О питающих напряжениях и передаче данных у современных видеокарт

Миллионы людей используют компьютеры, не задумываясь о том, как работают комплектующие, из которых они собраны. Те, кто желает получить от имеющегося hardware наибольшую отдачу должны досконально изучить его особенности.

Важную роль в проведении высокопроизводительных вычислений играют видеокарты. Понимание особенностей функционирования GPU поможет обеспечить правильные условия эксплуатации, способствующие получению высокой производительности и надежности работы ригов.

Знания о том, как работает видеокарта нужны и ремонтникам, которые имеют все больше работы в связи с увеличением армии майнеров с низкой технической квалификацией.

Рассмотрим подробнее некоторые особенности работы видеокарт с точки зрения обеспечения питающих напряжения и обмена данными.

Какие напряжения используются для работы видеокарт?

Маломощные видеокарты обеспечиваются питанием от слота PCI-E (Peripheral Component Interconnect — Express) материнской платы (райзера).

В качестве силовых линий используются только выводы на длинной части разъема PCI-E x1:

Для передачи напряжения +12 вольт в них используется пять контактов, а для напряжения +3.3 вольта — четыре контакта. Земля соединена с тремя контактами разъема PCI-E x1:

По линии питания +3.3V слота PCI Express может проходить ток величиной 3 ампера (9.9 ватт), а по линии +12 вольт — ток 5.5 ампер (66 ватт).

Таким образом, суммарная потребляемая видеокартой мощность со слота PCI-E может составлять 9.9+66=75.9 ватт.

Более мощные видеокарты имеют дополнительные разъемы питания с вольтажом +12 вольт. Обычно для обеспечения дополнительной мощности используются 6-пиновые и 8-пиновые разъемы.

Шестипиновый коннектор питания может обеспечить дополнительные 75 ватт энергии для видеокарты. По желтым проводам идет питающее напряжение +12 V от внешнего источника питания, черные проводники соединены с массой:

Согласно стандартной спецификации, pin 2 не должен использоваться вообще, но большинство производителей использует его как дополнительную линию + 12V:

8-pin коннектор дополнительного питания +12 вольт обеспечивает до 150 ватт мощности:

Для универсальности использования 8-пиновых коннекторов дополнительного питания, на блоках питания устанавливают 6+2 пиновые разъемы:

Если сложить максимальную мощность которую может получить видеокарта из слота PCI-E и разъемов дополнительного питания, то получается, что:

• видеокарта с дополнительным шестипиновым разъемом может потреблять 75.9+75=150,9 ватт электроэнергии;
• GPU с 8-пиновым разъемом доппитания 75.9+150=225,9 W;
• видеоускоритель с 6 и 8-пиновыми разъемами дополнительного питания 75.9+75+150=300,9 ватт.

Используя нестандартное подключение, например, подключение 6-пинового коннектора в 8-пиновый разъем, нужно обеспечить даунвольтинг/эксплуатировать GPU в щадящем режиме (чтобы не начала плавиться изоляция проводов питания):

Внутри видеокарты напряжения от внешних источников питания преобразуются в нужные для работы ее электронных компонентов номиналы.

Например, чипы памяти GDDR5 работают от напряжения 1.35V, а GPU Core — от 0,5 до 1.5V. Это означает, что входные питающие напряжения +3.3 В и +12 В должны быть понижены до нужных значений с помощью voltage regulator modules (VRM) и линейных преобразователей напряжения.

Цепи питания на видеокарте Nvidia GTX 1000-й серии:

Качество работы VRM напрямую влияет на способность видеокарт к стабильному разгону/даунвольтингу. Как правило, чем больше фаз питания VRM, тем лучше и стабильнее работает видеокарта.

Обмен данными между видеокартой и центральным процессором/другими потребителями

Передача данных для видеокарты и потребителями производится через шину PCI Express. Физически пины разъемов PCI Express, использующиеся для передачи данных (transmit,) находятся на одной стороне разъема, а приемные (receive) — на другой (подробнее в статье «О проверке работоспособности райзеров для видеокарт«):

Назначение всех пинов разъема PCI-E x1:

Обмен сигналами производится с помощью дифференциальных сигналов по двум проводам, за один цикл передается 1 бит данных.При этом одновременно используется два сигнальных пина и два контакта земли. Полностью система работает используя 2 пина на передачу, 2 пина на прием и 4 пина земли. Эти 8 пинов в общем формируют одну линию PCI-E.

Схематическое изображение работы физических проводников (Wires), прохождения сигнала, линий PCI-E и шины передачи данных:

Обмен данными по линиям PCI-E через управляющее устройство (центральный процессор или чипсет):

Количество использующихся линий PCI Express устройства обозначается маркировкой x1, x4, x8, или x16, обозначающей соответственно 1 линию, 4 линии и т.д.

Слоты PCI Express и зависимость полосы пропускания от количества линий:

Разъемы PCI Express с x1, x4, x8, x16 — линиями обмена данными:

Обозначение PCI Express x16 обозначает, что возможна одновременная передача/прием до 16 битов за один тактовый цикл.

Скорость передачи данных по линиям PCI-E в зависимости от количества задействованных линий и поколения PCIe: