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1. Conoscenze di base di GPU e Graphics Card
GPU è l'acronimo inglese per Graphics Processing Unit tradotto è Unità di Elaborazione Grafica.
La GPU è quindi il nucleo delle schede video (sebbene spesso si usi il termine GPU come Sineddoche - figura retorica nel nominare una parte per il tutto - per l'intera Scheda Video), definito anche come processore grafico o coprocessore, la cui funzione è il rendering (dall'inglese interpretazione/traduzione/esecuzione) delle immagini grafiche che noi rivediamo sullo schermo.
↑ Qui una scheda video NVIDIA GTX 1080Ti denudata (naked) di Heatsink e Ventole, al centro possiamo vedere la GPU
La Graphics Card o Video Card (dall'inglese Scheda Grafica, Scheda Video) contiene quasi un altro PC al suo interno quindi la GPU, la memoria, e tanto altro utile ai fini dell'elaborazione, dell'alimentazione della stessa e al suo raffreddamento.
Il programma più adatto per guardare tutte le specifiche della nostra scheda video è GPU-Z. È un Must Have tra i propri programmi come per CPU-Z. Durante le varie spiegazioni vedremo sempre i vari riferimenti al programma in modo tale da riuscire a capire a cosa serve ogni valore.
1.1 Schede Video Dedicate ed Integrate
Sappiamo che esistono schede video dedicate ovvero una scheda fisica che va aggiunta al PC in collegamento tramite gli slot PCIe (quegli slot posti sulla scheda madre dove solitamente alloggiano le schede video o le altre periferiche connesse tramite PCIe), ed una scheda video integrata che è invece integrata nel package (tradotto in confezione/pacco sarebbe l'intero involucro esterno che racchiude il tutto) del processore. Quest'ultime sono famose come iGPU (acronimo di integrated GPU con il quale si identificano le GPU integrate) vanno menzionate soprattutto le Intel Graphics e le APU (acronimo per Accelerated Processing Unit) di AMD.
Non molti lo sanno ma due delle più potenti APU sono utilizzate sulle console come ad esempio la PS4 Pro (APU Jaguar Neo) e Xbox One X (APU Jaguar Scorpio).
Infine abbiamo anche delle soluzioni doppie con un rapido switch automatico da una soluzione ad un altra come nel caso dei notebook, opzione che può essere resa manuale tramite il BIOS (passando quindi da un opzione dinamica ad una fissa); in questo caso si passa dall'utilizzo della iGPU per applicativi leggeri, all'utilizzo della scheda video dedicata e saldata alla piastra madre per applicativi più pesanti come rendering, gaming etc.
1.2 Competitor, Scopi delle GPU e Famiglie
Attualmente i maggiori competitor in GPU sono: NVIDIA Corporation, AMD (Advanced Micro Devices) ed Intel.
Prima ne esistevano molti di più, ma sono stati schiacciati dalla concorrenza non riuscendo a tenere il passo. Alcune sono fallite, altre hanno semplicemente abbandonato questa lotta pur rimanendo nello stesso campo. Ricordiamo tra queste: ATI (acquisita da AMD nel 2006 e rimasta con questo nome fino al 2010), Matrox (Ancora oggi, sviluppa schede video professionali e non più da gaming), 3dfx (famose sono le Voodoo le prime GPU accelerate 3D e inventori del primo SLI, che fu assorbita da NVIDIA nel 2001), SIS, VIA, etc.
Le GPU hanno principalmente 3 scopi oltre quello base di mandare a video le informazioni della CPU: Gaming, Editing e General-Purpose (GP-GPU).
Sebbene i primi due siano facilmente immaginabili, il terzo è un genere differente di scopo infatti le GPGPU non hanno uscite video come le restanti poiché si prestano ad altri scopi, vengono utilizzate per l'esecuzione di calcoli paralleli particolarmente complessi come: criptovalute (mining), matematica e sicurezza (crittografia), fisica (meccanica quantistica), chimica e biologia (modellazione proteica), astronomia e astrofisica (decodifica segnali spaziali), calcolo distribuito (BIONIC) etc.
Distinguiamo le famiglie di NVIDIA in: GeForce per Gaming, Quadro per Editing e Tesla per General Purpose.
Distinguiamo le famiglie di AMD in: RX Vega per uso base integrate nelle APU, Radeon per Gaming e Radeon Pro (probabilmente prima più famose come FirePro) per Editing e FireStream per General Purpose.
Distinguiamo le famiglie di Intel in: Intel Graphics per uso base integrate nei processori Intel e Xeon Phi per General Purpose.
Qui direi di accennare ad una curiosità: le Adreno (GPU degli smartphone con SoC Qualcomm) furono inizialmente sviluppate da ATI con il nome Imageon, questo prima del 2006 con l'acquisizione da parte di AMD. Nel 2009 dopo che AMD vendette la divisione, Qualcomm decise di rinominare queste GPU con l'anagramma della parola Radeon, ovvero Adreno.
1.3 Schede Video Reference e Schede Video Custom sviluppate dai Partner
Bene queste aziende di schede video dedicate (AMD e NVIDIA), sono gli ideatori delle GPU, si fanno produrre i chip da aziende esterne (Vedi capitolo: Produzione Wafer, Binning e Rebrand) e poi le mettono nelle loro schede video definite come Schede Video Reference (dall'inglese riferimento) questo significa che sono il punto di riferimento per ogni altra scheda con la stessa GPU sviluppata dalle aziende.
In genere i prodotti reference non sono la prima scelta dei consumatori, in quanto, sebbene siano potenzialmente allo stesso livello di tutti le altre GPU, possiedono molte possibilità di miglioramento in determinati ambiti della scheda video.
Da qui sono nati dei partner che vendono solo schede video (acquistando le GPU da NVIDIA e AMD) e che apportano modifiche all'intera scheda video definita quindi Custom. Queste modifiche possono essere al sistema di dissipazione (heatsink, ventole, etc.), al PCB (acronimo per Printed Circuit Board, tradotto in circuito stampato) questo implica dimensioni ITX o dimensioni schede video più lunghe per adattarci sopra magari un dissipatore con 3 ventole invece che con 2.
Ancora possono modificare la parte dei VRM (ora ci arriviamo) aumentandoli; possono modificare il BIOS o apportare revisioni, e inoltre possono acquistare chip binned (Vedi capitolo: Produzione Wafer, Binning e Rebrand) per modificare al massimo la frequenza della GPU e rivenderle come versioni maggiormente overclockate rispetto ad altri chip con frequenze più basse.
Spesso la maggior differenza è quella estetica, anche perchè il chip della GPU è sempre lo stesso, questo si traduce in genere in performance simili sotto il profilo della resa in fps con una differenza tra quelle overclockate di fabbrica nell'ordine di 2-3 fps al massimo in base al titolo ma spesso con un esborso che non vale la differenza di prezzo.
Spesso la differenza di binning, di raffreddamento, di VRM e PCB non giustifica quella differenza di prezzo; figurarsi gli RGB.
Questo non è sempre vero e non è sempre falso, ogni custom va comunque valutata da un recensore esperto che abbia a sua disposizione il materiale per poterla recensire.
Aneddoto realmente successo: "Alcune schede video della molto famosa e blasonata marca X, spesso nominate per l'ottimo sistema di raffreddamento, avevano una così pessima dissipazione dei VRM in queste schede tale da causare il thermal throttling (è il sistema di protezione della scheda quando supera la temperatura critica, la scheda si spegna e le frequenze si arrestano per evitare danni al chip. Vedi capitolo 2.5) della scheda nei momenti di maggior picco. Situazione che si ripeteva puntualmente con la medesima custom a tantissimi utenti che l'hanno acquistata. " Questo ci fa capire quanto sia importante prima di valutare una qualsiasi custom di qualsiasi marca (a prescindere se sia meno conosciuta o più conosciuta) è essenziale leggere le review fatte dalle maggiori redazioni (e non vorrei sottolinearlo in modo così ovvio, ma le maggiori redazioni sono americane, russe e tedesche... Non di certo video su Youtube, se non delle suddette redazioni, e non di certo da italiani o da redazioni italiane che nella maggior parte dei casi tradurranno articoli esteri solo come editori ma per nulla esperti del settore).
Passiamo ora a tutti i partner conosciuti che ancora collaborano (molti sono partner minori che producono solo occasionalmente):
NVIDIA ha come partner: MSI, ASUS, Gigabyte, GALAX (chiamata KFA2 in Europa e Kurotoshikou nel mercato Asiatico), Palit, Gainward (acquisita da Palit), EVGA, Zotac, Inno3D, PNY, Manli, Yeston, Colorful, Maxsun, Biostar, ed altri come Point of View, ASL, Atum, AXLE, ELSA, EMTEK, Geekstar, Leadtek, SNKTech, Alienware.
AMD ha come partner: MSI, ASUS, Gigabyte, Sapphire, XFX, Powercolor, ASRock, HIS, Yeston, Biostar, Kurotoshikou (ovvero Galax nel mercato asiatico), Maxsun, ed altri come Arez, ColorFire, Dataland, Onda, PCYES, Pradreon, VisionTek.
Raramente qui in Italia, ma soprattutto nei forum esteri o parlando con tecnici di aziende, ci si può riferire a questi partner come AIB suppliers (acronimo di Add in Board tradotto aggiungere alla scheda, suppliers tradotto come fornitore), per essere precisi chiunque aggiunga o faccia modifiche su di un qualsiasi tipo di scheda come ad esempio G.Skill che modifica le memorie vendute da SK Hynix o Samsung (definito come manufacturer o produttore), può essere definito AIB suppliers; la scheda viene invece definita AIB o Custom. Quindi non solo i partner che modificano le schede video, ma qualsiasi partner che modifica qualsiasi scheda può essere correttamente definito AIB suppliers.
2. Componenti di una scheda video
Qui vediamo l'intera scheda video scoperchiata (spesso chiamata barebone) dall'heatsink, dalle ventole e dallo chassis. Possiamo quindi vedere tutti i componenti interni della scheda video saldati al PCB (Circuito Stampato).
2.1 Printed Circuit Board
Il PCB (acronimo di Printed Circuit Board tradotto come circuito stampato) non è altro che l'unione di vari layer (dall'inglese strati, livelli) di materiale posti a più livelli, per questo anche detto Multi-Layer PCB. Non approfondirò oltre, vi dirò solo che c'è quindi un top layer e un bottom layer ovvero uno strato superficiale superiore e uno strato superficiale inferiore, quelli che riusciamo a vedere solitamente; le piste che vedete sulla scheda madre che si diramano all'interno del PCB vengono chiamate PCB Tracks.
La lunghezza fisica della scheda video è decisa dai partner in base alle modifiche scelte per il PCB. Possono crea schede lunghe ben oltre i 300mm o, viceversa, schede di dimensioni più compatte definite solitamente in formato ITX. Questo form factor (dall'inglese fattore forma) in versione ITX o anche dette in versioni Mini, sono compatibili con case di piccole dimensioni in genere in form factor mATX o ITX. Questa tipologia di schede video, sebbene possiedano la stessa GPU, hanno caratteristiche tecniche inferiori es. un dissipatore più piccolo con un unica ventola (minor capacità di raffreddamento = Temperature più alte) minor numero di VRM (overclock meno spinto e stabile), meno uscite video etc.
Prima di cambiare case o scheda video assicuratevi quindi della lunghezza che il case può supportare, in genere indicato nelle specifiche del case come Maximum GPU Length, ovvero la lunghezza massima delle schede video supportate. Viceversa quando cambiare scheda video assicuratevi che la lunghezza supportata dal case sia compatibile con la lunghezza della nuova scheda video.
Le schede video con PCB identico a quello delle schede video Reference ma con altre modifiche come sulla frequenza del processore o sul dissipatore, vengono chiamate Semi-Custom; se viene fatta una modifica anche al PCB, non si tratta più di reference o una semi-custom ma di una vera e propria Custom.
2.2 Graphic Processor Unit
La GPU (acronimo di Graphic Processor Unit tradotto come Unità di Elaborazione Grafica) viene definita anche come coprocessore o processore grafico. Naturalmente funziona quindi come un vero e proprio processore con una sua frequenza, con voltaggi e tensioni che si applicano. A differenza della CPU che possiede un ALU (acronimo per arithmetic-logic unit o unità aritmetica-logica), la GPU è dotata di molti più calcolatori.
La CPU nasce per processare le istruzioni ed è basata su di un sistema chiamato MIMD (multiple instruction, multiple data) potendo svolgere più istruzioni; la GPU nasce per effettuare dei calcoli, motivo per il quale essa è basata su un sistema chiamato SIMD (Single istruction, multiple data). Quindi nonostante possa eseguire un’unica istruzione per volta, riesce a farlo con una tecnica di parallelizzazione del lavoro impressionante, il che comporta a sua volta un impressionante capacità di calcolo. (Dovreste quindi capire perchè si preferisce usare una GPU per il General Purpose. Vedi Capitolo 1.2).
La GPU ha 3 fondamentali valori che migliorano di anno in anno in base all'affinamento delle fabbriche, e allo sviluppo delle architetture ovvero:
Attualmente nel 2018/2019, il processo produttivo usato dalle GPU NVIDIA Turing è di 12nm mentre siamo a 7nm per le GPU AMD (Radeon VII). Questo processo produttivo indica la dimensione minima del gate di ogni singolo transistor. Per renderci conto della dimensione della quale parliamo, vi faccio un paragone: un globulo rosso è mediamente 7000nm, mentre il virus dell'HIV (quello che causa l'AIDS) è di 120nm ovvero 100 volte più grande del gate dei transistor.
I vantaggi nel passare ad un processo costruttivo più piccolo e, più in generale, cercare di migliorare sempre più la miniaturizzazione, sono molteplici: si va dal miglioramento della resa produttiva con conseguente abbattimento di costi (più un processore è "piccolo" e più GPU possono essere fabbricate con un solo wafer), alla diminuzione del consumo elettrico e della temperatura operativo; oppure con stesse dimensioni ma passando per la possibilità di integrare un numero di transistor sempre maggiore con conseguente aumento della potenza elaborativa, senza però l'aumento della dissipazione di calore.
Anche se il processore produttivo è tecnicamente solo un numero senza un reale valore, questo poichè non è l'unica dimensione che va calcolata, inoltre non identifica la reale densità di transistor.
Il Die è traducibile in italiano come circuito integrato o stampo, ovvero un piccolo blocco posto all'interno del package (l'involucro esterno della GPU). La dimensione del Circuito integrato (Die Size) può aumentare in base alla quantità di transistor che utilizza, ma non è detto che se ha un processo produttivo a 7nm sia di dimensioni più piccole rispetto ad uno di 14nm, anzi, in genere è più grande per ospitare più transistor possibili. (Per maggiori informazioni sul Die, Vedi Capitolo: Produzione Wafer)
Il transistor, il cui nome deriva dalla crasi delle parole inglesi transconductance e varistor, è un componente elettronico realizzato con materiali semiconduttori come il silicio.
ll transistor non è altro che un interruttore. Come interruttore, il transistor permette o impedisce il transito della corrente all'interno del circuito elettrico: il sistema può dunque assumere il valore binario di "0" o "1", permettendo di realizzare i circuiti elettronici digitali alla base della logica booleana (le variabili possono assumere valori vero e falso, o in questo caso 0 e 1). Il circuito elettrico è composto dalla porta (gate), dalla sorgente (source) e dal pozzo (drain).
Per chi non avesse la basi di informatica/elettronica o su come funziona la logica booleana applicata ai circuiti:
A 0, corrisponde un circuito aperto, non consente il passaggio di elettricità. Ad 1, il circuito è chiuso ed è quindi collegato, permettendo il passaggio di corrente.
Ogni microchip (processore o memoria) è composto da miliardi di transistors che permettono di archiviare dati o eseguire le istruzioni e gli algoritmi dei vari software informatici.
I transistor possono essere usati anche come amplificatori e sono infatti alla base dell'elettronica analogica, ma riguarda altri ambiti che non discuteremo qui.
Il transistor è l’elemento cardine dell’elettronica digitale, averne di più, aumenta la capacità di calcolo aritmetica e logica correlato al processo produttivo.
Le Unità Shader o SPU (Shader Processing Unit) sono dei blocchi fondamentali in una scheda grafica che si occupano delle operazioni di shading (tradotto ombreggiatura).
Le SPU si occupano degli effetti di rendering vero e proprio di una scena, e sono spesso indicati come numero di CUDA cores (Nvidia) o di Stream Processors (AMD).
Le unità shader sono costruite in maniera diversa da Nvidia e AMD, quindi i CUDA cores (Prima Processing Core) e gli Stream Processor (Prima ATI Stream) non sono direttamente paragonabili (la potenza di un CUDA non è in rapporto 1:1 con quella di uno Stream Processor).
La posizione, il colore, gli effetti nonché le texture, i vertici e il numero di pixel di un oggetto sono informazioni messe insieme secondo un algoritmo implementato dalle SPU per costruire la scena virtuale, algoritmo che può cambiare mentre la scena stessa è mostrata all'utente. Ogni “effetto” da applicare va a finire in una pipeline (coda) prima di essere processato.
Un tempo le unità shader erano divise fra Pixel Shaders (che si occupavano del colore, per mostrare a video vari effetti come le esplosioni) e Vertex Shaders (che avevano la responsabilità del trasformare o deformare pixel e quindi di comporre anche il movimento); il risultato finale era una combinazione delle soluzioni elaborate dai due tipi di unità. Questo poteva comportare latenze di calcolo non indifferenti, in quanto i primi potevano dover aspettare il prodotto dei secondi o viceversa.
Oggigiorno questa distinzione è scomparsa e tutte le “caratteristiche” di una scena suddette sono state affidate ad un’architettura a shader unificati, Unified Shader Model o Shader Model 4.0. Nel quale vengono gestite le 3 tipologie di shader: Pixel Shaders, Vertex Sharders, e Geometry Shader. Quest'ultima caratteristica è stata introdotta con DirectX 10.
Guardando queste immagini dovremmo già riuscire a capire molto:
- Quella in alto è la forma reale del design del chip. Il chip in questione è un GF100 (GTX 485).
- Quella a sinistra è il diagramma della stessa GPU ma schematizzato tramite illustrazione. Il chip in questione è un GF100 (GTX 485).
- Quella a destra è il diagramma di un'altra GPU che sfrutta la medesima base con chip GF100 ma con alcune zone disabilitate (GTX 465) per differenziare l'offerta e per recuperare alcuni chip con aree danneggiate.
↑ Uno dei 4 GPC
In questa immagine invece abbiamo zoomato sul diagramma, e ho riportato uno dei 4 GPC (acronimo di Graphic Processing Cluster, con la parola Cluster si intende generalmente un gruppo ben definito e raggruppato di core in una zona delimitata).
↑ Polymorph Engine composizione
Qui ancora uno zoom all'interno del Polymorph Engine. Il Polymorph Engine (in basso nel GPC) racchiude tutti gli stadi di tipo fixed function che compongono la prima parte della pipeline grafica dedicata alle operazioni geometriche mentre il Raster Engine (in alto nel GPC) gli elementi di tipo fixed function che concorrono alle operazioni di rasterizzazione.
↑ Streaming Multiprocessor (SM) e Cuda Core
Facciamo quindi uno zoom ancora più approfondito di un singolo Streaming Multiprocessor. Al suo interno vediamo ben 32 Cuda Core sul quale è riproposto un ulteriore zoom nell'immagine stessa.
2.3 Memoria Video
La Memoria Video (spesso definita erroneamente VRAM) ha una sua frequenza e una dimensione variabile in base alla scheda. Quest'ultima è la memoria video sulla quale la GPU può elaborare e dove viene memorizzato il framebuffer. È una memoria buffer della scheda video nella quale vengono memorizzate le informazioni destinate all'output per la rappresentazione di un intero fotogramma (frame in inglese, da cui il nome framebuffer).
La frequenza di clock della memoria è la frequenza massima, espressa in Megahertz (MHz), alla quale può operare la memoria stessa, ovvero il numero di volte che essa può leggere/scrivere dati. La frequenza di clock della memoria scala a seconda dell’operazione che la scheda grafica sta attualmente compiendo. Si può dire che, più alta è più la memoria è veloce, e quindi più aumenta il memory bandwidth.
In realtà sebbene sia ancora chiamata VRAM, quest'ultima è in disuso da molti anni, già superata dalla WRAM delle Matrox, dalla poi Multibank DRAM (MDRAM), dalla SGRAM (acronimo per Synchoronus Graphics RAM) ma erano tutte memorie single-port.
Si è quindi passati all'evoluzione con delle dual-port, e quindi alle GDDR SDRAM (si esattamente come successe per la RAM con le DDR SDRAM) ovvero acronimo per Graphics Double Data Rate, Synchronous Dynamic Random-Access Memory disegnate per l'appunto per le GPU e quindi si distinguono dalle normali DDR SDRAM utilizzate dal processore. Le loro caratteristiche principali sono frequenze di clock più elevate sia per il core DRAM che per l'interfaccia I / O, che fornisce maggiore larghezza di banda di memoria per le GPU. Le GDDR SDRAM sono state succedute da GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, GDDR5X, e GDDR6. Queste tendono a risparmiare sempre più energia aumentando però il bandwidth.
La produzione di queste memorie è in genere affidata ad aziende esterne famose produttrici di memorie ovvero: Samsung, SK Hynix e Micron.
Famoso il caso delle RTX 2080/2080Ti con Memorie Video Micron in quanto quest'ultime a seguito dei test hanno subito una rapida degradazione delle memorie, che causano i famosi artefatti e lo stuttering che stanno dilagando.
Le memorie sono prodotte per reggere fino ai 95° oltre i quali iniziano a dare i problemi sopra citati. Questo, si è ipotizzato, per via del posizionamento di alcuni chip GDDR6 (nello specifico M6 ed M7), integrati praticamente sopra le tracce di alimentazione del PCB, queste passano tra le fasi PWM e il socket della GPU; che quindi ne aumentano la temperatura interna dei chip di memoria.
Come controllo che memorie possiedo?
GPU-Z nella scheda Graphics Card alla voce Memory Type.
Cosa fare nel caso abbia memorie Micron?
Memorie di produzione antecedenti a Dicembre 2018 riscontrano quasi da subito (dall'acquisto o entro 2 mesi) questi artefatti, in tal caso vi conviene contattare il venditore/produttore per l'RMA.
Quali schede soffrono di questo problema?
Quelle che hanno Memorie GDDR6 Micron, ogni modello è potenzialmente sensibile a questo problema (dalle 2080ti alle 2060).
Ma perché la fascia bassa (RTX 2060) ne ha risentito di meno?
Perché sono uscite nel mezzo del casino quindi sono state subito troncate le spedizioni con le Micron.
Clicca per espandere...
Sono state inoltre create nuovi tipi di memorie video, chiamate HBM (acronimo per High Bandwidth Memory) con la collaborazione di Samsung, SK Hynix e AMD.
Quest'ultime, sono state implementate per la prima volta sulle R9 Fury, Fury X e Nano. Le HBM sono state succedute da HBM 2, HBM 3, e HBM 4.
Naturalmente, l'uso della Memoria Video è stato implementato sulla scheda per velocizzare le operazioni e i calcoli della GPU, la quale impiegherebbe troppo tempo ad accedere alla memoria principale della CPU con la quale litigherebbe per l'uso. Un quantitativo insufficiente di Memoria Video può creare del bottleneck (tradotto in collo di bottiglia, in cui una grande mole di dati generati da un componente passa per una strettoia che riduce le sue prestazioni per arrivare ad un altro componente, quindi come una bottiglia).
In genere schede video da gaming e da editing di fascia alta possiedono molta più Memoria Video dovendo gestire una maggior quantità di dati a risoluzioni maggiori come il 4K o con carichi molto elevati come il rendering di video 4K o per lavori con GPGPU.
↑ Esempio in Battlefield 4 dell'aumento esponenziale della memoria occupata a varie risoluzioni con vari settaggi e filtri
La Memoria Video serve inoltre a mantenere durante il Gaming informazioni come Texture, Frame Buffer, Depth Buffer, e altri asset richiesti per renderizzare un frame come Shadow Maps, Bump Maps, e Lighting Information.
Risoluzione, profondità del colore, quantità di texture, i vari filtri (antialising in primis avendo un effetto massivo sulla memoria video) e molto altro possono aumentare il peso sulla Memoria Video. Per esempio poiché le immagini sono in genere a 32 bits per Pixel (più in là vedremo il Bit Depth), significa in Full HD moltiplicare 32bits x 1920 x 1080 = 8,3 MB per un singolo Frame, mentre se saliamo di risoluzione in Ultra HD o 4K 32bits x 38240 x 2160 = 33,2 MB per singolo Frame.
Da qui capirete subito che rispondere alla domanda "di quanta Memoria Video ho bisogno?" è abbastanza arduo e vi riporto quindi un aneddoto:
"All'uscita della GTX 680, quest'ultima aveva 2GB di Memoria Video ed erano abbastanza all'epoca, ma in quel periodo alcuni dei maggiori titoli appena usciti arrivarono a superare questa quantità. I 3GB di Memoria Video sarebbero stati fondamentali in quel determinato anno ed infatti NVIDIA, sebbene sempre tirchia di memoria, corse ai ripari con la GTX 770 che non è altro che un rebrand della GTX 680 (più avanti approfondirò meglio la questione dei rebrand), ma a differenza di quest'ultima la GTX 770 aveva 3GB di Memoria Video non era quindi più potente ma aveva più Memoria Video. Questo riusciva a garantire migliori performance, poiché un insufficienza di Memoria Video causava un brusco calo di prestazioni con Stuttering (traducibile dall'inglese come "balbuzie" ma forse la traduzione più corretta per noi è un immagine a singhiozzo, ovvero avrete dei veri e propri salti di fotogrammi)."
Per i più recenti al mondo dell'hardware, è la stessa cosa che è successa con le GTX 1060 3GB superate in alcuni giochi dalle fasce inferiori ovvero 1050 Ti 4GB e dalle RX 470/570 4GB; questo ci fa capire quant'è importante che un azienda imparasse dai propri sbagli, poiché nel periodo dal 2016 al 2018, soltanto 3GB di Memoria Video con determinati titoli e settaggi in Full HD sono spesso limitanti e tendono a saturarsi dando quindi il fenomeno dello stuttering.
Nel 2019 possiamo dire che in Full HD sono consigliati un minimo di 4-6GB di Memoria Video, in Quad HD (2K) 6-8GB di Memoria Video, in Ultra HD (4K) minimo 8GB di Memoria Video. Le cose si complicano ulteriormente se parliamo invece di Realtà Virtuale o VR, ma soprassederò dal spiegare ancora.
Ma cosa succede quando saturiamo la Memoria Video?
Si tende come detto ad avere stuttering (balbuzie dell'immagine) oltre che un brusco calo degli fps, questo perchè la memoria in eccesso deve essere comunque usata, ma viene messa nella memoria centrale (RAM), che come accennato prima, è più lenta e impiega quindi più tempo. Peggio se quest'ultima si satura si deve passare alla memoria dello storage. La GPU deve continuamente strappare texture dalla Memoria Video e dalla Memoria Centrale, causando un brusco decremento degli fps e quindi quella balbuzie di immagini che citavamo prima.
2.4 Video BIOS e Memoria ROM
↑ Piano posteriore rispetto all'heatsink e alle ventole. Sono saldate su questo piano le Memorie ROM.
La Memoria ROM (acronimo per Read Only Memory è una memoria non volatile, il cui contenuto in genere non è modificabile ma può essere aggiornato) dove risiede il BIOS (acronimo di Basic Input-Output System) della GPU, per essere più precisi viene chiamato Video BIOS, posizionato in genere sull'altro lato della scheda quello coperto dal Backplate (a breve lo vedremo) per schede di recente fattura o già visibile sulle più vecchie. Gran parte delle differenze tra schede video da gaming e schede video professionali risiede proprio qui.
Qui ritroviamo il Firmware della GPU, il quale permetterà alla scheda di avviarsi correttamente ogni qual volta accendiate il PC. Questa fase prende il nome di “boot” o “bootstrap” e permetterà la lettura delle informazioni necessarie per inviare in output i primi segnali video con la visione dello splash screen (schermata di caricamento).
Alcune Custom avanzate hanno anche due o più BIOS differenti in base al raffreddamento della GPU, se normale ad aria o se si utilizza l'impianto a liquido.
I BIOS delle schede video, come anticipato, sono aggiornabili come quelli delle schede madri. In questo caso l'aggiornamento ne migliora l'efficienza e in parte le prestazioni, potendo migliorare quindi voltaggi applicati e frequenze operative sia di base che in boost.
2.5 TDP e Connettori di Alimentazione
I connettori di alimentazione che in base all'alimentazione necessaria possono essere a 6, 8, 6+6, 6+8 o 8+8 Pin; è la fonte di alimentazione primaria della scheda video.
Si è reso necessario nel corso degli anni il cambio di alimentazione dalla sola scheda madre all'utilizzo di un cavo dedicato all'alimentazione della scheda video.
I partner possono modificare le schede video aggiungendo un ulteriore connettore o ampliandolo.
Non tutta l'alimentazione proviene dai connettori, infatti schede video più vecchie o di fascia più bassa spesso omettono questo connettore in quanto l'alimentazione della scheda madre (tramite il +12V) è sufficiente ad alimentarle. In genere queste non devono superare i 5,5 Ampere di alimentazione definiti dal PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group, ovvero il consorzio che gestisce l'industria degli slot PCI-E). Tutt'oggi le schede video, soprattutto di fascia molto alta, traggono beneficio dalla scheda madre per ottenere più potenza. Ad esempio una Custom Vega 64 può richiedere 0.7 A in idle (inattiva), 2 A in gaming e 2.5 A sotto tortura.
Prima di continuare facciamo qualche richiamo di Fisica:
Viene misurato in watt, ma cos'è il watt? Il watt è l'unità di misura della potenza, non va confuso con il Wattora (Wh) e con i relativi multipli che sono una misura di energia (potenza × tempo) che corrisponde all'energia prodotta da 1 watt in un ora ovvero 3.600 Joule. Esempio con una scheda video da 180 W (ipotizziamo sia un consumo fisso) accesa per 1 ora, abbiamo 180 Wh che corrispondono a 648.000 Joule di energia. Immaginate questo consumo in giorno va quindi moltiplicato per 24 ore, per 30 giorni in un mese avrete circa 129.600 Wh, parliamo quindi cifre abbastanza grandi e per questo in genere indicate come kilowattora (kWh) ovvero 129,6 kWh.
1 Watt equivale ad 1 Joule al secondo (1 J/s) ma equivale anche ad 1 Volt moltiplicato per gli Ampere (1 V × A).
1 Joule è quindi uguale alla formula inversa ad 1 W per secondo (W × s) ma equivale anche ad 1 Newton per metro (1 N m).
Passiamo ora a questo famoso TDP acronimo per Thremal Design Power, che molti intendono come solo consumo della scheda ma non è così. Il TDP è invece un indicazione del calore dissipato dalla scheda che andrà poi dissipato tramite il dissipatore (heatsink) e le ventole montate sulla scheda (Vedi Capitolo 2.7).
Spesso vediamo varie modalità impostabili per la scheda video tramite applicazione, ad esempio modalità silenziosa, modalità gaming/OC o modalità normale. Possiamo infatti avere un cTDP (TDP Configurabile):
Come possiamo vedere (sempre da quella Custom Vega 64 che citavo prima) la Vega 64 ha da specifiche un TDP di 295W eppure guardando questo grafico, li sfora arrivando a picchi di oltre 330W (la reference ad esempio aveva picchi di anche 380 Watt). Questi picchi sono chiamati picchi di potenza, e sono quelli su cui noi dobbiamo anche basare la scelta dell'alimentatore. Vien da se che una CPU da 100W (i cui picchi possono arrivare a 150W in OC e sotto tortura) ed una Vega da 295W (i cui picchi, sotto tortura e OC, possono sfiorare i 400W) a cui si sommano approssimativamente un 50 W (tra LED, dissipatore, hard disk, MB etc.) rappresentano il consumo massimo di 600W in tutti i picchi e che quindi un alimentatore da 650W rappresenta la miglior scelta per queste componenti
Il Power Rating è la massima potenza entrante in quel determinato componente elettrico in base alle specifiche dichiarate dal produttore, sebbene anche questa si differenzi in due modi ovvero l'Average Power Rating, in genere dichiarato, e il Maximum Power Rating.
↑ Rappresentazione dei punti Tj, Tc, Ta.
Il sistema di raffreddamento di scheda video può essere progettato per un TDP di 180W, il che significa che può dissipare 180 Joule di calore al secondo, senza eccedere la temperatura di giunzione dei transistor (abbreviato in Tj) in inglese chiamata transistor junction temperature, è la più alta temperatura alla quale un semiconduttore può lavorare. La temperatura è uguale all'ammontare di calore trasferito dalla junction (tradotto giunzione) al case, moltiplicato per la resistenza termica che ritroviamo tra la junction e il case (abbreviata Rjc).
Il calore trasferito ci darà la temperatura del package a contatto con l'heatsink (dissipatore), questo valore è la temperature del case (abbreviato in Tc) in inglese case temperature. L'heatsink fa da collegamento (e da traferimento) tra la Tc e la Ta, ovvero tra la Case Temperature e la Ambient Temperature.
Il TjMax è massima temperatura della giunzione per il funzionamento del chip, oltre la quale abbiamo la possibilità di avere un malfunzionamento temporaneo o permanente.
La temperatura interna (Tj) viene misurata da un sensore. Se il core raggiunge il suo TjMax, questo attiverà un meccanismo di protezione per raffreddare il processore chiamato Thermal Throttling (traducibile come strozzamento termico), ovvero un abbassamento delle frequenze operative o il loro arresto.
↑ Trasmissione di calore da punto a punto passando per le resistenze termiche.
La Tj non è facilmente misurabile con una termocoppia o una telecamera infrarossi, viene in genere misurata indirettamente tramite il voltaggio/temperatura, e resa più accurata da tecniche JEDEC come JESD 51-1 e JESD 51-51. In genere il calcolo è fatto dalla temperatura ambiente a cui si sommano la resistenza j-a (dalla junction all'ambiente) moltiplicata per la potenza dissipata:
Tj = Ta + (R θja × PD)
2.6 VRM, Fasi e PWM
I VRM acronimo per Voltage Regulator Module, tradotto sono dei moduli regolatori delle tensioni in entrata dall'alimentatore dirette verso la GPU e la VRAM.
Molti non lo capiscono o fraintendono "il VRM non è un unica cosa ma un insieme di cose" ed è infatti costituito dal Voltage Controller (Regolatore di Tensioni/Voltaggi), dal PWM, e dalle Phases (Fase). Il PWM (acronimo per Pulse Width Modulation) è il modulatore di larghezza degli impulsi.
Le Fasi (in inglese Phases) sono a loro volta composte da Condensatori a stato solido (in inglese Capacitor), Induttori (in inglese Choke) e più MOSFETS; questo implica che un solo condensatore + un solo Choke + i relativi MOSFETS formano un unica Fase, per ogni gruppo quindi abbiamo una fase.
Tutta questa roba ha un solo scopo ultimo, garantire alla GPU e alla VRAM una potenza stabile e "pulita"; una scheda video che possiede più VRM è in grado di suddividere più facilmente il carico tra più VRM e quindi di conseguenza diminuire il lavoro per ogni singolo VRM, il che implica maggiore stabilità ma soprattutto minori temperature per i VRM.
C'è un porzione di VRM dedita alla sola Memoria Video. In genere è un solo gruppo di VRM, ma in alcune custom potrebbe essere anche 2 o 3. Ad esempio sulla recente MSI RTX 2080Ti Lightning Z ne ritroviamo ben 3 per la sola Memoria Video.
Ora dovreste già aver capito da soli perchè magari scrivono Fasi 12+2 o 5+1 o 6+3, poiché il primo numero sono le fasi dedicate alla sola GPU mentre il secondo numero sono le fasi dedicate alla sola Memoria Video (Idem per le schede madri nel caso di 12+2, quando dite ho 14 fasi per l'OC del processore state sbagliando NON SI SOMMANO. Per il processore sono solo 12 mentre per la RAM ne avete 2).
In genere il numero di VRM è modificato da ogni produttore di schede video, creando un PCB Custom (Circuito Stampato modificato) sul quale agire.
Le Top Custom avranno sempre un PCB di maggiori dimensioni per riuscire a contenere più VRM, e in genere, un migliore modulo di raffreddamento.
2.7 Back Plate e Dissipatori
↑ A sinistra scheda video con Back Plate (dall'inglese Piastra Posteriore), a destra senza Back Plate.
Il Backplate che nasconde tutta la parte anti-estetica nel retro del PCB (il lato opposto alle ventole) utile anche ai fini della dissipazione del calore.
↑ A sinistra scheda video scoperta di ventole e chassis, a destra scheda video in cui è rimosso anche l'heatsink.
Continuando a parlare di dissipazione, attualmente vedete schede video sempre più grandi, spesse e pesanti ma l'80% della vostra scheda video è composto dall' Heat Sink (traducibile con dissipatore) e dalle Ventole, oltre che dai LED RGB...
↑ Lettura termica tramite FLIR, in evidenza la zona centrale dei VRM più calda della GPU stessa
Il calore sprigionato della GPU, dalla VRAM e dai VRM (che sono le tre parti della scheda video che sprigionano più calore, soprattutto i VRM) - per irraggiamento e convezione - viene trasmesso all' Heat Sink fatto in alluminio e/o rame (materiali con alta conducibilità termica) tramite pad termicondittivi o paste termoconduttive (utili al fine di eliminare il velo d'aria poco conduttivo - Qui la guida alla pasta termica).
L'Heat Sink (Dissipatore), in genere, è formato da dei tubi in rame chiamati Heat Pipe, e da una parte a forma di lamelle (definito come gruppo lamellare) questo per aumentare l'efficienza nella sottrazione di calore (aumento del rapporto superficie/volume) al cui apice ritroviamo delle ventole, le quali creano un flusso d'aria che asporta il calore trasferendolo lontano dal componente.
↑ Varie tipologie di raffreddamento.
Inoltre bisogna fare una differenziazione tra due tipi di raffreddamento ad aria, l'opzione biventala (due ventole) o triventola (tre ventole) che normalmente vediamo e le forme Blower (come in foto).
Le Blower risucchiano aria dalla parte bassa del case laddove l'aria è più fredda e la immettono nei gruppi lamellari dirottandole fuori dal case, abbassando la temperatura interna del case rispetto alle versioni normali. Una Blower può essere preferita laddove ci sia poco spazio nel case e non si necessita di overclock della GPU mentre magari potrebbe essere elevata la temperatura interna per la presenza di molti Hard Disk.
Le Custom biventola e triventola sono invece preferite rispetto alla Blower (come le vecchie Founder Edition di NVIDIA o di AMD, ma anche alcune create da alcuni partner), poiché hanno una miglior dissipazione della GPU, dei VRM e della Memoria Video. Questo poiché l'aria non viene continuamente spinta fuori dal case passando per tutta la scheda video quindi l'aria calda dei VRM passa sopra l'aria calda delle memorie e poi della GPU per poi uscire, ma viene estratta verso la parte bassa del case che "dovrebbe" essere portata fuori dalla ventola frontale più basse che aspira aria fredda e dovrebbe mandare l'aria calda in uscita dalla scheda video attraverso le feritoie posteriori.
Esistono delle schede video chiamate Barebone che sono completamente prive di sistema di raffreddamento (vendute proprio così) ma hanno un PCB modificato, per applicare più facilmente un sistema custom senza dove smontare il dissipatore.
Esistono le schede video con dissipazione passiva ovvero senza alcuna ventola ma solo con il gruppo lamellare, in genere sono solo per schede con un basso TDP.
Esistono schede video con un sistema di dissipazione a liquido All in One.
Esistono schede video già predisposte per l'impianto a liquido custom (Esempio Aorus RTX 2080 Waterforce) o che vengono moddate (modificate) tramite un GPU Waterblock.
Infine tramite alcuni adattatori (come l'NZXT Kraken G10 o il Corsair Hydro Series HG10) è possibile attaccare un dissipatore a liquido per CPU alla scheda video.
2.8 Accessori
↑ Supporti per le schede video più pesanti
Questo enorme peso da parte degli Heatsink delle schede video ha costretto molti a montare anche un Bracket (dall'inglese supporto), ovvero un supporto che sostenga la scheda video dal basso oltre a dover rinforzare la connessione con la scheda madre con dei PCI-E in metallo.
In genere sono supporti in metallo montati a parte ma potrebbero essere inclusi (molto raro) nel case come fanno alcune aziende recentemente (Lo Sharkoon Pure Steel è un esempio) oppure possono essere fatte in plexyglass o alluminio con personalizzazioni varie.
Per evitare che il peso pieghi lo slot PCI-E, un ulteriore soluzione è stata quella di togliere la scheda video dalla motherboard e posizionarla verticalmente. In genere questa modifica viene fatta utilizzando un Vertical Mount il quale deve essere compatibile con il case e deve avere un PCI-E Riser (che tratteremo a breve).
La soluzione ha principalmente un fine estetico più che pratico, in quanto viene mostrata la parte delle ventole invece che la parte laterale, generalmente più accattivante.
Questa opzione però ha alcune problematiche:
GPU è l'acronimo inglese per Graphics Processing Unit tradotto è Unità di Elaborazione Grafica.
La GPU è quindi il nucleo delle schede video (sebbene spesso si usi il termine GPU come Sineddoche - figura retorica nel nominare una parte per il tutto - per l'intera Scheda Video), definito anche come processore grafico o coprocessore, la cui funzione è il rendering (dall'inglese interpretazione/traduzione/esecuzione) delle immagini grafiche che noi rivediamo sullo schermo.
↑ Qui una scheda video NVIDIA GTX 1080Ti denudata (naked) di Heatsink e Ventole, al centro possiamo vedere la GPU
La Graphics Card o Video Card (dall'inglese Scheda Grafica, Scheda Video) contiene quasi un altro PC al suo interno quindi la GPU, la memoria, e tanto altro utile ai fini dell'elaborazione, dell'alimentazione della stessa e al suo raffreddamento.
Il programma più adatto per guardare tutte le specifiche della nostra scheda video è GPU-Z. È un Must Have tra i propri programmi come per CPU-Z. Durante le varie spiegazioni vedremo sempre i vari riferimenti al programma in modo tale da riuscire a capire a cosa serve ogni valore.
1.1 Schede Video Dedicate ed Integrate
Sappiamo che esistono schede video dedicate ovvero una scheda fisica che va aggiunta al PC in collegamento tramite gli slot PCIe (quegli slot posti sulla scheda madre dove solitamente alloggiano le schede video o le altre periferiche connesse tramite PCIe), ed una scheda video integrata che è invece integrata nel package (tradotto in confezione/pacco sarebbe l'intero involucro esterno che racchiude il tutto) del processore. Quest'ultime sono famose come iGPU (acronimo di integrated GPU con il quale si identificano le GPU integrate) vanno menzionate soprattutto le Intel Graphics e le APU (acronimo per Accelerated Processing Unit) di AMD.
Non molti lo sanno ma due delle più potenti APU sono utilizzate sulle console come ad esempio la PS4 Pro (APU Jaguar Neo) e Xbox One X (APU Jaguar Scorpio).
Infine abbiamo anche delle soluzioni doppie con un rapido switch automatico da una soluzione ad un altra come nel caso dei notebook, opzione che può essere resa manuale tramite il BIOS (passando quindi da un opzione dinamica ad una fissa); in questo caso si passa dall'utilizzo della iGPU per applicativi leggeri, all'utilizzo della scheda video dedicata e saldata alla piastra madre per applicativi più pesanti come rendering, gaming etc.
1.2 Competitor, Scopi delle GPU e Famiglie
Attualmente i maggiori competitor in GPU sono: NVIDIA Corporation, AMD (Advanced Micro Devices) ed Intel.
Prima ne esistevano molti di più, ma sono stati schiacciati dalla concorrenza non riuscendo a tenere il passo. Alcune sono fallite, altre hanno semplicemente abbandonato questa lotta pur rimanendo nello stesso campo. Ricordiamo tra queste: ATI (acquisita da AMD nel 2006 e rimasta con questo nome fino al 2010), Matrox (Ancora oggi, sviluppa schede video professionali e non più da gaming), 3dfx (famose sono le Voodoo le prime GPU accelerate 3D e inventori del primo SLI, che fu assorbita da NVIDIA nel 2001), SIS, VIA, etc.
Le GPU hanno principalmente 3 scopi oltre quello base di mandare a video le informazioni della CPU: Gaming, Editing e General-Purpose (GP-GPU).
Sebbene i primi due siano facilmente immaginabili, il terzo è un genere differente di scopo infatti le GPGPU non hanno uscite video come le restanti poiché si prestano ad altri scopi, vengono utilizzate per l'esecuzione di calcoli paralleli particolarmente complessi come: criptovalute (mining), matematica e sicurezza (crittografia), fisica (meccanica quantistica), chimica e biologia (modellazione proteica), astronomia e astrofisica (decodifica segnali spaziali), calcolo distribuito (BIONIC) etc.
Distinguiamo le famiglie di NVIDIA in: GeForce per Gaming, Quadro per Editing e Tesla per General Purpose.
Distinguiamo le famiglie di AMD in: RX Vega per uso base integrate nelle APU, Radeon per Gaming e Radeon Pro (probabilmente prima più famose come FirePro) per Editing e FireStream per General Purpose.
Distinguiamo le famiglie di Intel in: Intel Graphics per uso base integrate nei processori Intel e Xeon Phi per General Purpose.
Qui direi di accennare ad una curiosità: le Adreno (GPU degli smartphone con SoC Qualcomm) furono inizialmente sviluppate da ATI con il nome Imageon, questo prima del 2006 con l'acquisizione da parte di AMD. Nel 2009 dopo che AMD vendette la divisione, Qualcomm decise di rinominare queste GPU con l'anagramma della parola Radeon, ovvero Adreno.
1.3 Schede Video Reference e Schede Video Custom sviluppate dai Partner
Bene queste aziende di schede video dedicate (AMD e NVIDIA), sono gli ideatori delle GPU, si fanno produrre i chip da aziende esterne (Vedi capitolo: Produzione Wafer, Binning e Rebrand) e poi le mettono nelle loro schede video definite come Schede Video Reference (dall'inglese riferimento) questo significa che sono il punto di riferimento per ogni altra scheda con la stessa GPU sviluppata dalle aziende.
In genere i prodotti reference non sono la prima scelta dei consumatori, in quanto, sebbene siano potenzialmente allo stesso livello di tutti le altre GPU, possiedono molte possibilità di miglioramento in determinati ambiti della scheda video.
Da qui sono nati dei partner che vendono solo schede video (acquistando le GPU da NVIDIA e AMD) e che apportano modifiche all'intera scheda video definita quindi Custom. Queste modifiche possono essere al sistema di dissipazione (heatsink, ventole, etc.), al PCB (acronimo per Printed Circuit Board, tradotto in circuito stampato) questo implica dimensioni ITX o dimensioni schede video più lunghe per adattarci sopra magari un dissipatore con 3 ventole invece che con 2.
Ancora possono modificare la parte dei VRM (ora ci arriviamo) aumentandoli; possono modificare il BIOS o apportare revisioni, e inoltre possono acquistare chip binned (Vedi capitolo: Produzione Wafer, Binning e Rebrand) per modificare al massimo la frequenza della GPU e rivenderle come versioni maggiormente overclockate rispetto ad altri chip con frequenze più basse.
Spesso la maggior differenza è quella estetica, anche perchè il chip della GPU è sempre lo stesso, questo si traduce in genere in performance simili sotto il profilo della resa in fps con una differenza tra quelle overclockate di fabbrica nell'ordine di 2-3 fps al massimo in base al titolo ma spesso con un esborso che non vale la differenza di prezzo.
Spesso la differenza di binning, di raffreddamento, di VRM e PCB non giustifica quella differenza di prezzo; figurarsi gli RGB.
Questo non è sempre vero e non è sempre falso, ogni custom va comunque valutata da un recensore esperto che abbia a sua disposizione il materiale per poterla recensire.
Aneddoto realmente successo: "Alcune schede video della molto famosa e blasonata marca X, spesso nominate per l'ottimo sistema di raffreddamento, avevano una così pessima dissipazione dei VRM in queste schede tale da causare il thermal throttling (è il sistema di protezione della scheda quando supera la temperatura critica, la scheda si spegna e le frequenze si arrestano per evitare danni al chip. Vedi capitolo 2.5) della scheda nei momenti di maggior picco. Situazione che si ripeteva puntualmente con la medesima custom a tantissimi utenti che l'hanno acquistata. " Questo ci fa capire quanto sia importante prima di valutare una qualsiasi custom di qualsiasi marca (a prescindere se sia meno conosciuta o più conosciuta) è essenziale leggere le review fatte dalle maggiori redazioni (e non vorrei sottolinearlo in modo così ovvio, ma le maggiori redazioni sono americane, russe e tedesche... Non di certo video su Youtube, se non delle suddette redazioni, e non di certo da italiani o da redazioni italiane che nella maggior parte dei casi tradurranno articoli esteri solo come editori ma per nulla esperti del settore).
Passiamo ora a tutti i partner conosciuti che ancora collaborano (molti sono partner minori che producono solo occasionalmente):
NVIDIA ha come partner: MSI, ASUS, Gigabyte, GALAX (chiamata KFA2 in Europa e Kurotoshikou nel mercato Asiatico), Palit, Gainward (acquisita da Palit), EVGA, Zotac, Inno3D, PNY, Manli, Yeston, Colorful, Maxsun, Biostar, ed altri come Point of View, ASL, Atum, AXLE, ELSA, EMTEK, Geekstar, Leadtek, SNKTech, Alienware.
AMD ha come partner: MSI, ASUS, Gigabyte, Sapphire, XFX, Powercolor, ASRock, HIS, Yeston, Biostar, Kurotoshikou (ovvero Galax nel mercato asiatico), Maxsun, ed altri come Arez, ColorFire, Dataland, Onda, PCYES, Pradreon, VisionTek.
Raramente qui in Italia, ma soprattutto nei forum esteri o parlando con tecnici di aziende, ci si può riferire a questi partner come AIB suppliers (acronimo di Add in Board tradotto aggiungere alla scheda, suppliers tradotto come fornitore), per essere precisi chiunque aggiunga o faccia modifiche su di un qualsiasi tipo di scheda come ad esempio G.Skill che modifica le memorie vendute da SK Hynix o Samsung (definito come manufacturer o produttore), può essere definito AIB suppliers; la scheda viene invece definita AIB o Custom. Quindi non solo i partner che modificano le schede video, ma qualsiasi partner che modifica qualsiasi scheda può essere correttamente definito AIB suppliers.
Livello di Conoscenza: Appassionato di Hardware
2. Componenti di una scheda video
Qui vediamo l'intera scheda video scoperchiata (spesso chiamata barebone) dall'heatsink, dalle ventole e dallo chassis. Possiamo quindi vedere tutti i componenti interni della scheda video saldati al PCB (Circuito Stampato).
2.1 Printed Circuit Board
Il PCB (acronimo di Printed Circuit Board tradotto come circuito stampato) non è altro che l'unione di vari layer (dall'inglese strati, livelli) di materiale posti a più livelli, per questo anche detto Multi-Layer PCB. Non approfondirò oltre, vi dirò solo che c'è quindi un top layer e un bottom layer ovvero uno strato superficiale superiore e uno strato superficiale inferiore, quelli che riusciamo a vedere solitamente; le piste che vedete sulla scheda madre che si diramano all'interno del PCB vengono chiamate PCB Tracks.
La lunghezza fisica della scheda video è decisa dai partner in base alle modifiche scelte per il PCB. Possono crea schede lunghe ben oltre i 300mm o, viceversa, schede di dimensioni più compatte definite solitamente in formato ITX. Questo form factor (dall'inglese fattore forma) in versione ITX o anche dette in versioni Mini, sono compatibili con case di piccole dimensioni in genere in form factor mATX o ITX. Questa tipologia di schede video, sebbene possiedano la stessa GPU, hanno caratteristiche tecniche inferiori es. un dissipatore più piccolo con un unica ventola (minor capacità di raffreddamento = Temperature più alte) minor numero di VRM (overclock meno spinto e stabile), meno uscite video etc.
Prima di cambiare case o scheda video assicuratevi quindi della lunghezza che il case può supportare, in genere indicato nelle specifiche del case come Maximum GPU Length, ovvero la lunghezza massima delle schede video supportate. Viceversa quando cambiare scheda video assicuratevi che la lunghezza supportata dal case sia compatibile con la lunghezza della nuova scheda video.
Le schede video con PCB identico a quello delle schede video Reference ma con altre modifiche come sulla frequenza del processore o sul dissipatore, vengono chiamate Semi-Custom; se viene fatta una modifica anche al PCB, non si tratta più di reference o una semi-custom ma di una vera e propria Custom.
2.2 Graphic Processor Unit
La GPU (acronimo di Graphic Processor Unit tradotto come Unità di Elaborazione Grafica) viene definita anche come coprocessore o processore grafico. Naturalmente funziona quindi come un vero e proprio processore con una sua frequenza, con voltaggi e tensioni che si applicano. A differenza della CPU che possiede un ALU (acronimo per arithmetic-logic unit o unità aritmetica-logica), la GPU è dotata di molti più calcolatori.
La CPU nasce per processare le istruzioni ed è basata su di un sistema chiamato MIMD (multiple instruction, multiple data) potendo svolgere più istruzioni; la GPU nasce per effettuare dei calcoli, motivo per il quale essa è basata su un sistema chiamato SIMD (Single istruction, multiple data). Quindi nonostante possa eseguire un’unica istruzione per volta, riesce a farlo con una tecnica di parallelizzazione del lavoro impressionante, il che comporta a sua volta un impressionante capacità di calcolo. (Dovreste quindi capire perchè si preferisce usare una GPU per il General Purpose. Vedi Capitolo 1.2).
La GPU ha 3 fondamentali valori che migliorano di anno in anno in base all'affinamento delle fabbriche, e allo sviluppo delle architetture ovvero:
- La dimensione del Die, (in inglese Die Size) misurabile in mm².
- Il numero di transistors, in genere nell'ordine dei 10-20 mila milioni. Qui ritroviamo la famosa legge di Moore, ovvero che: "Il numero di transistor raddoppia ogni due anni."
- Il processo costruttivo (in inglese Process Size o Technology) esprime la lunghezza del gate (ovvero la distanza tra drain e source nei transistors) misurabile in nanometri (7nm, 10nm, 12nm, 14nm, 16nm, 28nm, 32nm etc.)
Attualmente nel 2018/2019, il processo produttivo usato dalle GPU NVIDIA Turing è di 12nm mentre siamo a 7nm per le GPU AMD (Radeon VII). Questo processo produttivo indica la dimensione minima del gate di ogni singolo transistor. Per renderci conto della dimensione della quale parliamo, vi faccio un paragone: un globulo rosso è mediamente 7000nm, mentre il virus dell'HIV (quello che causa l'AIDS) è di 120nm ovvero 100 volte più grande del gate dei transistor.
I vantaggi nel passare ad un processo costruttivo più piccolo e, più in generale, cercare di migliorare sempre più la miniaturizzazione, sono molteplici: si va dal miglioramento della resa produttiva con conseguente abbattimento di costi (più un processore è "piccolo" e più GPU possono essere fabbricate con un solo wafer), alla diminuzione del consumo elettrico e della temperatura operativo; oppure con stesse dimensioni ma passando per la possibilità di integrare un numero di transistor sempre maggiore con conseguente aumento della potenza elaborativa, senza però l'aumento della dissipazione di calore.
Anche se il processore produttivo è tecnicamente solo un numero senza un reale valore, questo poichè non è l'unica dimensione che va calcolata, inoltre non identifica la reale densità di transistor.
Il Die è traducibile in italiano come circuito integrato o stampo, ovvero un piccolo blocco posto all'interno del package (l'involucro esterno della GPU). La dimensione del Circuito integrato (Die Size) può aumentare in base alla quantità di transistor che utilizza, ma non è detto che se ha un processo produttivo a 7nm sia di dimensioni più piccole rispetto ad uno di 14nm, anzi, in genere è più grande per ospitare più transistor possibili. (Per maggiori informazioni sul Die, Vedi Capitolo: Produzione Wafer)
Il transistor, il cui nome deriva dalla crasi delle parole inglesi transconductance e varistor, è un componente elettronico realizzato con materiali semiconduttori come il silicio.
ll transistor non è altro che un interruttore. Come interruttore, il transistor permette o impedisce il transito della corrente all'interno del circuito elettrico: il sistema può dunque assumere il valore binario di "0" o "1", permettendo di realizzare i circuiti elettronici digitali alla base della logica booleana (le variabili possono assumere valori vero e falso, o in questo caso 0 e 1). Il circuito elettrico è composto dalla porta (gate), dalla sorgente (source) e dal pozzo (drain).
Per chi non avesse la basi di informatica/elettronica o su come funziona la logica booleana applicata ai circuiti:
A 0, corrisponde un circuito aperto, non consente il passaggio di elettricità. Ad 1, il circuito è chiuso ed è quindi collegato, permettendo il passaggio di corrente.
Ogni microchip (processore o memoria) è composto da miliardi di transistors che permettono di archiviare dati o eseguire le istruzioni e gli algoritmi dei vari software informatici.
I transistor possono essere usati anche come amplificatori e sono infatti alla base dell'elettronica analogica, ma riguarda altri ambiti che non discuteremo qui.
Il transistor è l’elemento cardine dell’elettronica digitale, averne di più, aumenta la capacità di calcolo aritmetica e logica correlato al processo produttivo.
Le Unità Shader o SPU (Shader Processing Unit) sono dei blocchi fondamentali in una scheda grafica che si occupano delle operazioni di shading (tradotto ombreggiatura).
Le SPU si occupano degli effetti di rendering vero e proprio di una scena, e sono spesso indicati come numero di CUDA cores (Nvidia) o di Stream Processors (AMD).
Le unità shader sono costruite in maniera diversa da Nvidia e AMD, quindi i CUDA cores (Prima Processing Core) e gli Stream Processor (Prima ATI Stream) non sono direttamente paragonabili (la potenza di un CUDA non è in rapporto 1:1 con quella di uno Stream Processor).
La posizione, il colore, gli effetti nonché le texture, i vertici e il numero di pixel di un oggetto sono informazioni messe insieme secondo un algoritmo implementato dalle SPU per costruire la scena virtuale, algoritmo che può cambiare mentre la scena stessa è mostrata all'utente. Ogni “effetto” da applicare va a finire in una pipeline (coda) prima di essere processato.
Un tempo le unità shader erano divise fra Pixel Shaders (che si occupavano del colore, per mostrare a video vari effetti come le esplosioni) e Vertex Shaders (che avevano la responsabilità del trasformare o deformare pixel e quindi di comporre anche il movimento); il risultato finale era una combinazione delle soluzioni elaborate dai due tipi di unità. Questo poteva comportare latenze di calcolo non indifferenti, in quanto i primi potevano dover aspettare il prodotto dei secondi o viceversa.
Oggigiorno questa distinzione è scomparsa e tutte le “caratteristiche” di una scena suddette sono state affidate ad un’architettura a shader unificati, Unified Shader Model o Shader Model 4.0. Nel quale vengono gestite le 3 tipologie di shader: Pixel Shaders, Vertex Sharders, e Geometry Shader. Quest'ultima caratteristica è stata introdotta con DirectX 10.
Guardando queste immagini dovremmo già riuscire a capire molto:
- Quella in alto è la forma reale del design del chip. Il chip in questione è un GF100 (GTX 485).
- Quella a sinistra è il diagramma della stessa GPU ma schematizzato tramite illustrazione. Il chip in questione è un GF100 (GTX 485).
- Quella a destra è il diagramma di un'altra GPU che sfrutta la medesima base con chip GF100 ma con alcune zone disabilitate (GTX 465) per differenziare l'offerta e per recuperare alcuni chip con aree danneggiate.
↑ Uno dei 4 GPC
In questa immagine invece abbiamo zoomato sul diagramma, e ho riportato uno dei 4 GPC (acronimo di Graphic Processing Cluster, con la parola Cluster si intende generalmente un gruppo ben definito e raggruppato di core in una zona delimitata).
↑ Polymorph Engine composizione
Qui ancora uno zoom all'interno del Polymorph Engine. Il Polymorph Engine (in basso nel GPC) racchiude tutti gli stadi di tipo fixed function che compongono la prima parte della pipeline grafica dedicata alle operazioni geometriche mentre il Raster Engine (in alto nel GPC) gli elementi di tipo fixed function che concorrono alle operazioni di rasterizzazione.
↑ Streaming Multiprocessor (SM) e Cuda Core
Facciamo quindi uno zoom ancora più approfondito di un singolo Streaming Multiprocessor. Al suo interno vediamo ben 32 Cuda Core sul quale è riproposto un ulteriore zoom nell'immagine stessa.
Work in Progress
2.3 Memoria Video
La Memoria Video (spesso definita erroneamente VRAM) ha una sua frequenza e una dimensione variabile in base alla scheda. Quest'ultima è la memoria video sulla quale la GPU può elaborare e dove viene memorizzato il framebuffer. È una memoria buffer della scheda video nella quale vengono memorizzate le informazioni destinate all'output per la rappresentazione di un intero fotogramma (frame in inglese, da cui il nome framebuffer).
La frequenza di clock della memoria è la frequenza massima, espressa in Megahertz (MHz), alla quale può operare la memoria stessa, ovvero il numero di volte che essa può leggere/scrivere dati. La frequenza di clock della memoria scala a seconda dell’operazione che la scheda grafica sta attualmente compiendo. Si può dire che, più alta è più la memoria è veloce, e quindi più aumenta il memory bandwidth.
In realtà sebbene sia ancora chiamata VRAM, quest'ultima è in disuso da molti anni, già superata dalla WRAM delle Matrox, dalla poi Multibank DRAM (MDRAM), dalla SGRAM (acronimo per Synchoronus Graphics RAM) ma erano tutte memorie single-port.
Si è quindi passati all'evoluzione con delle dual-port, e quindi alle GDDR SDRAM (si esattamente come successe per la RAM con le DDR SDRAM) ovvero acronimo per Graphics Double Data Rate, Synchronous Dynamic Random-Access Memory disegnate per l'appunto per le GPU e quindi si distinguono dalle normali DDR SDRAM utilizzate dal processore. Le loro caratteristiche principali sono frequenze di clock più elevate sia per il core DRAM che per l'interfaccia I / O, che fornisce maggiore larghezza di banda di memoria per le GPU. Le GDDR SDRAM sono state succedute da GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, GDDR5X, e GDDR6. Queste tendono a risparmiare sempre più energia aumentando però il bandwidth.
La produzione di queste memorie è in genere affidata ad aziende esterne famose produttrici di memorie ovvero: Samsung, SK Hynix e Micron.
Famoso il caso delle RTX 2080/2080Ti con Memorie Video Micron in quanto quest'ultime a seguito dei test hanno subito una rapida degradazione delle memorie, che causano i famosi artefatti e lo stuttering che stanno dilagando.
Le memorie sono prodotte per reggere fino ai 95° oltre i quali iniziano a dare i problemi sopra citati. Questo, si è ipotizzato, per via del posizionamento di alcuni chip GDDR6 (nello specifico M6 ed M7), integrati praticamente sopra le tracce di alimentazione del PCB, queste passano tra le fasi PWM e il socket della GPU; che quindi ne aumentano la temperatura interna dei chip di memoria.
Come controllo che memorie possiedo?
GPU-Z nella scheda Graphics Card alla voce Memory Type.
Cosa fare nel caso abbia memorie Micron?
Memorie di produzione antecedenti a Dicembre 2018 riscontrano quasi da subito (dall'acquisto o entro 2 mesi) questi artefatti, in tal caso vi conviene contattare il venditore/produttore per l'RMA.
Quali schede soffrono di questo problema?
Quelle che hanno Memorie GDDR6 Micron, ogni modello è potenzialmente sensibile a questo problema (dalle 2080ti alle 2060).
Ma perché la fascia bassa (RTX 2060) ne ha risentito di meno?
Perché sono uscite nel mezzo del casino quindi sono state subito troncate le spedizioni con le Micron.
Clicca per espandere...
Sono state inoltre create nuovi tipi di memorie video, chiamate HBM (acronimo per High Bandwidth Memory) con la collaborazione di Samsung, SK Hynix e AMD.
Quest'ultime, sono state implementate per la prima volta sulle R9 Fury, Fury X e Nano. Le HBM sono state succedute da HBM 2, HBM 3, e HBM 4.
Naturalmente, l'uso della Memoria Video è stato implementato sulla scheda per velocizzare le operazioni e i calcoli della GPU, la quale impiegherebbe troppo tempo ad accedere alla memoria principale della CPU con la quale litigherebbe per l'uso. Un quantitativo insufficiente di Memoria Video può creare del bottleneck (tradotto in collo di bottiglia, in cui una grande mole di dati generati da un componente passa per una strettoia che riduce le sue prestazioni per arrivare ad un altro componente, quindi come una bottiglia).
In genere schede video da gaming e da editing di fascia alta possiedono molta più Memoria Video dovendo gestire una maggior quantità di dati a risoluzioni maggiori come il 4K o con carichi molto elevati come il rendering di video 4K o per lavori con GPGPU.
↑ Esempio in Battlefield 4 dell'aumento esponenziale della memoria occupata a varie risoluzioni con vari settaggi e filtri
La Memoria Video serve inoltre a mantenere durante il Gaming informazioni come Texture, Frame Buffer, Depth Buffer, e altri asset richiesti per renderizzare un frame come Shadow Maps, Bump Maps, e Lighting Information.
Risoluzione, profondità del colore, quantità di texture, i vari filtri (antialising in primis avendo un effetto massivo sulla memoria video) e molto altro possono aumentare il peso sulla Memoria Video. Per esempio poiché le immagini sono in genere a 32 bits per Pixel (più in là vedremo il Bit Depth), significa in Full HD moltiplicare 32bits x 1920 x 1080 = 8,3 MB per un singolo Frame, mentre se saliamo di risoluzione in Ultra HD o 4K 32bits x 38240 x 2160 = 33,2 MB per singolo Frame.
Da qui capirete subito che rispondere alla domanda "di quanta Memoria Video ho bisogno?" è abbastanza arduo e vi riporto quindi un aneddoto:
"All'uscita della GTX 680, quest'ultima aveva 2GB di Memoria Video ed erano abbastanza all'epoca, ma in quel periodo alcuni dei maggiori titoli appena usciti arrivarono a superare questa quantità. I 3GB di Memoria Video sarebbero stati fondamentali in quel determinato anno ed infatti NVIDIA, sebbene sempre tirchia di memoria, corse ai ripari con la GTX 770 che non è altro che un rebrand della GTX 680 (più avanti approfondirò meglio la questione dei rebrand), ma a differenza di quest'ultima la GTX 770 aveva 3GB di Memoria Video non era quindi più potente ma aveva più Memoria Video. Questo riusciva a garantire migliori performance, poiché un insufficienza di Memoria Video causava un brusco calo di prestazioni con Stuttering (traducibile dall'inglese come "balbuzie" ma forse la traduzione più corretta per noi è un immagine a singhiozzo, ovvero avrete dei veri e propri salti di fotogrammi)."
Per i più recenti al mondo dell'hardware, è la stessa cosa che è successa con le GTX 1060 3GB superate in alcuni giochi dalle fasce inferiori ovvero 1050 Ti 4GB e dalle RX 470/570 4GB; questo ci fa capire quant'è importante che un azienda imparasse dai propri sbagli, poiché nel periodo dal 2016 al 2018, soltanto 3GB di Memoria Video con determinati titoli e settaggi in Full HD sono spesso limitanti e tendono a saturarsi dando quindi il fenomeno dello stuttering.
Nel 2019 possiamo dire che in Full HD sono consigliati un minimo di 4-6GB di Memoria Video, in Quad HD (2K) 6-8GB di Memoria Video, in Ultra HD (4K) minimo 8GB di Memoria Video. Le cose si complicano ulteriormente se parliamo invece di Realtà Virtuale o VR, ma soprassederò dal spiegare ancora.
Ma cosa succede quando saturiamo la Memoria Video?
Si tende come detto ad avere stuttering (balbuzie dell'immagine) oltre che un brusco calo degli fps, questo perchè la memoria in eccesso deve essere comunque usata, ma viene messa nella memoria centrale (RAM), che come accennato prima, è più lenta e impiega quindi più tempo. Peggio se quest'ultima si satura si deve passare alla memoria dello storage. La GPU deve continuamente strappare texture dalla Memoria Video e dalla Memoria Centrale, causando un brusco decremento degli fps e quindi quella balbuzie di immagini che citavamo prima.
2.4 Video BIOS e Memoria ROM
↑ Piano posteriore rispetto all'heatsink e alle ventole. Sono saldate su questo piano le Memorie ROM.
La Memoria ROM (acronimo per Read Only Memory è una memoria non volatile, il cui contenuto in genere non è modificabile ma può essere aggiornato) dove risiede il BIOS (acronimo di Basic Input-Output System) della GPU, per essere più precisi viene chiamato Video BIOS, posizionato in genere sull'altro lato della scheda quello coperto dal Backplate (a breve lo vedremo) per schede di recente fattura o già visibile sulle più vecchie. Gran parte delle differenze tra schede video da gaming e schede video professionali risiede proprio qui.
Qui ritroviamo il Firmware della GPU, il quale permetterà alla scheda di avviarsi correttamente ogni qual volta accendiate il PC. Questa fase prende il nome di “boot” o “bootstrap” e permetterà la lettura delle informazioni necessarie per inviare in output i primi segnali video con la visione dello splash screen (schermata di caricamento).
Alcune Custom avanzate hanno anche due o più BIOS differenti in base al raffreddamento della GPU, se normale ad aria o se si utilizza l'impianto a liquido.
I BIOS delle schede video, come anticipato, sono aggiornabili come quelli delle schede madri. In questo caso l'aggiornamento ne migliora l'efficienza e in parte le prestazioni, potendo migliorare quindi voltaggi applicati e frequenze operative sia di base che in boost.
2.5 TDP e Connettori di Alimentazione
I connettori di alimentazione che in base all'alimentazione necessaria possono essere a 6, 8, 6+6, 6+8 o 8+8 Pin; è la fonte di alimentazione primaria della scheda video.
Si è reso necessario nel corso degli anni il cambio di alimentazione dalla sola scheda madre all'utilizzo di un cavo dedicato all'alimentazione della scheda video.
I partner possono modificare le schede video aggiungendo un ulteriore connettore o ampliandolo.
Non tutta l'alimentazione proviene dai connettori, infatti schede video più vecchie o di fascia più bassa spesso omettono questo connettore in quanto l'alimentazione della scheda madre (tramite il +12V) è sufficiente ad alimentarle. In genere queste non devono superare i 5,5 Ampere di alimentazione definiti dal PCI-SIG (Peripheral Component Interconnect Special Interest Group, ovvero il consorzio che gestisce l'industria degli slot PCI-E). Tutt'oggi le schede video, soprattutto di fascia molto alta, traggono beneficio dalla scheda madre per ottenere più potenza. Ad esempio una Custom Vega 64 può richiedere 0.7 A in idle (inattiva), 2 A in gaming e 2.5 A sotto tortura.
Prima di continuare facciamo qualche richiamo di Fisica:
Viene misurato in watt, ma cos'è il watt? Il watt è l'unità di misura della potenza, non va confuso con il Wattora (Wh) e con i relativi multipli che sono una misura di energia (potenza × tempo) che corrisponde all'energia prodotta da 1 watt in un ora ovvero 3.600 Joule. Esempio con una scheda video da 180 W (ipotizziamo sia un consumo fisso) accesa per 1 ora, abbiamo 180 Wh che corrispondono a 648.000 Joule di energia. Immaginate questo consumo in giorno va quindi moltiplicato per 24 ore, per 30 giorni in un mese avrete circa 129.600 Wh, parliamo quindi cifre abbastanza grandi e per questo in genere indicate come kilowattora (kWh) ovvero 129,6 kWh.
1 Watt equivale ad 1 Joule al secondo (1 J/s) ma equivale anche ad 1 Volt moltiplicato per gli Ampere (1 V × A).
1 Joule è quindi uguale alla formula inversa ad 1 W per secondo (W × s) ma equivale anche ad 1 Newton per metro (1 N m).
Passiamo ora a questo famoso TDP acronimo per Thremal Design Power, che molti intendono come solo consumo della scheda ma non è così. Il TDP è invece un indicazione del calore dissipato dalla scheda che andrà poi dissipato tramite il dissipatore (heatsink) e le ventole montate sulla scheda (Vedi Capitolo 2.7).
Spesso vediamo varie modalità impostabili per la scheda video tramite applicazione, ad esempio modalità silenziosa, modalità gaming/OC o modalità normale. Possiamo infatti avere un cTDP (TDP Configurabile):
- TDP nominale : frequenza nominale e TDP della GPU.
- cTDP down: quando si desidera una modalità di funzionamento più fredda o più silenziosa, questa modalità specifica un TDP inferiore e una frequenza garantita inferiore rispetto alla modalità nominale.
- cTDP up: quando è disponibile un raffreddamento extra, questa modalità specifica un TDP più alto e una frequenza garantita più elevata rispetto alla modalità nominale.
Come possiamo vedere (sempre da quella Custom Vega 64 che citavo prima) la Vega 64 ha da specifiche un TDP di 295W eppure guardando questo grafico, li sfora arrivando a picchi di oltre 330W (la reference ad esempio aveva picchi di anche 380 Watt). Questi picchi sono chiamati picchi di potenza, e sono quelli su cui noi dobbiamo anche basare la scelta dell'alimentatore. Vien da se che una CPU da 100W (i cui picchi possono arrivare a 150W in OC e sotto tortura) ed una Vega da 295W (i cui picchi, sotto tortura e OC, possono sfiorare i 400W) a cui si sommano approssimativamente un 50 W (tra LED, dissipatore, hard disk, MB etc.) rappresentano il consumo massimo di 600W in tutti i picchi e che quindi un alimentatore da 650W rappresenta la miglior scelta per queste componenti
Il Power Rating è la massima potenza entrante in quel determinato componente elettrico in base alle specifiche dichiarate dal produttore, sebbene anche questa si differenzi in due modi ovvero l'Average Power Rating, in genere dichiarato, e il Maximum Power Rating.
↑ Rappresentazione dei punti Tj, Tc, Ta.
Il sistema di raffreddamento di scheda video può essere progettato per un TDP di 180W, il che significa che può dissipare 180 Joule di calore al secondo, senza eccedere la temperatura di giunzione dei transistor (abbreviato in Tj) in inglese chiamata transistor junction temperature, è la più alta temperatura alla quale un semiconduttore può lavorare. La temperatura è uguale all'ammontare di calore trasferito dalla junction (tradotto giunzione) al case, moltiplicato per la resistenza termica che ritroviamo tra la junction e il case (abbreviata Rjc).
Il calore trasferito ci darà la temperatura del package a contatto con l'heatsink (dissipatore), questo valore è la temperature del case (abbreviato in Tc) in inglese case temperature. L'heatsink fa da collegamento (e da traferimento) tra la Tc e la Ta, ovvero tra la Case Temperature e la Ambient Temperature.
Il TjMax è massima temperatura della giunzione per il funzionamento del chip, oltre la quale abbiamo la possibilità di avere un malfunzionamento temporaneo o permanente.
La temperatura interna (Tj) viene misurata da un sensore. Se il core raggiunge il suo TjMax, questo attiverà un meccanismo di protezione per raffreddare il processore chiamato Thermal Throttling (traducibile come strozzamento termico), ovvero un abbassamento delle frequenze operative o il loro arresto.
↑ Trasmissione di calore da punto a punto passando per le resistenze termiche.
La Tj non è facilmente misurabile con una termocoppia o una telecamera infrarossi, viene in genere misurata indirettamente tramite il voltaggio/temperatura, e resa più accurata da tecniche JEDEC come JESD 51-1 e JESD 51-51. In genere il calcolo è fatto dalla temperatura ambiente a cui si sommano la resistenza j-a (dalla junction all'ambiente) moltiplicata per la potenza dissipata:
Tj = Ta + (R θja × PD)
2.6 VRM, Fasi e PWM
I VRM acronimo per Voltage Regulator Module, tradotto sono dei moduli regolatori delle tensioni in entrata dall'alimentatore dirette verso la GPU e la VRAM.
Molti non lo capiscono o fraintendono "il VRM non è un unica cosa ma un insieme di cose" ed è infatti costituito dal Voltage Controller (Regolatore di Tensioni/Voltaggi), dal PWM, e dalle Phases (Fase). Il PWM (acronimo per Pulse Width Modulation) è il modulatore di larghezza degli impulsi.
Le Fasi (in inglese Phases) sono a loro volta composte da Condensatori a stato solido (in inglese Capacitor), Induttori (in inglese Choke) e più MOSFETS; questo implica che un solo condensatore + un solo Choke + i relativi MOSFETS formano un unica Fase, per ogni gruppo quindi abbiamo una fase.
Tutta questa roba ha un solo scopo ultimo, garantire alla GPU e alla VRAM una potenza stabile e "pulita"; una scheda video che possiede più VRM è in grado di suddividere più facilmente il carico tra più VRM e quindi di conseguenza diminuire il lavoro per ogni singolo VRM, il che implica maggiore stabilità ma soprattutto minori temperature per i VRM.
C'è un porzione di VRM dedita alla sola Memoria Video. In genere è un solo gruppo di VRM, ma in alcune custom potrebbe essere anche 2 o 3. Ad esempio sulla recente MSI RTX 2080Ti Lightning Z ne ritroviamo ben 3 per la sola Memoria Video.
Ora dovreste già aver capito da soli perchè magari scrivono Fasi 12+2 o 5+1 o 6+3, poiché il primo numero sono le fasi dedicate alla sola GPU mentre il secondo numero sono le fasi dedicate alla sola Memoria Video (Idem per le schede madri nel caso di 12+2, quando dite ho 14 fasi per l'OC del processore state sbagliando NON SI SOMMANO. Per il processore sono solo 12 mentre per la RAM ne avete 2).
In genere il numero di VRM è modificato da ogni produttore di schede video, creando un PCB Custom (Circuito Stampato modificato) sul quale agire.
Le Top Custom avranno sempre un PCB di maggiori dimensioni per riuscire a contenere più VRM, e in genere, un migliore modulo di raffreddamento.
2.7 Back Plate e Dissipatori
↑ A sinistra scheda video con Back Plate (dall'inglese Piastra Posteriore), a destra senza Back Plate.
Il Backplate che nasconde tutta la parte anti-estetica nel retro del PCB (il lato opposto alle ventole) utile anche ai fini della dissipazione del calore.
↑ A sinistra scheda video scoperta di ventole e chassis, a destra scheda video in cui è rimosso anche l'heatsink.
Continuando a parlare di dissipazione, attualmente vedete schede video sempre più grandi, spesse e pesanti ma l'80% della vostra scheda video è composto dall' Heat Sink (traducibile con dissipatore) e dalle Ventole, oltre che dai LED RGB...
↑ Lettura termica tramite FLIR, in evidenza la zona centrale dei VRM più calda della GPU stessa
Il calore sprigionato della GPU, dalla VRAM e dai VRM (che sono le tre parti della scheda video che sprigionano più calore, soprattutto i VRM) - per irraggiamento e convezione - viene trasmesso all' Heat Sink fatto in alluminio e/o rame (materiali con alta conducibilità termica) tramite pad termicondittivi o paste termoconduttive (utili al fine di eliminare il velo d'aria poco conduttivo - Qui la guida alla pasta termica).
L'Heat Sink (Dissipatore), in genere, è formato da dei tubi in rame chiamati Heat Pipe, e da una parte a forma di lamelle (definito come gruppo lamellare) questo per aumentare l'efficienza nella sottrazione di calore (aumento del rapporto superficie/volume) al cui apice ritroviamo delle ventole, le quali creano un flusso d'aria che asporta il calore trasferendolo lontano dal componente.
↑ Varie tipologie di raffreddamento.
Inoltre bisogna fare una differenziazione tra due tipi di raffreddamento ad aria, l'opzione biventala (due ventole) o triventola (tre ventole) che normalmente vediamo e le forme Blower (come in foto).
Le Blower risucchiano aria dalla parte bassa del case laddove l'aria è più fredda e la immettono nei gruppi lamellari dirottandole fuori dal case, abbassando la temperatura interna del case rispetto alle versioni normali. Una Blower può essere preferita laddove ci sia poco spazio nel case e non si necessita di overclock della GPU mentre magari potrebbe essere elevata la temperatura interna per la presenza di molti Hard Disk.
Le Custom biventola e triventola sono invece preferite rispetto alla Blower (come le vecchie Founder Edition di NVIDIA o di AMD, ma anche alcune create da alcuni partner), poiché hanno una miglior dissipazione della GPU, dei VRM e della Memoria Video. Questo poiché l'aria non viene continuamente spinta fuori dal case passando per tutta la scheda video quindi l'aria calda dei VRM passa sopra l'aria calda delle memorie e poi della GPU per poi uscire, ma viene estratta verso la parte bassa del case che "dovrebbe" essere portata fuori dalla ventola frontale più basse che aspira aria fredda e dovrebbe mandare l'aria calda in uscita dalla scheda video attraverso le feritoie posteriori.
Esistono delle schede video chiamate Barebone che sono completamente prive di sistema di raffreddamento (vendute proprio così) ma hanno un PCB modificato, per applicare più facilmente un sistema custom senza dove smontare il dissipatore.
Esistono le schede video con dissipazione passiva ovvero senza alcuna ventola ma solo con il gruppo lamellare, in genere sono solo per schede con un basso TDP.
Esistono schede video con un sistema di dissipazione a liquido All in One.
Esistono schede video già predisposte per l'impianto a liquido custom (Esempio Aorus RTX 2080 Waterforce) o che vengono moddate (modificate) tramite un GPU Waterblock.
Infine tramite alcuni adattatori (come l'NZXT Kraken G10 o il Corsair Hydro Series HG10) è possibile attaccare un dissipatore a liquido per CPU alla scheda video.
2.8 Accessori
↑ Supporti per le schede video più pesanti
Questo enorme peso da parte degli Heatsink delle schede video ha costretto molti a montare anche un Bracket (dall'inglese supporto), ovvero un supporto che sostenga la scheda video dal basso oltre a dover rinforzare la connessione con la scheda madre con dei PCI-E in metallo.
In genere sono supporti in metallo montati a parte ma potrebbero essere inclusi (molto raro) nel case come fanno alcune aziende recentemente (Lo Sharkoon Pure Steel è un esempio) oppure possono essere fatte in plexyglass o alluminio con personalizzazioni varie.
Per evitare che il peso pieghi lo slot PCI-E, un ulteriore soluzione è stata quella di togliere la scheda video dalla motherboard e posizionarla verticalmente. In genere questa modifica viene fatta utilizzando un Vertical Mount il quale deve essere compatibile con il case e deve avere un PCI-E Riser (che tratteremo a breve).
La soluzione ha principalmente un fine estetico più che pratico, in quanto viene mostrata la parte delle ventole invece che la parte laterale, generalmente più accattivante.
Questa opzione però ha alcune problematiche:
- Il Riser, se non di qualità, potrebbe ridurre le prestazioni
- L'aria calda viene continuamente spinta con il plexyglass/vetro temprato/alluminio, soffocando in parte l'airflow della scheda
- Posizionando la scheda video in verticale si toglie la possibilità di utilizzare gli slot inferiori se non tramite un ulteriore riser e un posizionamento non regola dell'altra scheda che può essere una seconda scheda per il Multi-GPU o un ulteriore tipo di scheda come schede audio, schede Wi-Fi etc.
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