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R600-近乎完美的供电做工用料
文章前提：在小熊评测室经过漫长的3D性能评测以及R600构架介绍:《GPU革命：R600架构解析及详尽测试》之后，我们似乎也觉得应该对于R600革命性的做工以及用料来一个详细的概括，所以才有了本文。所以本文的目的并非要去研讨R600 G80性能上谁更强悍，或者是架构上谁更先进，或者是市场上谁会受欢迎，而是专心的把目标放在硬件供电做工用料方面，让我们看看R600在这方面的一个奇迹。小熊在线www.beareyes.com.cn
不管R600还是G80，在获得超强性能的同时，都是以庞大规模的晶体管作为代价，G80拥有6.81亿晶体管已经让人惊讶不已，而R600更是集成了空前规模的7.2亿晶体管！再加上HD 2900XT核心频率高达740MHz，并且为512Bit显存通道配备多达16颗显存，可想而知其峰值电流将会达到新的境界。如何设计显卡的PCB及供电模块成为显卡设计师一项非常艰巨的任务！
8800GTX的PCB为何这么长
先来看看三块显卡的PCB对比，从上至下依次为8800gts/hd 2900xt 8800gtx/ultra：很多人都抱怨8800GTX体积太大机箱容纳不下，现在通过对比就可以发现，8800GTX之所以如此长，这其中光是供电模块就占据了整个PCB 1/3以上的表面积。80nm的R600核心工作电压只有1.2V，峰值电流比G80还要大，但其PCB长度却控制的相当好，ATI是如何做到的呢？
从设计思路来看：NVIDIA为了控制PCB制造成本，使用了传统的低频PWM供电设计，需要大量MOS、电感和电解电容等辅助元件，虽然这些普通元件的成本不高但因为集成度低，不可避免的要占据更大的PCB面积，所以显卡体积很难控制。小熊在线www.beareyes.com.cn
而ATI则为了让用户不要更换机箱所以不惜成本，使用了目前最顶级的MULTIPHASE供电方案，一排整齐划一的QFP封装MULTIPHASE芯片\多路并联电感、陶瓷积层电容和整合式MOS，集成度非常高，以高成本换取了较短的PCB以及极高的转换效率。下面就来仔细研究HD 2900XT的供电设计。小熊在线www.beareyes.com.cn
ATI 数字式供电解决方案
从X1000系列开始，ATI就采用了VOLTERRA提供的数字式供电解决方案，随着产品的更新换代，供电设计也不断做出改进，力求为核心提供充足稳定的电流，并为超频玩家预留很大的提升空间。小熊在线www.beareyes.com.cn
到了HD 2900XT这一代，由于核心晶体管膨胀、显存翻倍，简单的供电改进已经无法满足需求。ATI不但采用了史上集成度最高的14层PCB，而且首次采用VOLTERRA新一代顶级供电解决方案：
HD 2900XT的供电部分所占用的PCB面积非常小，而且排列非常整齐。右下角的VT1165MF搭配6颗VT1195SF（此芯片已包含MOS在内）以及两颗并联电感组成6相电源给R600核心供电。而左边的另一颗VT1165MF主控芯片仅控制1颗VT1195SF和电感单独给显存供电。小熊在线www.beareyes.com.cn
最大电流输出、最高转换效率：HD 2900XT上所用VT1195SF芯片单颗就可以提供40A的电流输出，这是目前为止显卡单项电源输出的最高纪录！6颗VT1195SF为R600核心输出高达240A电流（750MHz的R600电流一
般只有大概120A左右，远低于此上限），即便是液氮极限超频，这个电流输出也是非常富裕的。上代X1950XTX用了4颗VT1115SF芯片，给R580核心提供4×30=120A电流。在HD 2900XT上面，核心供电电流正好翻了一倍！
ATI 数字式供电解决方案 续
VT1195SF目前不仅创造了可输出电流值最高的纪录，而且内建了MOS和驱动电路，极大地减少了PCB面积占用。和以前的VT1105系列比较其封装由CSP53封装改变为QFN21封装，不仅保持了其散热和电气性能优良的特性而且极大的降低了检测和维修的难度（CSP封装和BGA一样Pin脚都掩藏在芯片下，不象QFN封装芯片的Pin脚是伸出来的，因此便于焊接和检测）。而传统MOS类元件相比在大电流下容易老化、精度下降甚至不稳定，VT1195SF不存在这个问题。除了超大电流之外，VT1195SF最明显的优势就在于这套芯片的损耗非常小，其开关频率达到了1.5MHz，内部阻抗仅为1mΩ，所以整体转换效率可高达89.3%！这里可以做一个简单对比，传统供电转换效率最高为70%，而且随着电流的增大和温度的升高下降很严重，X1900XTX的VT1105转换效率为80%，
X1950XTX的VT1115转换效率为85%。在此基础上再提升5%谈何容易！R600核心3D模式下的工作电压是1.15V，假如通过电流为240A（实际上这个峰值电流可供2颗R600 CF了），那么实际需要的功率就是276W，90%的转换效率代表需要306W的电源功率，可如果是70%的普通PWM转换效率那么实际功率将攀升至394W，光是供电模块白白浪费的功率就高达90W，可见选择一个转换效率很高的电源模块对显卡的作用有多大。ATI不惜成本采用最先进的供电模块，除了压缩PCB面积之外，另一大目的就是尽可能的降低无谓的功率消耗。小熊在线www.beareyes.com.cn
这是3个（相当于7个）带磁闭的贴片式电杆，左边的单颗能通过40A电流，中间一个为双胞胎、右边是四胞胎，可以看作是2/4颗并联电感，这样封装在一起的好处就是干扰更低，可以杜绝大电流通过时出现高频电流声的情况。除了前面的主供电模块外（核心6+显存1），HD 2900XT还有1相额外的供电，专门给MVDDQ（显存IO）接口供电。目前市面上大部分的显卡为了节省成本都省略了这部分供电，因为它可以共用显存的电源。按理说R600主供电模块的单独一颗VT1195SF的40A电流应付16颗显存供电已绰绰有余，但ATI为了让组成512Bit显存带宽的16颗显存具备更好的稳定性和超频性又额外使用了一颗CSP 75Pin封装的VT233芯片，此芯片将电源和MOSDET都整合进一颗芯片中，可提供的峰值电流为18A，连同前面的那颗VT1195SF我们可以算出R600的供电模块一共可以为显存提供58A的峰值电流，实际上一般每颗GDDR3显存才需要1A的电流合计是16A），配合14层PCB和现代1.0ns的显存颗粒，HD 2900XT可以说是最具超频潜质的显卡！
优秀的多层陶瓷电容（MLCC）
多层陶瓷电容（MLCC），顶级做工与用料通过前面的分析我们知道供电模块的VT1195SF拥有很高的转换效率，这种高效率主要依靠的是高达1.5MHz的开关频率，在如此高的频率下普通的铝电解电容无法满足要求，而更高级的钽电解（包括聚合物）电容，在开关频率高于1MHz的情况下，电气性能会大为下降（普通显卡所使用的PWM开关频率为300KHz左右）。所以在HD 2900XT显卡上使用了一排排昂贵的MLCC（多层陶瓷电容）。小熊在线www.beareyes.com.cn
MLCC被广泛的用在军用雷达、电子干扰发射机等高精密电子设备之上，近年来被高频率的CPU所采用（Intel CPU背面就有很多MLCC），因为MLCC能够在很高的频率下工作，而且拥有极强的抗干扰能力。MLCC的上限工作频率可以高达100GHz以上，而铝/钽电容工作频率还没有高于1MHz的！
Core 2 Duo背面大量的MLCC
MLCC的另一个优势就是ESR值（等效串联电阻）特别小，大家认为极品的SANYO OSCON电容拥有最小的ESR值（一般此时电容值高达1500uF以上） 都在10毫欧姆左右，而MLCC（22UF）很轻易达到1毫欧姆以内，可以说不是一个级别，正是MLCC的这些极品特性奠定了它电容之王的地位！
三洋OSCON |
MLCC |
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ESR值是一个非常重要的电容参数，比如即使1毫欧姆乘以100A的电流=0.1V，而显卡的核心工作电压只有1.15V左右，显存在1.8V左右，细微的电压波动可以直接造成死机或花屏！即使HD 2900XT用了那么高档的MLCC仍然要多颗并联才能让ESR进一步降低。HD 2900XT使用的是村田制作所极品22UF 0805
X7RMLCC电容，成本自然非普通铝/钽固体电容可比辅助供电模块同样豪华无比.在HD 2900XT PCB背面和输出部分，也使用了不少钽电解电容，这些电容与核心、显存两个耗电大户无关，主要给一些小PWM滤波，这些PWM负责风扇和辅助芯片的供电。X800系列和7800/7900的主供电模块依靠钽电容滤波，而2900ＸＴ竟然用钽电容给风扇和小芯片供电，ATI高端显卡奢华的做工和不惜工本的用料可见一斑.很多用户奇怪:供电模块的正反两面，除了核心数字供电之外，还有三颗16V SANYO OSCON SVP聚合物电容，这种在别家高档卡上作为卖点炫耀的家伙在2900XT上仅仅沦落到最低档次的电容给8Pin和6Pin外接电源的的12V电流滤波所用（超大容量的MLCC电压很难做那么高，所以没法在此处使用），这里笔者实在不想再费口舌描述2900XT的用料。小熊在线www.beareyes.com.cn
HD2900XT 一款奢侈得完美的产品
从HD 2900XT显卡身上，我们再一次感受到了ATI追求完美的显卡设计理念：最豪华的14层PCB、最顶级的数字供电、电气性能最好的MLCC陶瓷电容、最大的电流输出和最高的转换效率。无论X1800XT、X1900XTX、X1950XTX还是HD 2900XT，ATI每一代产品都是当时来说登峰造极的显卡！当然为此ATI也付出了很大的代价，单单是一个全铜热管散热器，成本就要高达60美元，14层PCB以及数字供电的成本（每颗ＶＴ１１９５ＳＦ的成本大概６美元，ＶＴ２３３是５．５美元，整个ＰＣＢ含电源模块的成本高达１２０美元以上）远非竞争对手产品可比（8800GTＳ仅为10层，ＰＣＢ含供电模块的成本大概是２９００ＸＴ的１／２）也远非竞争对手的产品可比（8800GTS仅为10层，ＣＢ含供电模块的成本大概是２９００ＸＴ的１／２）。令人难以置信的是，如此成本高昂的顶级显卡上市价格仅为399美元（国内定价3299元，还附送DX10游戏大作），与8800GTS 640MB持平，据了解个别厂商的团购价格甚至仅和8800GTS 320MB相当，而其成本是要高于8800GTX的。小熊在线www.beareyes.com.cn
如此巨大的价格反差让我们看到了ATI的厚道，从做工用料上而言，ATI的确为广大的硬件发烧友/游戏玩家提供了一个真正值得收藏的艺术品。小熊在线www.beareyes.com.cn
本文感谢万大善人提供技术支持。小熊在线www.beareyes.com.cn
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小熊在线——WolStame 北京 2007年05月15日 |
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