"Холодно и тихо" или "антиэкстремальный разгон" видеокарт на чипах от ATI

Производительность современных видеокарт неизбежно повышается - прогресс не стоит на месте, и сегодняшние видеокарты даже среднего класса в тестах и играх легко опережают платы, бывшие самыми производительными еще каких-то два или три года назад. Графические процессоры постоянно совершенствуются, усложняются, и вместе с этим растет количество транзисторов в кристаллах. По этому параметру современные графические процессоры уже не уступают самым сложным и высокотехнологичным компонентам персонального компьютера - центральным процессорам.

Энергопотребление и тепловыделение видеокарт растет вместе с эволюцией графических процессоров и развитием технологий памяти, и сейчас уже сложно представить себе быструю игровую плату, не оборудованную системой охлаждения - такие экземпляры вымерли еще в конце 20 века, когда процессоры были большими, а NVIDIA TNT - вершиной 3D-графики. Сейчас видеокарты с пассивными системами охлаждения или даже вовсе без радиаторов можно найти лишь на самом дне сектора "low-end", а платы, находящиеся на противоположном конце ценовой шкалы, по тепловыделению уже вплотную подбираются к центральным процессорам. Соответственно, и системы охлаждения таких видеокарт - зачастую уже не просто "радиатор плюс вентилятор", а целые конструкции из пластика, алюминия, меди и тепловых трубок, монументальные произведения инженерного искусства, имеющие уже не только функциональные, но и эстетические задачи. Свою задачу по отводу тепла от графического процессора и видеопамяти такие конструкции, как и обычные системы охлаждения вида "радиатор плюс вентилятор", выполняют исправно, но уровень шума, производимого такими системами, обычно оказывается довольно высоким.
Некоторые производители видеокарт оснащают свои платы малошумящими или вовсе пассивными системами охлаждения, и, разумеется, особым образом отмечают это в названии модели или в списке характеристик. Но таких видеокарт не так уж много, и стоят они, как правило, дороже чем обычные платы.

Каким же образом можно "утихомирить" видеокарту?
Во-первых, можно установить пассивную систему охлаждения, благо, предложения имеются - например, компания Zalman, специализирующаяся на разработке эффективных малошумящих систем охлаждения, предлагает целый ряд систем для охлаждения видеокарт. Забегая вперед, скажу, что применение таких систем не всегда обеспечивает желаемый результат - по ходу обзора я представлю две платы от Sapphire, оборудованных как раз такими системами.
Во-вторых, можно запитать кулер видеокарты пониженным напряжением и тем самым снизить шум, производимый вентилятором, или сделать малошумящую активную или пассивную систему охлаждения самостоятельно.

Переход к пассивной системе охлаждения или снижение эффективности активной системы за счет снижения скорости вращения кулера может привести к нарушению стабильности работы видеокарты вследствие перегрева ее компонентов. С другой стороны, даже без модификации, со стандартной системой охлаждения, видеокарта может оказаться в таких условиях, что возникает опасность перегрева. Например, при установке в такой корпус, где должным образом не обеспечивается приток холодного и отвод горячего воздуха.
Снижение тепловыделения видеокарты помогло бы сохранить ее устойчивую работу в таких условиях. Но возможно ли это? Возможно!

"Антиэкстремальный разгон": постановка задачи и ее решение

Наша задача - снизить тепловыделение видеокарты при сохранении устойчивой работы. Оверклокеры знают, что с ростом частоты центрального процессора его энергопотребление и тепловыделение растет почти линейно. Объясняется это тем, что львиную долю энергопотребления процессора составляют броски тока в момент переключения логических элементов, построенных на КМОП-транзисторах. С ростом тактовой частоты число переключений растет, а, следовательно растет и энергопотребление/тепловыделение. Таким образом, понижение тактовой частоты - один из способов понизить тепловыделение.
Но это - не наш метод. Любителям экстремального разгона известно, что при повышении напряжения питания центрального процессора или графического чипа на видеокарте его тепловыделение повышается значительно сильнее, чем при разгоне без повышения напряжения. Это объясняется тем, что зависимость энергопотребления и тепловыделения процессора от величины питающего напряжения уже не линейная, а приблизительно квадратичная. Не вдаваясь в тонкости, можно сказать, что это объясняется законом Ома.

Итак, снижение питающего напряжения вместо понижения тактовых частот будет более эффективно снижать тепловыделение, поэтому тактовые частоты видеокарт можно не изменять, а постановку задачи - подкорректировать: наша задача - снижение тепловыделения видеокарт за счет понижения напряжения питания графического процессора и видеопамяти при сохранении устойчивой работы на номинальных частотах .

Тестовая система и условия тестирования

Конфигурация тестовой системы:

Процессор - Intel Pentium4 3000MHz;
Материнская плата - ASUS P4C800 (i875);
Память - 2*512 MB DDR SDRAM TwinMOS PC3200 CL2.5

Программное обеспечение:

Microsoft Windows XP Pro SP1;
DirectX 9.0b;
Драйвер Catalyst версии 4.1;

Испытания видеокарт были проведены не в корпусе, а на открытом стенде, без применения дополнительного обдува. Такой режим тестирования был выбран как компромисссный вариант, поскольку установка системы в корпус сразу ставит результаты тестирования в зависимость от конкретной модели корпуса. По тепловому режиму компьютерные корпуса значительно различаются, но в хороших корпусах, где движение воздушных потоков тщательно продумано, как правило, видеокарты имеют более низкие температуры, чем при работе в открытой системе. Таким образом, температурный режим видеокарты в бескорпусном варианте без дополнительного обдува является даже более тяжелым, чем температурный режим при работе в хорошем корпусе.
В "плохом" корпусе температура видеокарты может оказаться значительно выше, чем на открытом стенде, но снижение теповыделения поможет снизить температуру видеокарты даже в таких условиях.

Температура воздуха в помещении, где проводилось тестирование, была зафиксирована на уровне 21 градусов Цельсия.



Для измерения температуры графического процессора и видеопамяти на платах я использовал инфракрасный термометр-"пистолет", снимая показания температуры в местах, показанных на фото:



На видеокартах Sapphire RADEON 9600 XT Ultimate Edition и RADEON 9800 PRO Ultimate Edition обратная поверхность платы закрыта радиаторами, поэтому в качестве температуры графического процессора на RADEON 9800 PRO Ultimate Edition я брал температуру радиатора, расположенного на лицевой стороне платы, в той точке, что находится прямо над графическим ядром.
Такие показания, конечно, не настолько точны, как хотелось бы, однако, среди всех видеокарт, взятых для обзора, лишь у платы на базе RADEON 9600XT удалось измерить температуру более корректно - этот графический процессор имеет встроенный термодатчик. На остальных видеокартах реальная температура графического процессора оказывается, конечно, выше, чем показания, снятые с поверхности платы напротив графического ядра. Однако, разница между измеренной температурой и реальной температурой кристалла в различных режимах изменяется незначительно, поэтому о соотношении температур можно судить достаточно достоверно.
Скорость вращения вентиляторов на платах, оборудованных активными системами охлаждения, измерялась оптическим тахометром:



Видеокарты были протестированы в двух режимах: "Idle", когда приложения не запущены, на экране - "Рабочий стол" Windows, и "Burn" - для создания нагрузки на видеокарту выполняется бесконечный цикл тестов 3DMark 03 с установками по умолчанию. В режимах "Idle" и "Burn" система выдерживалась 30 минут, для того, чтобы тепловой режим застабилизировался, и только после этого я измерял температуру графического ядра и видеопамяти.
Критерий устойчивости работы при пониженных напряжениях - отсутствие артефактов при прохождении цикла тестов 3DMark 03 с установками по умолчанию в течение часа и дополнительно еще час работы в Far Cry Demo при самых "тяжелых" настройках.

В этом обзоре я экспериментировал только с видеокартами на базе чипов от ATI. Не стоит искать здесь скрытый смысл и проявления приязни или неприязни к ATI или NVIDIA. Объяснение здесь простое: всё началось с RADEON 9500->9700, установленного в моей домашней системе - я захотел снизить шум от его вентилятора и понизить тепловыделение платы. И, уж поскольку всё началось с RADEON 9700, я решил рассмотреть еще несколько видеокарт, основанных на графических процессорах от ATI, для того, чтобы выяснить, насколько эффективным окажется "антиэкстремальный разгон" в зависимости от класса видеокарты.

Итак, начнем с плат, оборудованных стандартными активными системами охлаждения.

PowerColor RADEON 9700 128 MB

Эта видеокарта путем известных манипуляций была сделана из RADEON 9500, поэтому всё, что будет сказано ниже о RADEON 9700, можно отнести и к видеокартам RADEON 9500, выполненным на дизайне от RADEON 9700.



PowerColor RADEON 9700 128 MB греется весьма умеренно, а ее кулер издает немного шума. Большинство видеокарт на базе RADEON 9500/9700 так же неприхотливы и не требуют каких-то особых модификаций. В моем же случае (система собрана на базе SFF Shuttle SS51G) даже такой невысокий уровень шума, как у платы от PowerColor, оказался очень заметен, а энергопотребление и тепловыделение этой видеокарты - выше, чем хотелось бы.

Приступаем к действиям.
Питание графического процессора на PowerColor RADEON 9700 128 MB обеспечивает импульсный стабилизатор, основанный на микросхеме-контроллере SC1175CSW от SemTech. Эта микросхема имеет два независимых канала, которые в данном случае включены в режиме разделения тока. Выходное напряжение стабилизатора определяется соотношением сопротивлений резисторов в цепи обратной связи, и всё, что надо для понижения напряжения - изменить это соотношение в нужную сторону. Проще всего понизить сопротивление одного из резисторов с помощью подключения дополнительного резистора. В случае повышения напряжения и экстремального разгона был бы зашунтирован другой резистор делителя.
Стабилизатор питания внутренних цепей микросхем видеопамяти (VDD) выполнен на микросхеме ISL6522 от Intersil. Выходное напряжение стабилизатора, как и в предыдущем случае, определяется соотношением сопротивлений резисторов в делителе, стоящем в цепи обратной связи. Действия, соответственно - те же.
Понизив напряжение питания внутренних цепей микросхем видеопамяти, необходимо понизить и напряжение питания выходных буферов (VDDQ) - согласно требованиям производителя микросхем памяти (в данном случае это Infineon и модули HYB25D128323C-3.6), величина VDDQ не должна превышать VDD. Сказано - сделано: стабилизатор питания выходных буферов микросхем видеопамяти выполнен на такой же микросхеме, как и стабилизатор питания внутренних цепей.
Последний стабилизатор на плате обеспечивает стабилизацию напряжения для цепей терминации (VTT), и, согласно документации на микросхемы видеопамяти, величина VTT должна составлять половину от VDDQ. Этот стабилизатор выполнен на той же микросхеме, что и стабилизаторы VDD/VDDQ, так что единственная проблема - найти на плате резистор, стоящий в нужном плече делителя.
Ниже на фото показаны стабилизаторы питания графического процессора, VDD/VDDQ/VTT видеопамяти и точки, к которым подпаиваются дополнительные резисторы. В качестве дополнительных резисторов я использовал отечественные подстроечные резисторы сопротивлением 22кОм:



Сопротивления дополнительных резисторов, при которых был получен искомый результат, я не измерял - на платах от разных производителей и даже от одного производителя, но из разных партий, могут быть установлены разные номиналы резисторов в делителях, ведь главное - не величина сопротивлений, а их соотношение. Поэтому важны не столько итоговые сопротивления, сколько итоговые напряжения.
Исходные и пониженные в результате модификации напряжения питания графического процессора и микросхем видеопамяти приведены в таблице. Напомню, что это - минимальные напряжения питания графического процессора и видеопамяти, при которых плата работает устойчиво на номинальных частотах.



В результате модификации напряжение питания графического процесора понизилось на 15%, питание внутренних цепей и выходных буферов видеопамяти - соответственно, на 26% и 15%.
В готовом к испытаниям виде плата стала выглядеть так:



Графический процессор и видеопамять сразу же откликнулись на модификацию понижением температуры:



Отличный результат: в режиме Idle температура графического процессора и видеопамяти понизилась на 4-5 градусов, в режиме Burn - на 8-10 градусов Цельсия.
При переводе вентилятора на голодный паек его скорость снизилась с 4020RPM до 2410RPM, то есть, почти в два раза. Шум от видеокарты при этом практически исчез, остался лишь еле слышный шелест. Снижение эффективности охлаждения при этом оказалось не таким уж большим: в "тихом" режиме видеокарта стала теплее всего на 3-4 градуса в режиме "Idle" и на 4-5 градусов в режиме "Burn".
Итак, цель достигнута: при понижении напряжения питания видеокарту на базе ATI RADEON 9700 удалось сделать тише и холоднее одновременно.

PowerColor RADEON 9800 PRO 128 MB

PowerColor RADEON 9800 PRO - более современная видеокарта, основанная на более производительном чипе. Графический процессор R350 (RADEON 9800/9800 PRO), по сути, является чуть модифицированным R300 (RADEON 9700/9700 PRO), и главное, что нас сейчас интересует - то, что он работает на повышенной частоте и имеет более высокое напряжение питания. Поэтому неудивительно, что R350 имеет более высокое энергопотребление и тепловыделение по сравнению с R300. Соответственно, стабилизатору питания графического процессора на референс-дизайне видеокарт RADEON 9800 PRO уделено особое внимание: например, ключевые полевые транзисторы теперь накрыты отдельным радиатором. Изменилась и система охлаждения: площадь поверхности радиатора увеличилась, а вентилятор получил лопасти особой формы с изломом и стал издавать намного больше шума:



В части охлаждения видеопамяти - никаких изменений: микросхемы, по-прежнему, не оборудованы даже радиаторами. При загрузке они греются гораздо сильнее, чем память на RADEON 9700, и тому есть причины: во-первых, частота видеопамяти на ATI RADEON 9800 PRO намного выше, чем у RADEON 9700, а во-вторых, напряжение питания микросхем повышено по сравнению с RADEON 9700.
Посмотрим, чего удастся добиться при таких неблагоприятных начальных условиях.

Дизайн PowerColor RADEON 9800 PRO отличается от дизайна предыдущей платы, однако, все стабилизаторы питания выполнены на тех же микросхемах, что и на предыдущей плате. Поэтому я не буду повторяться и лишь приведу фотографии, на которых показаны эти стабилизаторы и указаны точки для подключения дополнительных резисторов:


Обратите внимание: номинальное напряжение питания графического процессора на PowerColor RADEON 9800 PRO - почти на две десятых вольта выше, чем у RADEON 9700. Номинальное напряжение питания микросхем видеопамяти на этой плате также оказалось выше. Более того, VDD для микросхем видеопамяти оказывается на верхнем пределе диапазона допустимого напряжения питания, рекомендованного производителем (в данном случае это Samsung и микросхемы K4D26323RA-GC2A), 2.96В при допустимом максимуме в 2.94В!
По всей видимости, таким высоким напряжение питания внутренних цепей микросхем памяти сделано с целью повышения устойчивости работы на высоких номинальных частотах в неблагобриятных условиях, и даже, вполне возможно, с оглядкой на любителей разгона.



Относительное снижения напряжения питания графического процессора оказалось заметнее, чем на предыдущей плате - 17.7%, зато микросхемы видеопамяти отказались работать устойчиво при снижении VDD и VDDQ сильнее, чем на 14,6% и 19,4% соответственно. Очевидно, более высокая тактовая частота видеопамяти накладывает более жесткие ограничения на минимальное напряжение питания.

Итак, плата готова к испытаниям:


При переводе питания кулера с 12В на 7В частота вращения снизилась с 3810 RPM до 2650 RPM, то есть, не так сильно, как у кулера предыдущей видеокарты, зато шум пропал практически полностью. Повышение температуры графического процессора при снижении эффективности охлаждения оказалось примерно таким же, как и прошлый раз - 2-4 градуса:



В случае с RADEON 9800 PRO понижение напряжения питания оказалось более действенным, чем для RADEON 9700. Температура графического ядра в режиме Idle снизилась на 6 градусов, а при загрузке - на 13-15 градусов. Но еще более значительно упала температура микросхем видеопамяти: на 5 градусов в режиме Idle и на 30 градусов в режиме Burn!

Прекрасный результат, не правда ли? После модификации видеокарта на базе ATI RADEON 9800 PRO стала холоднее и тише, чем немодифицированная плата, основанная на RADEON 9700, и это особенно радует, если вспомнить, что PowerColor RADEON 9800 PRO - более современная и намного более производительная видеокарта.

Теперь рассмотрим видеокарты с пассивными системами охлаждения.

Sapphire RADEON 9600 XT 128 MB Ultimate Edition

Плата ATI RADEON 9600 XT от Sapphire выполнена по собственному дизайну и оснащена пассивной системой охлаждения. Она состоит из двух алюминиевых радиаторов, соединенных между собой тепловой трубкой:



При работе эта конструкция весьма прилично разогревается. Возможно, охлаждение было бы более эффективным, если бы ребра радиатора, расположенного на лицевой стороне платы, не закрывала большая металлическая наклейка с логотипом Sapphire, а сами радиаторы были более приспособлены к работе без принудительного обдува, то есть вместо ребер имели бы игольчатую форму.

Стабилизатор питания графического процессора на плате от Sapphire выполнен на основе микросхемы-контроллера RT9202 от RichTek. Для того, чтобы понизить напряжение питания, достаточно, как обычно, изменить соотношение сопротивлений резисторов в цепи обратной связи.
Питание внутренних цепей и выходных буферов (VDD и VDDQ) микросхем видеопамяти обеспечивают импульсные стабилизаторы на микросхемах, соответственно, ISL6522 от Intersil и RT9202 от RichTek. Для понижения напряжения питания нужно выполнить те же действия - найти резисторы, стоящие в цепях обратной связи и подпаять к ним дополнительные резисторы, изменив соотношение сопротивлений в нужную сторону.
Стабилизатор напряжения для цепей терминации (VTT) выполнен на микросхеме RT9173 от RichTek. В качестве опорного напряжения он берет VDDQ, поэтому здесь вмешательство в схему не требуется - вместе с изменением VDDQ изменится и VTT.
Стабилизаторы питания графического процессора и видеопамяти, а также точки подключения дополнительных резисторов показаны ниже на фотографиях:

Чип RADEON 9600 XT имеет сравнительно невысокое тепловыделение, несмотря на то, что он работает на самой высокой частоте среди всех чипов серии RADEON 9xxx. Тому есть несколько причин: во-первых, он содержит меньшее количество транзисторов по сравнению с R300/R350, во-вторых, он выполнен по технологии 0.13мкм и имеет пониженное напряжение питания - всего 1.3В:



Напряжение питания графического процессора удалось снизить на 11.5% при сохранении устойчивой работы на номинальной частоте - 500 МГц. Видеопамять на RADEON 9600 XT также работает на достаточно высокой частоте, поэтому напряжение питания внутренних цепей и выходных буферов микросхем видеопамяти при сохранении устойчивой работы удалось снизить лишь на 12.7% и 11.1% соответственно.

Итак, плата готова к испытаниям:



Напомню, что RADEON 9600 XT имеет встроенный термодатчик, поэтому измеренная температура графического процессора в диаграмме у RADEON 9600 XT от Sapphire наиболее близка к реальной:



Чип RADEON 9600 XT имеет сравнительно невысокое тепловыделение, поэтому такая система охлаждения, что установлена на видеокарте от Sapphire, справляется с отводом тепла от графического процессора: 66 градусов при загрузке - не самый плохой результат.
Понижение напряжения питания обеспечивает падение температуры ядра и видеопамяти на 3-4 градуса в режиме Idle и 4-6 градусов в режиме Burn. Это очень немного - если бы система охлаждения была более эффективной, а графический чип выделял бы больше тепла, то эффект от модификации был бы более заметным :).

Sapphire RADEON 9800 PRO 256 MB Ultimate Edition

Последняя видеокарта в сегодняшнем обзоре - Sapphire RADEON 9800 PRO 256 MB Ultimate Edition. Настоящий монстр на базе RADEON 9800 PRO, оснащенный 256 МБ видеопамяти DDR II и оборудованный огромной системой охлаждения от Zalman, состоящей из двух радиаторов, соединенных тепловой трубкой. Даже микросхемы видеопамяти на этой плате накрыты собственными радиаторами:



При работе под нагрузкой радиаторы на видеопамяти и система охлаждения графического процессора разогрелись до пугающей температуры. Мои опасения оказалиь не напрасны: к концу получасового интервала работы в режиме "Burn" на экране начали появляться артефакты - из-за перегрева видеокарта даже на номинальных частотах стала работать неустойчиво.

Приступаем к "анитиэкстремальным" действиям. Стабилизаторы питания графического процессора и видеопамяти на этой видеокарте выполнены на тех же микросхемах, что и на RADEON 9700 и RADEON 9800 PRO. Поэтому я не буду повторяться и лишь приведу фотографии, на которых показаны стабилизаторы питания и точки для подключения дополнительных резисторов:

Стабилизатора напряжения для цепей терминации на видеокарте нет - эти цепи содержат микросхемы памяти DDR II от Samsung.



Серьёзного снижения напряжения питания добиться не удалось - в числе причин, по всей видимости, находится то, что плата имеет сложную разводку с большой длиной сигнальных линий, а видеопамять работает на повышенной (700 МГц) частоте.
В итоге при сохранении стабильности работы на номинальных частотах напряжение питания графического процессора удалось снизить на 8%, а видеопамяти - на 7.5%, и то - только в части питания внутренних цепей.

В готовом к тестированию виде плата стала выглядеть так:



Посмотрим, насколько эффективно подействует столь незначительное снижение напряжений питания:



80-85 градусов при загрузке - это очень много. Напомню, что на этой диаграмме фигурируют не реальные температуры графического процессора и видеопамяти, а температуры радиаторов.
Снижение напряжений питания обеспечило падение температуры ядра и видеопамяти на 8-9 градусов в режиме Idle и на 8-14 градусов в режиме Burn. Результат, конечно хороший - после модификации видеокарта без замечаний прошла все положенные тесты, однако, температуры при этом остаются, по-прежнему, очень высокими.
Необходимость установки видеокарты в хороший корпус или организации дополнительного обдува не вызывает сомнений. Всё это ограничивает возможность заполучить "тихую и холодную" плату, имея в качестве отправной точки RADEON 9800 PRO 256MB от Sapphire.

Заключение

Итак, наиболее результативно модификация сказалась на видеокартах на базе ATI RADEON 9700 и RADEON 9800 PRO со 128 мегабайтами видеопамяти, оборудованных стандартными активными системами охлаждения. При переводе кулера на 7 вольт температура графического процессора и видеопамяти возрастает незначительно, и в результате после модификации платы становятся одновременно и "тише" и "холоднее".

Видеокарта на базе ATI RADEON 9600 XT от Sapphire, оборудованная пассивной системой охлаждения, прекрасно работает и без модификации, поскольку этот графический процессор имеет сравнительно низкое тепловыделение. Понижение напряжения питания графического процессора и видеопамяти для платы на базе RADEON 9600 XT может стать актуальным в том случае, когда видеокарта установлена в корпус с плохим температурным режимом.

Sapphire RADEON 9800 PRO 256 MB - самая мощная и самая "горячая" из видеокарт, ставших подопытными кроликами в этом обзоре. Микросхемы видеопамяти DDR II от Samsung имеют настолько высокое тепловыделение, что пассивные радиаторы, установленные на них, с трудом справляются с охлаждением - их температура оказывается выше, чем температура микросхем памяти на других видеокартах, при условии, что там они не оборудованы радиаторами. Система пассивного охлаждения от Zalman с RADEON 9800 PRO также работает на пределе. Очевидно, что принудительный обдув или установка в корпус c хорошо продуманной вентиляцией для этой платы - необходимое условие.
Снижение напряжения питания видеопамяти и графического процессора приводит к понижению температур и решает проблему перегрева при работе без дополнительного обдува - видеокарта перестает перегреваться и работает в течение нескольких часов без появления артефактов, но нет никаких гарантий, что в дальнейшем не возникнет никаких проблем.

Итак, сделать обычную видеокарту "тихой и холодной" - вполне возможно. Можно модифицировать плату, понизив напряжение питания графического процессора и видеопамяти и переставить стандартный кулер на семивольтовое питание. Можно просто снизить частоту вращения стандартного кулера. А можно купить пассивную систему охлаждения, например, от Zalman. В таком случае следует позаботиться о том, чтобы корпус имел продуманную вентиляцию.

Каким путем обеспечить себе комфорт - выбирать вам :).