האנטומיה של MSI: צוללים עמוק אל תוך ה-GeForce RTX 3080 GAMING X TRIO

במאמר זה נספק לכם עוד מיד על הרכיבים שגורמים לשעון לתקתק, ובעיקר להעביר מידע ממקום למקום – עם מבט (ממש) מקרוב על ה-GeForce RTX 3080 GAMING X TRIO המפואר מתוצרת MSI

בביקורת כרטיס המסך דנו בעיקר בביצועיו של RTX 3080 בשלל כותרים, ובשיפורי הביצועים המרשימים אותם הוא מציג לעומת הדור הקודם. מאמר זה הולך לשמש בעיקר לצרכי למידה והבנת ההנדסה מאחורי מוצר שכזה. כמובן שלהבנת הנדסת המוצר והכרת לוח המעגל המודפס ישנן רמות שונות, החל מהאדם הפשוט ועד מהנדסי החומרה שבונים לוחות כאלה. אנו נכיר חלק מהרכיבים שהופכים כרטיס מסך למה שהוא במטרה להכיר את עיקרי האנטומיה שהופכים את המוצר לתפקודי.

כרטיס מסך זה משתייך לסדרה המתקדמת של MSI, הידועה כ-TRIO, כאשר מתחתיו סדרת Ventus הזולה יותר. לעיתים, MSI משקיעה מחקר והנדסה נוספת ומשיקה לוח מעגל מודפס מתקדם יותר עבור ליבה גרפית בשם סדרת Lightning. דגמים אלו יכולים לקחת אפילו חצי שנה מאז השקת הדגמים הראשונים בשביל להגיע לשוק.

בעיצוב של כרטיס מסך זה, MSI משתמשת בכיסוי אחורי ללוח המעגל המודפס כאשר רק רכיבי גב הליבה הגרפית חשופים. פלטה שמשמשת כמגן אחורי הופכת לדבר קבוע בכרטיסי מסך מתקדמים, שכן אמנם הולכת חום מרכיבי לוח המעגל המודפס היא דבר חשוב, אך הגנה על אותם רכיבים רגישים מנזק פיזי היא דבר חשוב לעיתים לא פחות. הרשת כבר ראתה מגני כרטיס מסך (אפשר לקרוא להם כך?) שמונעים מוות של כרטיס מסך בהגנה עליו מפני נזקי סביבה, נזילה של מים ממערכות קירור למעבד או אפילו כניסה של נוזלים מגג המארז.

אותו חומר לו קוראת MSI במקרטינג "Graphene" (גרפן) הוא למעשה סוג של פולי-קרבונט. לחומרה זה תכונות הולכת חום מעט משופרות מאשר סוגים אחרים של פלסטיק מצוי שאנחנו רגילים לראות במוצרים כמו מארזים. אמנם, עדיין לא מדובר באלומיניום ברמת הולכת החום. מצד שני, ישנם יתרונות על גבי אלומיניום, כשעמידות בפני מכות, בידוד חשמלי וחוזק החומר בראשם. לטובת הולכת חום מרכיבים חמים, מציבה MSI פדים תרמיים בין הגב של מייצבי המתח והזיכרונות אל אותה פלטה.

כך נראה גב כרטיס המסך לאחר פירוק של אותה פלטה אחורית. אין הרבה עניין בחלק זה מלבד בקרי המתח השונים שממוקמים בחלק השמאלי של הכרטיס.

כך נראה לוח המעגל המודפס של ה-RTX 3080 GAMING X TRIO במערומיו. במרכז כרטיס המסך ניצבת ליבה גרפית יחד עם 10 שבבי GDDR6X לקבלת אותם 10GB של זיכרון גרפי. גם מצידה הימני וגם מצידה השמאלי של הליבה, ישנן מערכות הספקת חשמל לרכיבי הליבה השונים כמו גם כאלה לזיכרון הגרפי. לפני הכל, נתחיל בעורק הראשי.

רוב הספקת החשמל של כרטיס המסך מתחילה ממש כאן, במחברי החשמל הראשיים. לכרטיס מסך זה שלושה מחברים מסוג 8PIN PCI-Express. כל מחבר שכזה כולל שלושה פינים ל-12V וחמישה מסוג GND או בעולם חשמל ה-DC שלושה לפלוס וחמישה למינוס. התקינה המקובלת בעולם ספקי הכח וכרטיסי המסך היא שכל מחבר כזה וכל כבל שמתחבר אליו כולל גידים בעובי 18AWG. אותו תקן American Wire Gauge פועל לפי קוטר של כל כבל וכך מוגדרת לו היכולת החשמלית. המחסום הגדול ביותר של העברת זרם בלתי מוגבל הוא כמות פליטת החום שאותו כבל מסוגל להתמודד איתו. טכנית, אם העברת זרם בכבל לא הייתה גורמת להתחממות שלו, לא היינו צריכים כל כך הרבה גידים בכל כבל חשמלי.

הכל על דור ה- החדש של NVIDIA:

כל גיד של 18AWG המוקצב למטלת 12V (פלוס) בכרטיס מסך זה מוגדר להתמודד עם 10A של זרם חשמלי, משמע הספק מירבי של 120W. שלושה גידים של 12V פלוס בכל מחבר משמעו תשעה בסך הכל, ויכולת זרם מירבית של של 90A. כמובן שעוד לא נוצר כרטיס המסך שזקוק לזרם כל כך גבוה, אך משמעות הדבר היא שהמערכת תשאר קרירה בכל מצב, ושחלוקת הזרם לא תיפול על מה שקרוי Hotspots, נקודות חמות שנאלצות מטבע הדברים לסחוב זרם גבוה יותר ולהתחמם. יש כאן הגנה משולשת מול מה שלא יקרה, וכן, MSI מחייבת את המשתמש לאכלס את שלושת המחברים הללו, שכן כרטיס המסך לא יאפשר פעולה כלל במידה ומחוברים שניים בלבד. אפשר להגיד שיש כאן זהירות יתר על חשבון אתגר תאימות קל עם ספקי כח. ישנו רכיב שמזהה חיבור תקין ומאפשר הדלקה של שאר הכרטיס. אם תרצו – ביטוח שלמשתמש יש ספק כח בעל הספק גבוה באמת.

כאשר הזרם נכנס דרך המחבר הראשי במתח של 12V מספק הכח, הוא עובר בעזרת בקר מתח אל שלבי יצוב והספקה לרכיבים השונים. בקר המתח הוא רכיב שמפצל תדר ראשי של זרם אל כמות מסויימת של תדרי זרם משניים, ובאמצעות חיווי לוגי מעניק לכל תדר מפוצל ערוץ משלו:

הקבל הראשי בכל שלב מתמלא תוך כדי המשך הספקת הזרם הלאה וביצוע של סינון ראשי מרעשים וקיבול חשמלי, כאן המתח עדיין הינו 12V.

מייצב המתח (הנקרא גם Voltage Regulator Module) מכיל רכיבים לצורך הפחתת המתח מהכניסה אל היציאה ממנו. המתח הנקבע הוא זה אשר קובע הצרכן, במקרה הזה הליבה הגרפית עצמה או זיכרון ה-GDDR6X. לרכיב זה היכולת בזמן אמת להנמיך מתח נכנס אל מתח יוצא בטווח מסויים משני הצדדים. את המתח היוצא מושך הרכיב לפי צורך בזמן אמת. פעולה זאת מפיקה חום בכמות משמעותית מרכיב מייצב המתח בהתאם לכמות הזרם העוברת בו. הבדל בין מייצב מתח איכותי ויקר לכזה זול מגיע בדמות התמודדות עם כמות זרם גבוהה יותר תוך הפקת כמות חום נמוכה יותר, ושלל אפשרויות ניטור ובטחון כמו כיבוי בעת עודף זרם או טמפרטורה גבוהה. המתח שיוצא מהמייצב למעשה נע בתדר ספציפי כאשר הממוצע יעמוד על המתח הרצוי.

סליל השראה יצוק (צ'וק) – משם מקבל את הזרם היוצא בהגדרתו החדשה ובתדר הספציפי מהמייצב, ומטרתו לדאוג לשיפור יציבות הזרם והפיכת המתח הממוצע לשטוח יחסית במקום גלי בין המינימום למקסימום. סליל פנימי קיים בתוך רכיב זה, ומוגן באמצעות חומר מבודד לטובת מניעה של רעשים סטטיים ושיפור יכולת ההשראה (אותה פעולה מתוארת). מתח שטוח וזרם יציב כמה שיותר הם כלי מפתח ליציבות של רכיב חשמלי דוגמת הליבה הגרפית.

קבל הספקה אחרון עומד בקו יצור הזרם הזה והוא למעשה התחנה החשמלית האחרונה של הזרם לפני שמגיע לצרכן. כאן מתבצע סינון רעשים אחרון במטרה לספק זרם נקי ככל הניתן. ישנם מקרים בהם יצרן יחליט למקום יותר מקבל אחד בשלב זה, דבר שאנחנו רואים בהרבה לוחות אם וכרטיסי מסך מתקדמים.

מערכת זאת היא סטנדרטית למדי בכרטיסי מסך מזה שנים רבות, וכמות הערוצים כמו גם איכות הרכיבים משתנה בהתאם לצריכת החשמל של הרכיבים כשבראש ובראשנה הליבה הגרפית עצמה. היא הרי צרכן הזרם הגדול ביותר בכל כרטיס מסך.

הכרנו בחלק הקודם קבלים חשמליים סטנדרטיים, אשר שתי הרגליים שלהם עוברים דרך לוח המעגל המודפס (Through Hole), אך ישנם קבלים חשמליים גם מסוג אחר, ובכרטיס מסך זה הם נמצאים בצד השני של הליבה הגרפית והזיכרון. הקבלים שבמרכז התמונה הם קבלים מסוג SMD (ר"ת Surface-Mount Diode), והם מעט יקרים יותר פר רכיב, אך איכותם גבוהה יותר. בשל שטח מגע גבוה משמעותית ותכונות פיזיקליות אחרות, ניתן לכסות טווח תדרים גדול ושונה מזה של קבלי Through Hole מסורתיים. מצד שני, שימוש בקבלים אלו מעט מגביל את אורך החיווי ואיכות האות (מה שנקרא Signal Integrity). בגלל שאנחנו צמודים לליבה הגרפית ורכיבי הזיכרון, שימוש ברכיבי SMD בצד של של הלוח המודפס אפשרי, בשונה מהצד השני שרחוק משמעותית. כמו גם, ניתן למקום מספק יחסית גדול של קבלי SMD בשטח קטן כפי שאתם רואים בתמונה.

המערכת שמשמאל לליבה הגרפית היא למעשה שכפול של רוב המערכת שראיתם בהסברים למעלה. כאן נעשה שימוש בקבלי SMD גם בקיבול ראשי, וגם בקיבול אחרון לפני ליבה גרפית וזיכרון GDDR6X.

חלקו האחורי של לוח המעגל המודפס גם הוא מכיל קבלים חשמליים מסוגים שונים, בעיקר לצורך ניקוי ושיפור הזרם אליה. אנחנו יודעים שכל יצרן בוחר להטמיע רכיבים באיזור זה בדרך שונה, וספציפית ב-RTX 3080 אנחנו יודעים שמדובר בנושא לוהט למדי לאחרונה.

הליבה הגרפית במרכז כל הסיפור הזה, והמנוע שעומד מאחורי חישובי התלת-מימד הכבדים היא ה-GA102 של NVIDIA. כפי שתארנו בביקורת כרטיס המסך כאן, ליבה גרפית זאת ממשיכה לשבור שיאי יכולת יצור כאשר על שטח של 628 מילימטר רבוע בלבד מודפסים 28.3 מיליארד טרנזיסטורים. זאת, עושה NVIDIA במפעל של סמסונג בתהליך 8 ננומטרים. לליבה גרפית זאת כפי שהוטמעה ב-RTX 3080 ישנם 10 מיקרו בקרים קטנים לזיכרון הגרפי, בקר לכל שבב. אותם מיקרו בקרים שולחים ומקבלים מידע משבבי GDDR6X שמוטמעים בכרטיס המסך. סוג המידע שעובר לזיכרון גרפי הינו טקסטורות, פוליגונים ושלל מידע ויזואלי המוצג למשתמש. לרוב, מידע זה נטען מראש בטעינת המשחק על מנת לאגור כמה שיותר מידע בזיכרון המהיר והנגיש ביותר שיש במערכת לצורך חוויה חלקה ומהירה.

זיכרון GDDR6X הוא הזיכרון הכי לא קונבנציונאלי שראינו עד כה במשפחת GDDR לכרטיסי מסך וליבות גרפיות בכל הנוגע לאופן הטמעתו בלוח המעגל המודפס. הסיבה לכך היא דרישותיו החשמליות הן אדוקות באופן משמעותי מהדורות שבאו לפניו. שימו לב כמה צמודים הזיכרונות הגרפיים הללו לליבה הגרפית. הצורך הזה בא מדרישת GDDR6X לשמור על איכות אות מירבית ולא מתפשרת, שכן מיקום של השבבים רחוק יותר מהליבה עלול לגרום לכשל באות והאטת נתונים משמעותית או קילקולם באופן מלא. זיכרון GDDR6X הוא הסיבה שלוחות מודפסים של RTX 3080 יכולים להיות קטנים משמעותית ממה שיצרניות צד שלישי כמו MSI עושות אותם. סיבה להגדלת לוחות מודפסים היא בעיקר שימוש בקירורים מתקדמים, כך נראה. הלוח המודפס של NVIDIA לכרטיס מסך זה נכנס בכף יד אנושית ממוצעת.

זיכרון ה-GDDR6X שכיום נמצא בשימוש בכרטיסי המסך RTX 3080 ו-RTX 3090 הינו תוצאת מיקרון, והוא בעל נפח של 1GB (או 8Gb) לשבב בודד. במהלך שנת 2021 אנחנו צפויים לראות את קיבולת הזיכרון המירבית מכפילה את עצמה לכל שבב. כמו כן, יצרניות זיכרון נוספות צפויות להצטרף למאגר השימוש בכרטיסי המסך המתקדמים, כמו סמסונג, Hynix ואחרות.

לשאלה כיצד מקררים כרטיס מסך שכזה, התשובה לפניכם. הנדסה של מערכת קירור הוא דבר שיצרניות כמו MSI מכירות היטב, אחרי עשרות שנים של נסיון בעולם החומרה. השיטה המוכחת והעובדת לקירור של כרטיס מסך מתקדם היא שימוש בצינורות קירור ומספר לא מבוטל של מניפות אלומיניום שמולבשות על אותם הצינורות. כמו כן, גם חיבור של משטחי אלומיניום באמצעות פדים תרמיים לרכיבי הכרטיס השונים הוא דרך להעביר חום אל אותן מניפות אלומיניום.

העקרון הוא יחסית פשוט – לוקחים מספר של צינורות קירור עשויי נחושת, מאחדים אותם יחדיו, לוחצים חזק, משטחים ומשייפים לכדי קבלת משטח שטוח ככל הניתן בפס יצור. אותו המשטח בא במגע ישיר עם הליבה הגרפית לצורך הולכת חום ישירה כמה שניתן מהליבה אל אותם צינורות הקירור. כמו כן, ישנה פלטה עשויה אלומיניום עם פדים תרמיים כפי שרואים בתמונה, שמסייעת להעביר חום גם משבבי ה-GDDR6X שצמודים לליבה הגרפית.

ישנו פס יצור שונה המוקדש לצינורות קירור לפני שהם מובאים להרכבת גוף קירור שכזה. צינורות קירור מיוצרים בקטרים שונים ולרוב כרטיסי מסך ניתן למצוא אותם בקוטר של 6 מילימטר לקטנים ו-8 מילימטר לגדולים. כל צינור שכזה מכיל גז או נוזל המתפשט במהירות עם התחממותו, וכך מסיע בהולכת החום לאורך כל הצינור. צינורות אלו ממולאים תחילה באותו חומר, ונסגרים בהלחמה. ספציפית, בצינורות קירור אלו אנחנו מקבלים גם ציפוי ניקל, לפחות על החלק שלא בא במגע ישיר עם הליבה הגרפית. מניפות האלומיניום מולבשות באמצעות מכונה על אותם צינורות הקירור ותפקידם לפזר את החום על פני שטח פנים גדול משמעותית.

ציפוי ניקל על גבי צינורות הקירור מונע התחמצנות של הנחושת במגע עם האוויר. ניתן להגיד שזאת הסיבה העיקרית שצינורות קירור שכאלה מקבלים את הציפוי המבוקש, שכן אינו מסיע בהולכת חום, שכן הולכת החום של ניקל נמוכה מזאת של נחושת בסדר גודל של כחצי.

הגענו אל הרכיב בעל התנועה שבכל מערכת קירור מתקדמת שכזאת, המאוורר. תפקידו של רכיב זה הוא להזרים אוויר קר מן הסביבה ישירות על מניפות האלומיניום ולגרום להם להפיק אל אוויר הסביבה את החום שצברו. כאן, יש ליצרניות הרבה חופש להתנסות ולראות כיצד אפשר ליצור דבר אשר ויזואלית נראה טוב אך גם עושה את העבודה.

בכל דור של כרטיסי מסך אנחנו רואים גרסה חדשה של מאווררים והתנסות עם שלל שיטות קירור. ספציפית, כאן הוכח ה-TORX 4.0 של MSI.  מאווררים אלו בעלי קוטר של 90 מילימטרים מכילים כמות מכובדת של כנפיים לצורך הזרמת אוויר יעילה בכמות סיבובים לדקה שתהיה סבירה לאוזן המשתמש. על תורת אירודינמיקה ומה הופך מאוורר לאיכותי עבור קירור לא נדון כאן, אך חשוב לדעת שישנו שיפור הדרגתי לאורך השנים באיכויות המאווררים של כרטיסי מסך מתקדמים. בין אם המנוע עצמו, המיסב או כנפי המאווררים, ניתן להגיד בבטחה שמאווררים שאתם מקבלים היום בכרטיס המסך הממוצע טובים משמעותית ממה שהכרתם לפני כמה שנים.

נסיים במבחן ביצועים קל (כי איך אפשר בלי), וכמה תובנות.

לפני ואחרי פירוק כרטיס המסך, על מנת לבדוק כמה איכותית המשחה התרמית ששמה MSI במפעל, ניתן לבצע מבחן שכולל הרצה של כרטיס המסך בעומס גרפי, תוך קביעה של אחוז מהירות המאווררים. קבענו מהירות של 50% ונתנו לכרטיס המסך כשעתיים להריץ מבחן גרפי כבד. לאחר זמן זה החום מהליבה הגרפית צריך להתפשט אל כל גוף הקירור ואנחנו מגיעים לאקוויליבריום. טמפרטורת הליבה שהתה ב-66 מעלות צלזיוס בעת מבחן זה עם טמפרטורת סביבה של 27 מעלות צלזיוס.

לאחר פירוק כרטיס המסך השתמשנו במשחה תרמית צד שלישי מסוג MX-4 של חברת ARCTIC. משחה תרמית שמלווה את אנשי החומרה מזה שנים רבות. לאחר הרכבת כרטיס המסך מחדש והשמה של אותה משחה תרמית, טמפרטורת הליבה הגרפית מאמץ ירדה ל-65 מעלות צלזיוס בשימוש אותה מהירות מאוורר. דבר זה מעיד כי MSI משתמשת במשחה תרמית מתקדמת למדי במפעל שלה, ועל זה מגיע לה ציון לשבח. רבות אנחנו רואים שכרטיסי מסך בעלי קירורים מתקדמים מקבלים פתרון תרמי בעל תכונות שדומות לחמאת בוטנים, ולאחר השמה של משחה מתקדמת מקבלים שיפור משמעותי ביעילות הקירור, הן בשל הליך ההשמה עצמו במפעל, והן בשל איכות החומר.

הלוחות המודפסים של סדרת NVIDIA החדשה היא בהחלט שינוי של חשיבה עבור מהנדסי החומרה שעובדים על תכנון והכנת אותם לוחות. השימוש בזיכרון GDDR6X וליבה גרפית שצורכת כל כך הרבה חשמל מביא לאתגרים הנדסיים לא פשוטים, ועל זאת מוסיפים את לוחות הזמנים הבלתי אפשריים של NVIDIA מרגע מתן ה-OK ליצרן ועד לרגע ההכרזה והזמינות בחנויות. אנחנו יודעים שליצרניות צד ג' אין הרבה זמן כלל.

אנשים שמכירים את עולם החומרה יודעים שגל נוסף של כרטיסי מסך, כזה שהונדס עם מעט פחות לחצי השקה צפוי להיות מושק בחודשים הקרובים, כמו בכל דור. אולי שם נזכה לראות דגמים מתקדמים יותר של לוחות מודפסים וקירורים דוגמת סדרת Lightning של MSI הידועה כיוצאת דופן. מלבד אותה אנומליה שידועה לנו בדמות קריסות אקראיות לשולחן העובדה, בכנות שהנדסית אין הרבה מה להוסיף על גבי כל מה שכבר נאמר על כרטיסי RTX 3080.

בנוסף, חשוב לנו לציין כי לא חווינו קריסות כלל וכלל בעת שימוש בכרטיס המסך RTX 3080 GAMING X TRIO של MSI, ותופעה זאת בלעדית בשלב זה למצבים בהם בוצעה המהרה לתדרי הליבה.