Anatomia karty graficznej

O samych układach graficznych, nazywanych też procesorami graficznymi lub określanych skrótem GPU (Graphics Processing Unit), i tym, w jaki sposób renderują one scenę 3D, na łamach PC Formatu pisaliśmy już wielokrotnie – również przy okazji premiery najnowszych procesorów Nvidia GeForce RTX. Teraz zajmiemy się wyłącznie budową karty graficznej i jej komponentami.

Elementem konstrukcyjnym każdej karty rozszerzeń, w tym karty graficznej, który ma zapewnić nie tylko połączenia elektryczne pomiędzy wszystkimi podzespołami elektronicznymi, ale także zagwarantować stabilność konstrukcji i jej wytrzymałość mechaniczną, jest płytka drukowana – PCB (Printed Circuit Board). W cięższych modelach stosuje się metalową, tylna płytę mocującą, o czym za chwilę. Płytka drukowana kart rozszerzeń zaopatrzona jest w tzw. złącze krawędziowe, a więc zestaw styków znajdujący się na wydzielonym obszarze jednej z krawędzi, który umożliwia osadzenie akceleratora w złączu płyty głównej – np. w PCI Express x16. Dzięki temu możliwa jest komunikacja pomiędzy płytą główną a kartą graficzną, a dodatkowo tą drogą doprowadzone jest zasilanie. Karty graficzne niemające dużego zapotrzebowania na moc (do 75 watów dla standardu PCI Express) zasilane są wyłącznie za pośrednictwem złącza krawędziowego. Te o wyższym poborze mocy oprócz tego mają zazwyczaj dodatkowe dwa gniazda dla wtyczek 8- i 6-pinowej lub dwóch 8-pinowych, które doprowadzają energię elektryczną bezpośrednio z zasilacza komputera.

Obecnie większość firm produkujących karty graficzne samodzielnie projektuje płytki drukowane. Niekiedy wykorzystywane są również konstrukcje referencyjne opracowane przez producentów układów graficznych. Dobrym przykładem mogą tu być serie kart bazujących na układach Nvidii oznaczonych jako Founders Edition. W modelach tych, oprócz płytki drukowanej i co za tym idzie, zalecanych komponentów elektronicznych, producenci akceleratorów wykorzystują również w całości opracowany przez producenta procesora graficznego zalecany system chłodzenia.

Aby połączyć ze sobą wszystkie komponenty elektroniczne na płytce drukowanej, nie wystarczy jedna warstwa ścieżek przewodzących, które można tu potraktować w uproszczeniu jako „druciki” łączące ze sobą wszystkie nóżki układów scalonych czy kontakty rezystorów i kondensatorów. Dlatego od wielu już lat stosuje się wielowarstwowe płytki drukowane – w przypadku kart graficznych obecnie standardem są 6- lub 8-warstwowe, ale najnowsze modele kart graficznych z serii Nvidia GeForce RTX 2080 wymagają już 12-warstwowych. Ciekawym rozwiązaniem, stosowanym przez niektórych producentów w najwydajniejszych wersjach akceleratorów, jest umieszczenie w płytce drukowanej dodatkowej warstwy metalu, najczęściej miedzi, poprawiającej odprowadzanie ciepła bezpośrednio z płytki PCB.

W wypadku wydajnych kart graficznych stosowane są duże i ciężkie systemy chłodzenia. Wówczas niezbędnym elementem wzmacniającym mechaniczną konstrukcję urządzenia tak, aby nie ulegała ona wygięciom i nie deformowała się pod własnym ciężarem, jest metalowy stelaż lub tylna płyta mocująca. Ten ostatni element konstrukcyjny karty osłania w całości tył płytki drukowanej i połączony jest mechanicznie z czołem karty i z wyjściami wideo, usztywniając przy tym całość.

Drugą równie ważną funkcją tylnej płyty mocującej jest pomoc w odprowadzaniu ciepła z nagrzewającej się spodniej strony płytki drukowanej (coraz częściej można się spotkać z aktywnie chodzoną konstrukcją). W celu zwiększenia szybkości odprowadzania ciepła z tylnej części płytki drukowanej ciepłowody systemu chłodzenia łączy się z tylną płytą mocującą w taki sposób, aby obejmowały powierzchnię płytki, na której znajdują się najgorętsze układy karty – procesor graficzny i tranzystory mocy.

Tylna płyta mocująca odgrywa też rolę elementu dekoracyjnego, na którym producenci bardzo chętnie umieszczają swoje logo lub grawerowane motywy ozdobne, zwłaszcza w limitowanych, luksusowych edycjach swoich wyrobów.

Prawidłowe chłodzenie karty graficznej jest elementem zapewniającym nie tylko niezawodną i stabilną pracę, ale również założoną wydajność. Źle chłodzony procesor graficzny przegrzewa się, co nie tylko spowalnia jego pracę, ale może prowadzić do jego uszkodzenia. Jeśli problem ten dotyczy podzespołów mocy, to nie są one w stanie dostarczyć stabilnego napięcia i karta podczas pracy może się zawieszać lub dławić. Dobry system chłodzenia niezbędny jest podczas overclockingu, czyli celowego zwiększania szybkości pracy podzespołów w celu uzyskania wydajności wyższej od nominalnej.

W droższych kartach dwoma elementami systemu chłodzenia, które przylegają bezpośrednio do chłodzonych elementów karty graficznej, są ramka systemu chłodzenia oraz lita płyta bazowa. Ramka to płaski, metalowy kształtownik, zapobiegający z jednej strony wyginaniu się płytki drukowanej, a z drugiej przylegający do układów pamięci i tranzystorów mocy i odprowadzający bezpośrednio z nich ciepło wprost do radiatora.

Ramka systemu chłodzenia to też element konstrukcyjny, do którego przymocowywany jest radiator. Aby zapewnić niższe temperatury pracy tranzystorów mocy i modułu PWM (Pulse-Width Modulation), w miejscach styku ramki z tymi podzespołami karty często wykonuje się tak zwane mikroużebrowanie, ułatwiające rozpraszanie ciepła, zwłaszcza jeśli dany obszar ramki nie styka się z radiatorem systemu chłodzenia. W tym miejscu warto wyjaśnić, że regulator PWM to moduł odpowiedzialny za sterowanie pracą poszczególnych faz zasilacza impulsowego, który dostarcza napięcie do procesora graficznego. Regulatory PWM używane są również na karcie graficznej do regulacji prędkości obrotowej wentylatorów, ale akurat te moduły nie wymagają dodatkowego chłodzenia.

Aby w znaczący sposób przyspieszyć odprowadzanie i rozpraszanie ogromnych ilości ciepła, które oddawane jest przez procesor graficzny, w najwydajniejszych kartach stosuje się metalowy (najczęściej wykonany z niklowanej miedzi) element – płytę bazową. Jej zadaniem jest odbieranie ciepła z powierzchni układu graficznego, skąd następnie przenoszone jest ono do przymocowanych lub wbudowanych w płytę bazową ciepłowodów.

Zarówno w wypadku płyty bazowej, jak i ramki systemu chłodzenia w miejscu ich kontaktu z układami i podzespołami karty dociska się element chłodzący i nanosi cienką warstwę pasty termoprzewodzącej lub przykleja taśmę termoprzewodzącą. Ich zadaniem jest zapewnienie jak najlepszej styczności pomiędzy powierzchnią płyty lub ramki a obudową układu scalonego. W ten sposób znacząco poprawia się współczynnik przewodzenia ciepła i tym samym zwiększa szybkość jego odprowadzania z podzespołów karty do systemu chłodzenia.

Ciepłowody (ang. heat pipes) to metalowe, najczęściej miedziane rurki wypełnione cieczą (amoniak, aceton, eter lub freony), służącą do szybkiego i wydajnego transportu ciepła. Ciepłowody umożliwiają przekazywanie znacznych jego ilości przy niewielkiej różnicy temperatur z gorących elementów karty (np. układu graficznego) wprost do radiatora.

Podgrzanie jednego końca ciepłowodu sprawia, że znajdująca się w nim ciecz szybko odparowuje, odbierając przy okazji podgrzewające ją ciepło. Następnie opary te wędrują do zimniejszej części rurki, gdzie skraplają się na chłodniejszych ściankach. Skroplona ciecz spływa po ściankach do cieplejszej części ciepłowodu, gdzie ponownie odparowuje i cykl się powtarza. Co ważne, efektywność przenoszenia ciepła przez związek chemiczny w rurce jest znacznie wyższa niż w przypadku przenoszenia ciepła bezpośrednio przez ciała stałe, stąd tak duża popularność tego rodzaju chłodzenia w kartach graficznych.

W kartach graficznych stosuje się zwykle ciepłowody o średnicy od 8 do 12–15 mm. Coraz częściej styk rury cieplnej z płytką bazową jest spłaszczony, aby zmaksymalizować efektywność odbioru ciepła z układu graficznego. Producenci stosują też metodę polegającą na upakowaniu i ściśnięciu w miejscu kontaktu z płytką bazową końcówek kilku ciepłowodów.

Radiator jest metalowym (najczęściej miedzianym lub aluminiowym) elementem systemu chłodzenia, który odprowadza ciepło z karty graficznej lub innego urządzenia wprost do otoczenia. Cechą charakterystyczną każdego radiatora jest duża powierzchnia zewnętrzna, mająca zazwyczaj kształt żeberek. Dzięki temu maksymalizuje się powierzchnię zdolną do odprowadzania ciepła.

Nowoczesne radiatory cechują się dużą liczbą (ponad 100) cienkich (0,1 mm grubości) i mocno pofalowanych żeberek. W ten sposób uzyskuje się ogromną powierzchnię rozpraszającą ciepło dochodzącą do – a nawet przekraczającą – 1 m2.

Dodatkowo radiatory stosowane w najbardziej zaawansowanych kartach graficznych zaprojektowane są zgodnie z zasadami aerodynamiki tak, aby wydajniej rozpraszać ciepło. Do konstrukcji radiatora często dodaje się specjalne deflektory równomiernie rozprowadzające strumień powierza z wentylatora na powierzchni radiatora, a same żeberka tworzą minitunele aerodynamiczne, które mają na celu doprowadzić więcej chłodnego powietrza w pobliże ciepłowodów i tym samym zwiększyć ich sprawność. Jednocześnie uzyskuje się większą powierzchnię kontaktu tłoczonego powietrza z żeberkami, aby odbierało ono znacznie więcej ciepła przed wydostaniem się z radiatora.

Skuteczność działania radiatora zależy przede wszystkim od możliwości szybkiego odprowadzenia gorącego powietrza i zastąpienia go zimnym. W konstrukcjach pasywnych, pozbawionych wentylatorów, wymiana gorącego powietrza odbywa się wyłącznie na zasadzie konwekcji. W większości wypadków wymiana konwekcyjna jest jednak niewystarczająca do tego, aby odpowiednio schłodzić kartę graficzną. Dlatego wymusza się obieg powietrza za pomocą wentylatorów.

Obecnie w kartach graficznych stosuje się dwa, trzy wentylatory o dużej, 90- lub 120-milimetrowej średnicy. Zapewniają one stały przepływ powietrza do umieszczonego tuż pod nimi masywnego radiatora, a jednocześnie, co istotne dla użytkownika, zbytnio nie hałasują. Aby zwiększyć strumień doprowadzanego do radiatora karty powietrza, a jednocześnie nie zwiększać prędkości obrotowej wentylatora, która generowałaby większy szum, producenci stosują wentylatory ze zmodyfikowanym kształtem łopatek. Modyfikacja może dotyczyć całej powierzchni łopatki lub tylko jej części. Odpowiednio zakrzywiona, zmodyfikowana powierzchnia łopatek przyspiesza przepływ tłoczonego powietrza, a tym samym zwiększa wydajność chłodzenia.

Oddzielną kwestią jest hałas. Nowoczesne karty wyposażone są, co oczywiste, w moduł regulacji obrotów, dopasowujący szybkość pracy wentylatora do temperatury karty. Kiedy karta nie wykonuje skomplikowanych obliczeń graficznych układ kontrolera może zatrzymać wentylatory, zmniejszając hałas do zera.

Warto też wspomnieć o wentylatorach promieniowych, potocznie zwanych turbinami, które są stosowane w referencyjnych konstrukcjach kart graficznych Nvidii. Wentylator promieniowy ma łopatki na obwodzie przypominające młyńskie koło. Tego typu konstrukcje są bardzo wydajne i lepiej „wyrzucają” ciepło na zewnątrz obudowy i stosuje się je m.in. w systemach klimatyzacji czy przemysłowych nawiewach, ale są przy tym nieco głośniejsze niż wersje tradycyjne, stosowane w kartach graficznych.

W najwydajniejszych kartach graficznych i tam, gdzie jest ważna cisza, stosuje się czasami systemy chłodzenia cieczą, które znacznie lepiej odprowadza ciepło niż powietrze, dzięki czemu karta może pracować wydajniej. Co więcej, droga przepływu chłodziwa może obejmować wszystkie podzespoły, takie jak procesor graficzny, układy pamięci oraz regulator mocy PWM, a również inne komponenty. W ten sposób uzyskuje się wyższą sprawność cieplną urządzenia. Istotne jest też to, że pompa wodna, wymuszająca obieg cieczy w systemie chłodzenia, jest, przy pełnym obciążeniu procesora obliczeniami graficznymi, cichsza niż wentylatory.

Niestety systemy chłodzenia cieczą są bardziej skomplikowane, przez co też droższe. Wymagają również odpowiedniej obsługi, a także większej dbałości ze strony użytkownika. Dlatego są rzadko stosowane.

Aby układ graficzny pracował stabilnie, niezbędne jest wysokiej jakości zasilanie. Moduł dostarczający do karty graficznej prąd tworzą tranzystory polowe MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), które umieszcza się, ze względu na odprowadzanie ciepła, na całej powierzchni płytki drukowanej. Ich liczba na karcie zależy od liczby faz zasilania. Obecnie stosuje się najczęściej 12-, 14- lub 16-fazowe układy zasilania. Nowoczesne tranzystory mocy charakteryzują się wyjątkowo dużą sprawnością i stabilnością pracy, co pozwala na wydajne fabryczne przetaktowanie karty graficznej. Co istotne, tranzystorami MOSFET można sterować cyfrowo, co jeszcze do niedawna nie było możliwe.

Kolejnym istotnym elementem zasilania karty jest układ cyfrowej kontroli zasilaczy PWM (Pulse Width Modulation), który pozwala na precyzyjne sterowanie i monitorowanie dostarczania zasilania do określonych podzespołów karty, w tym do procesora graficznego.

Żadna dobra karta graficzna nie obędzie się bez wysokiej jakości podzespołów elektronicznych. Wiele komponentów używanych do produkcji kart przechodzi rygorystyczne testy jakości zgodne z amerykańską norma wojskową MIL-STD-810G, dzięki czemu kupujący ma pewność, że jego wyrób będzie pracował przez lata.

Niezależnie od testów w nowoczesnych kartach stosuje się również wysokiej jakości komponenty elektroniczne wpływające w istotny sposób na pracę urządzenia. Są to kondensatory polimerowe, kondensatory Hi-c oraz dławiki superferrytowe. Wszystkie te elementy poprawiają jakość napięcia podawanego do procesora graficznego i modułów pamięci. Charakteryzują się też bardzo długim czasem życia, dzięki czemu kartą graficzną będzie można cieszyć się przez wiele lat.

Pamięć VRAM, czyli Video RAM, to miejsce, w którym umieszczane są dane potrzebne do obliczeń graficznych oraz gotowe obrazy oczekujące na wyświetlenie. Obecnie pamięć wideo służy przede wszystkim do przechowywania tekstur wysokiej rozdzielczości, które nakładane są na wygenerowane na scenie 3D obiekty.

Za niezbędne minimum do gier w rozdzielczości Full HD uznaje się obecnie 4 GB. Rozdzielczość WQHD wymaga minimum 6 GB, a 4K 8 GB pamięci VRAM. Najlepiej jednak jest, jeśli karta ma przynajmniej 11 GB pamięci wideo.

W wypadku gamingowych kart graficznych istotny jest także rodzaj pamięci wideo. W kartach z rodziny GeForce GTX z serii 10 najpopularniejsze są moduły GDDR5 oraz GDDR5X. Te drugie mają dwa razy większą przepustowość przy tym samym taktowaniu magistrali pamięci. Obecna generacja kart graficznych GeForce RTX z serii 20 korzysta z jeszcze wydajniejszych modułów GDDR6.

Warto też wspomnieć o pamięciach VRAM HBM2 (High Bandwidth Memory), które stosowane są w kartach graficznych Radeon RX i w profesjonalnych kartach Nvidii. Pracują one co prawda z niższym taktowaniem zegara, lecz dzięki znacznie szerszej magistrali mają większą niż w wypadku pamięci GDDR5 przepustowość systemu pamięci. Są jednak droższe i trudniejsze do implementacji na karcie graficznej.

Procesor graficzny to układ odpowiadający za generowanie grafiki. Jest on odpowiednikiem procesora w komputerze. To od jego wydajności zależą w głównej mierze możliwości i osiągi danej karty graficznej. Obecnie na rynku występują specjalne procesory graficzne firm Nvidia i AMD, w tym najnowszej generacji układy GeForce RTX z serii 20xx.

Kolejnym elementem karty graficznej są złącza wideo, które umieszczone są na czołowej powierzchni karty zwanej też „śledziem”. Dzięki nim możemy połączyć komputer z monitorem lub projektorem. W zależności od modelu karty graficznej, nawet bazującej na tym samym układzie, liczba i rodzaj złączy wideo może być różna.

Podstawowymi złączami, w które wyposażone są praktycznie wszystkie współczesne karty, są DisplayPort i HDMI. Zazwyczaj można spotkać się z łącznie czterema złączami DisplayPort i HDMI, ale w różnej konfiguracji, co umożliwia pracę nawet na czterech ekranach jednocześnie. Część kart graficznych wyposażonych jest również w starsze złącze DVI (spotyka się je coraz rzadziej) oraz nowsze – USB-C, służace do podłączenia zestawu VR (wirtualnej rzeczywistości).

Z myślą o najbardziej wymagających użytkownikach producenci procesorów graficznych opracowali metodę pozwalającą połączyć kilka kart w komputerze w jeden superukład graficzny, czyli tryb pracy multi-GPU. Technologia firmy Nvidia określana jest mianem SLI, a ta od AMD nosi nazwę CrossFire. W przypadku kart z układami Nvidii do poprawnej pracy w takim trybie wymagany jest specjalny mostek SLI, za pomocą którego łączy się ze sobą karty, korzystając ze specjalnego złącza krawędziowego znajdującego się na górnej części płytki drukowanej. W wypadku zaawansowanych gier komunikacja pomiędzy kartami może jednak wprowadzać mikroprzycięcia obrazu. Tryb multi-GPU nie wpływa również na zmniejszenie występujących opóźnień.

Ostatnim elementem karty graficznej jest system podświetlenia diodami LED. Producenci umieszczają w różnych częściach karty, np. na wentylatorze, pod radiatorem, na górnej krawędzi itp. diody LED RGB, którymi da się sterować z poziomu dołączonego oprogramowania. W ten sposób można spersonalizować wygląd karty, dobierając kolory i schematy podświetlenia. Ma to szczególne znaczenie, gdy obudowa wyposażona jest w przeszklony panel boczny. W ten sposób użytkownik może pochwalić się niebanalnym wyglądem wnętrza swojego komputera.