

Как и в ATX блоках питания, эффективность DC-DC преобразователей видеокарт далека от совершенства. Эффективность работы этих цепей у видеокарт значительно ниже, чем у импульсных блоков питания из-за ограничений, связанных с размером деталей на платах, а также с потерями, связанными с согласованием работы множества фаз.

В компьютерных блоках питания токи, проходящие в 12-вольтовых цепях БП значительно ниже, чем у видеокарт. В большом корпусе БП можно использовать множество твердотельных конденсаторов большой емкости с низким ESR, что обеспечивает хорошую фильтрацию помех и пульсаций выходного напряжения.

В видеокартах приходиться использовать небольшие MOSFET-ы (часто встроенные в один чип с другими компонентами), маленькие конденсаторы небольшой емкости и другие ухищрения в силовых цепях, что не увеличивает их КПД.

Фильтрация и сглаживание напряжения каждой фазы осуществляется LC-контуром, которые являются основными элементами, снижающими КПД фаз из-за наличия паразитных реактивных сопротивлений. Для борьбы с пульсациями используется параллельное включение нескольких фаз, работающих со сдвигом под управлением ШИМ-контроллера.

В связи с этим, при выборе видеокарт стоит обращать внимание на количество фаз питания видеопроцессора, так как чем больше их количество, тем меньше пульсаций выходного напряжения.

Зависимость амплитуды пульсаций в многофазных понижающих преобразователях питания от количества фаз:

Качество напряжения на выходе фазы понижающего buck-конвертора напряжения во многом зависит от величины емкости фильтрующего конденсатора C. У видеокарт емкость этих конденсаторов на порядки ниже, чем в блоках питания:

Для улучшения качества выходного напряжения можно произвести простой моддинг, поставив параллельные сглаживающие конденсаторы на каждую фазу. Увеличение емкости сглаживающего конденсатора в два раза уменьшает амплитуду пульсаций на выходе преобразователя почти в вдвое. Это благотворно сказывается на стабильности работы GPU и его разгонном потенциале. Можно также поиграться с увеличением индуктивности L, но это не так сильно влияет на величину пульсаций и к тому же влияет на величину выходного напряжения с преобразователя.

Миниатюризация компонентов ухудшает условия их охлаждения, что в комплексе с другими проблемами еще больше ухудшает общую эффективность работы цепей питания видеокарт. В связи с этим производители видеокарт Nvidia отказались от использования виртуальных фаз питания в своих устройствах. В современных видеокартах Nvidia используются чипы SPS (Smart Power Stage) с интегрированными полевыми транзисторами верхнего и нижнего плеча, драйвером затвора и диодом Шоттки (подробнее о работе цепей VRM можно прочитать в статье «Как работает VRM материнских плат»).

Две фазы питания видеокарты Nvidia, состоящие из MOSFET-ов верхнего плеча Q681 и Q684, пар включенных параллельно транзисторов нижнего плеча Q686+Q685 и Q683+Q682, а также gate-драйвера фаз U630 и U631:

Дополнительную лепту в потери привносят проблемы с синхронизацией и балансировкой работы фаз ШИМ-контроллером. Результирующая эффективность работы цепей преобразования постоянного напряжения видеокарт составляет 78-85%, что значительно хуже, чем у хороших блоков питания. Например, видеокарта RTX 2080 Ti, потребляющая 275 ватт реально использует только 228 ватт, оставшиеся 47 ватт теряются в виде тепла.

Для улучшения балансировки работы фаз питания видеокарт Nvidia используются смарт-контроллеры DCR (Direct Current Resistance). Они в режиме реального времени корректируют работу фаз в зависимости от температуры и проходящего тока.

VRM видеокарты Nvidia с 8+2 фазами со смарт-управлением:

Балансировка работы фаз современных видеокарт Nvidia достигается за счет постоянного отслеживания и регулировки тока затвора полевых транзисторов каждой фазы. В этом случае измерения производятся не с помощью отслеживания тока на шунте или на выходе сглаживающего фильтра, а с помощью более дорогостоящего решения – цепей DCR (Direct Current Resistance).

8+2 фазы питания видеокарт Nvidia со смарт-регулировкой баланса (каждая фаза имеет по 2 MOSFET-а в нижнем плече и один в верхнем):

У большинства видеокарт AMD дешевого и среднего ценового сегмента для балансировки фаз используются цепи, связанные с катушками индуктивности LC-фильтров (Inductor DCR), которые отличаются в худшую сторону наличием больших погрешностей, в особенности при работе на высокой температуре. Это связано с изменением коэффициента сопротивления медного провода дросселей, который составляет +0,4% на один градус по Цельсию:

В дорогостоящих видеокартах AMD используются более совершенные способы контроля и балансировки работы фаз. Например, у карт Radeon VII для этого используют контроллеры International Rectifier с полным управлением MOSFET DCR на наиболее важных цепях питания.

Контроллеры питания памяти видеокарт

Каждый чип памяти GDDR6 потребляет примерно 2 ватта, то есть в 8-гигабайтной видеокарте Videomemory кушает 16 ватт. Контроллер памяти находится в чипе GPU и также генерирует тепло, которое должно учитываться при подсчете TDP. Тем не менее, ни AMD, ни Nvidia не учитывает memory controller в общем потреблении.

В видеокартах Nvidia питание памяти осуществляется через фазы MVDD и storage-контроллер.

В видеокартах AMD Radeon VII питание памяти идет по цепям VDDRC HBM и VDDCI, у Vega – по линиям MVDD и VDDCI.

Основной ток в цепях питания памяти идет именно по линии MVDD (VDDRC). Напряжение VDDCI используется на шине I/O между GPU Core и чипами памяти.

Расчет общего потребления видеокарт

Общая потребляемая мощность платы (TBP/TGP) складывается из следующих значений:

• паспортное значение TDP GPU;
• потребление вентиляторов (один – порядка 8-10 ватт);
• потери в VRM до 17 процентов (83-85 % КПД). Например, при общей потребляемой мощности видеокарты в 225 ватт (уровень RTX2080/RX 5700XT), тепловые потери составляют 35-37 ватт;
• потребление памяти (16 ватт для 8 Gb памяти GDDR6 с Uпит=1,3 V);
• питание других компонентов видеокарты – 5-15 ватт.

Реальная потребляемая мощность видеокарт должна быть равна сумме всех перечисленных значений. На практике она отличается от расчетной из-за того, что производители не совсем корректно указывают TDP своих видеокарт, не учитывают потери и другие факторы.