Энергопотребление современных видеокарт. Часть 1 – платы на чипах от ATI

Современные видеокарты по всем параметрам намного превосходят платы, вышедшие еще несколько лет назад – по скорости, по функциональности, по сложности и, увы, по энергопотреблению и тепловыделению. Сегодня слова «быстрая», «скоростная» или «высокопроизводительная» применительно к видеокартам для большинства означают «прожорливая», «горячая» или «мощная система охлаждения». Поэтому многие энтузиасты и геймеры, рассчитывающие на приобретение топовой видеокарты сейчас или в ближайшем будущем, заранее смиряются с необходимостью замены блока питания на более мощный или готовятся к серьезной проверке характеристик своего старого БП. Всем известная история с видеокартами на базе NVIDIA GeForce 6800 Ultra, для которых NVIDIA рекомендует блоки питания мощностью 480Вт или как минимум 350 «качественных» Ватт, лишь добавляет пессимизма при расчетах будущих расходов.

Итак, энергопотребление и тепловыделение современных видеокарт – очень интересный вопрос, живо интересующий каждого оверклокера и любого геймера, планирующего провести модернизацию своей машины в ближайшем будущем. Для того чтобы наш герой не терзался сомнениями, в этом обзоре я опишу методику измерения энергопотребления – а заодно и тепловыделения – современных видеокарт и приведу результаты, полученные на видеокартах при работе в номинальном режиме и при разгоне. Чтобы усилить интригу, в первой части я приведу только результаты видеокарт, основанных на чипах от ATI – платы на чипах от NVIDIA будут рассмотрены позже. А чтобы смягчить гнев оверклокеров, потерявших надежду увидеть глобальное сравнение массы видеокарт, в части, посвященной ATI RADEON X800 Pro, я подробно рассмотрю энергопотребление платы не только при разгоне, но и при повышении напряжения питания ядра и экстремальном разгоне. Такого ещё никто не делал. Будет интересно, обещаю :).

Итак, поехали!

Небольшое лирическое отступление о тепловыделении

Связывая энергопотребление и тепловыделение видеокарты, я руководствуюсь законом сохранения энергии – очевидно, что видеокарта не является источником энергии для других компонентов персонального компьютера, поэтому вся потребляемая ею энергия выделяется на ней же в виде тепла. Соответственно, все те цифры, что будут приведены для энергопотребления видеокарт, можно смело считать величиной тепловыделения этих плат.

Питание от разъема AGP и дополнительное питание

До появления видеокарт, основанных на чипах серии ATI RADEON 9700/9500, а задолго до этого – 3dfx Voodoo 5500/6000, все игровые графические адаптеры получали питание через разъем AGP. Солидная часть контактов разъема AGP предназначена именно для подачи питания на видеокарту – это 3.3В, 5В и 12В. Максимальные токи потребления по линиям 3.3В, 5В и 12В, диктуемые спецификациями последней реинкарнации AGP, AGP 3.0, составляют 6А для линии 3.3В, 2А для линии 5В и 1А для 12В. Зная напряжения и максимальные токи, максимальное потребление видеокарты через разъем AGP подсчитать нетрудно – оно составляет примерно 41.8 Ватт.

Для современных видеокарт среднего класса этого, очевидно, достаточно – они не имеют разъема для подключения дополнительного питания. Более скоростные видеокарты этим уже не могут удовлетвориться – максимальное энергопотребление некоторых плат может и не превышать 41.8 Ватт, но то, что оно может находиться недалеко от этого уровня, диктует необходимость подачи дополнительного питания помимо AGP – длительная эксплуатация в предельных режимах не шла на пользу еще ни одному из компьютерных компонентов.

Сейчас наличие разъема для подключения дополнительного питания на топовых графических платах уже ни у кого не вызывает удивления. Эти разъемы, аналогичные разъемам питания жестких дисков или оптических приводов (на RADEON 9700/9500 – аналогичные разъему питания флоппи-дисководов) подают на плату питание по линиям 5В и 12В. Некоторые видеокарты имеют даже не один, а два таких разъема. Согласно документу от Molex , максимальные токи через такие разъемы могут составлять от 6.5А до 10А, в зависимости от того, как разъем установлен на плату – «стоя» или «лёжа». Соответственно, максимальное потребление видеокарт с одним дополнительным разъемом, вдобавок к тому, что может быть получено от AGP, может составить от 110.5 Ватт до 170 Ватт, а с двумя разъемами – от 221 до 340 Ватт. Уж этого-то, согласитесь, будет достаточно для питания любой современной видеокарты и видеокарты даже отдаленного будущего.

Кстати, то, что NVIDIA GeForce 6800 Ultra, единственные из современных топовых видеокарт, имеют два разъема для подключения дополнительного питания (мертворожденные XGI Volari – не в счет), не стоит расценивать как то, что платы готовы употребить и выделить в виде тепла до 340 Ватт электроэнергии. Наличие двух разъемов для подключения питания на GeForce 6800 Ultra – отнюдь не следствие безумного энергопотребления, а всего лишь желание увеличить стабильность питания и надежность, разделив токи на два разъема. Впрочем, не будем отвлекаться. Энергопотребление видеокарт на чипах от NVIDIA – тема отдельной статьи.

Измерение энергопотребления

Понять, как можно измерить энергопотребление видеокарты, достаточно просто – для этого нужно лишь вспомнить школьный курс физики, а точнее, заветы мудрого Ома. Измерив значение напряжения в какой-либо цепи питания и помножив на величину тока в этой цепи, можно получить значение мощности, которую потребляет видеокарта по этой цепи питания. Поскольку цепей питания видеокарты несколько, для получения конечного результата – величины энергопотребления видеокарты – рассчитанные значения потребления по каждой цепи питания нужно просуммировать.

Величину тока, протекающего в цепи питания, можно измерить с помощью шунта, включив его в разрыв цепи питания. Согласно закону Ома, сила тока на всех участках электрической цепи обязана быть одинаковой. А это значит, что величина тока, протекающего через шунт, является ничем иным, как величиной потребляемого платой тока.

В качестве шунта я использовал 5-Ваттные резисторы сопротивлением 0.12 Ом, соединив их параллельно по четыре штуки и собрав в нехитрый переходник, который удобно включать между кабелем дополнительного питания и видеокартой:

Как видно по фотографии, этот переходник содержит два совершенно одинаковых шунта, включенных в цепи 5В и 12В. Два средних черных провода, «нули», проходят от одного разъема до другого без разрывов:

Результирующее сопротивление шунтов составило 0.03 Ома, что меня вполне устроило – падение напряжения на шунтах даже в самых «тяжелых» случаях составило не более 0.15 В. Вообще, сопротивление должно быть достаточно низким для того, чтобы падение напряжения на шунте оказалось не слишком большим, но достаточно высоким для того, чтобы его можно было измерить с помощью нормального вольтметра. Я использовал профессиональный цифровой мультиметр от UNI-T – модель UT70D

Двигаемся дальше. Величина падения напряжения на шунте, деленная на сопротивление шунта, дает значение тока, текущего через шунт. Помножив этот ток на величину напряжения, идущего на плату после шунта, можно получить величину мощности, потребляемой платой.

Всё это показано на схеме:

Итак, суммарную величину потребления видеокарты от разъема дополнительного питания выяснить не так уж сложно.

Но это только часть всей потребляемой видеокартой мощности. Помимо цепей 5В и 12В, идущих через разъем (разъемы) дополнительного питания, есть еще цепи питания 3.3В, 5В и 12В, идущие через разъем AGP. Измерить величину тока, протекающего по этим цепям, сложнее: в разъем AGP не воткнешь переходник с шунтами.

Как быть? Я поступил «в лоб»: полосками скотча изолировал на видеокарте соответствующие контакты разъема AGP (контакт А1 – 12B, контакты B2, B3 – 5В, контакты A9, B9, A16, B16, A25, B25, A28, B28 – 3.3В) и подвел эти напряжения, взяв от блока питания, прямо на видеокарту – разумеется, через уже изготовленный шунт:

Всё это на порядок увеличивает количество возни с каждой из видеокарт – нужно копаться с ножницами и скотчем, искать на плате удобные точки для подключения линий 3.3В, 5В и 12В, и припаивать к ним провода – но зато позволяет наиболее корректно подсчитать величину полного энергопотребления платы. К тому же, часть видеокарт вовсе не имеет разъема для подключения дополнительного питания, и подача питания через шунт, в обход AGP – единственный способ измерить их энергопотребление.

Условия тестирования

Видеокарты были протестированы в составе тестовой системы со следующей конфигурацией:

• Процессор: AMD Athlon 64 3400+;
• Материнская плата: ASUS K8V-SE;
• Оперативная память: 2x512MB TwinMOS PC3200 CL2.5

Программное обеспечение:

• Windows XP Pro SP1;
• DirectX 9.0b
• Драйвер Catalyst версии 4.7

Энергопотребление видеокарт измерялось в двух режимах: «Idle» – «Простой» и «Burn» – «Загрузка».

В режиме «Idle» никакие приложения запущены не были, на экране – рабочий стол Windows с россыпью стандартных иконок, видеорежим – 1280х1024х32@75 Гц.

Для режима «Burn» была выбрана одна из сцен Far Cry в режиме 1600х1200 при форсировании сглаживания 4х и анизотропной фильтрации 16х. На уровне Training, недалеко от избушки с биноклем, было сделано сохранение игры, которое впоследствии использовалось на всех видеокартах для обеспечения тестирования плат в одинаковых условиях.

В качестве кандидатов на тестирование в режиме загрузки помимо Far Cry рассматривались 3DMark 2001, 3DMark 03, Unreal Tournament 2004 и «Ил-2: Штурмовик», но, как показали измерения, эта сцена из Far Cry по степени загрузки видеокарты обошла всех.

Итак, приступаем.

RADEON X800 XT Platinum Edition

RADEON X800 XT Platinum Edition – флагманский графический процессор от ATI, выполненный по технологии 0.13мкм с применением low-k-диэлектриков и имеющий примерно 160 миллионов транзисторов. Графический процессор работает в паре с памятью GDDR3 SDRAM, отличающейся от DDR и DDR II, помимо всего прочего, пониженным энергопотреблением и тепловыделением. RADEON X800 XT Platinum Edition представляет плата от HIS – HIS Excalibur X800 XT IceQ II:

Видеокарта выполнена по референс-дизайну от ATI, но система охлаждения, выбранная HIS для своей модели, отличается от стандартных кулеров. На лицевой стороне платы расположена целая конструкция, состоящая из медного основания, забирающего тепло от графического процессора и чипов видеопамяти, алюминиевых ребер, прикрепленных к основанию, вентилятора и пластикового кожуха, проводящего воздух вдоль ребер радиатора и выбрасывающего его за пределы системного блока. Для того, чтобы система работала нормально, необходимо, чтобы соседствующее с «костылем» видеокарты место на задней стенке корпуса было открыто.

Микросхемы памяти, расположенные на обратной стороне платы, также имеют систему охлаждения – пассивный алюминиевый радиатор:

Номинальные тактовые частоты графического процессора и видеопамяти на плате составляют 525/1150 МГц. Разгонным потенциалом плата, несмотря на наличие продвинутой системы охлаждения, не впечатлила: максимальные частоты при разгоне составили 550/1250 МГц.

Результаты измерения энергопотребления:

Более подробно, в виде таблицы:

Что ж, заявления ATI о том, что RADEON X800 XT Platinum Edition потребляют не более 70 Ватт, полностью подтверждаются. Интересно, что основная часть потребления приходится на разъем дополнительного питания, а с AGP плата потребляет в режиме загрузки лишь около 10 Ватт.

При разгоне частота графического процессора была увеличена на 4.7%, а частота видеопамяти – на 8.7%. Энергопотребление видеокарты при этом увеличилось совсем незначительно: всего на 4.6% в простое и на 4.2% в режиме загрузки. Уровень энергопотребления в 70 Ватт не был достигнут даже при разгоне.

RADEON X800 Pro

RADEON X800 Pro отличается от RADEON X800 XT Platinum Edition пониженными тактовыми частотами и наличием всего 12 пиксельных конвейеров в ядре. Количество транзисторов в ядре – то же, что у X800 XT Platinum Edition, но часть из них не работает – отключены 4 пиксельных конвейера. Видеокарту на основе RADEON X800 Pro представляет PowerColor:

Плата ничем, кроме наклейки на кожухе системы охлаждения, не отличается от референс-видеокарт от ATI. Номинальные тактовые частоты видеокарты составляют 475/900 МГц. Разгон видеокарты не слишком порадовал, но и не разочаровал: без модификации системы охлаждения и вмешательства в схемы питания платы максимальные частоты составили 530/1180 МГц.

Результаты измерения энергопотребления:

По диаграмме видно, что если в режиме простоя энергопотребление и тепловыделение RADEON X800 Pro оказывается лишь немногим меньше, чем у старшей модели, то в режиме загрузки разница становится гораздо более существенной: без разгона RADEON X800 Pro потребляет почти на 25% меньше, а при разгоне – на 15% меньше, чем разогнанный X800 XT Platinum Edition. Такое различие – 15% и 25% – объясняется тем, что при разгоне тактовые частоты RADEON X800 Pro выросли более значительно, чем частоты X800 XT Platinum Edition.

RADEON X800 Pro и RADEON X800 XT Platinum Edition имеют одинаковый дизайн, поэтому характер потребления энергии у RADEON X800 Pro – примерно такой же, как у RADEON X800 XT Platinum Edition: основная часть потребления приходится на разъем дополнительного питания:

Увеличение энергопотребления при разгоне RADEON X800 Pro оказывается больше, чем у RADEON X800 XT Platinum Edition – оно составило 13.4% в режиме простоя и 15.1% в режиме загрузки при росте частоты ядра на 11.6%, а видеопамяти – на 31%.

RADEON X800 Pro: экстремальный разгон

Подробнее об экстремальном разгоне RADEON X800 Pro можно прочитать в статье "PowerColor RADEON X800 PRO: модификация, экстремальный разгон и сравнение с GeForce 6800 GT от Leadtek". На этот раз на видеокарту вместо стандартного кулера установлена система водяного охлаждения, на диаграмме ниже присутствуют результаты измерения энергопотребления на номинальных частотах и при номинальном напряжении питания, и при разгоне с повышением напряжения питания графического процессора.

Итак, результаты измерения энергопотребления:

При работе на максимальных частотах при экстремальном разгоне энергопотребление видеокарты увеличилось по сравнению с работой на номинальных частотах на 48.9% в режиме простоя и на 66.9% в режиме загрузки. При этом рост частоты графического процессора составил 32.6%, а видеопамяти – 31.1%.

Интересно, что при работе на номинальных частотах с водяной системой охлаждения энергопотребление видеокарты оказалось ниже, чем со стандартным кулером. Очевидно, связанное с установкой «водянки» понижение температуры графического процессора снижает энергопотребление. Объясняется это, вероятно, тем, что при понижении температуры кристалла снижаются всевозможные токи утечки и т.д. – надеюсь, специалисты в полупроводниках обратят внимание на этот момент и более подробно объяснят эти результаты в теме, посвященной обсуждению статьи. Я же могу привести диаграмму из статьи об экстремальном разгоне RADEON X800 Pro, на которой указаны температуры кристалла и «окружающей среды»:

Но вернемся к энергопотреблению. При экстремальном разгоне энергопотребление видеокарты увеличилось до 78 Ватт!

Посмотрим, как энергопотребление увеличивалось по мере роста частоты графического процессора и увеличения питающего напряжения. Обратите внимание на то, что здесь увеличивается только частота ядра, в то время как память работает на номинальной частоте. Поэтому величина энергопотребления оказывается чуть ниже, чем при совместном разгоне и ядра, и памяти.

Проследим за значением тепловыделения по мере увеличения частоты графического процессора. До частоты 535 МГц напряжение графического процессора не повышалось, а плата работала со стандартной системой охлаждения. Энергопотребление при этом росло линейно, вместе с частотой ядра.

При переходе к частотам 550 и 560 МГц напряжение питания ядра не изменялось, но была установлена система водяного охлаждения. Энергопотребление при этом сразу немного снизилось.

Для дальнейшего увеличения частоты пришлось повышать напряжение питания графического процессора, и величина энергопотребления тут же поползла вверх, причем, гораздо быстрее, чем при обычном разгоне. Однако, что примечательно, зависимость величины энергопотребления от напряжения питания оказалась не квадратичной, а линейной – примерно 3-4 Ватт на каждые дополнительные 10 МГц частоты ядра и 0.05 В его питания.

Итак, экстремальный разгон с повышением напряжения питания – лучший способ проверить свою систему на надежность. Не имея запаса прочности БП, достойной системы охлаждения видеокарты и четкой мотивации, не стоит даже начинать экспериментировать с питанием – лучше остановиться на обычном разгоне.

RADEON 9800 XT

RADEON 9800 XT – топовый графический процессор предыдущего поколения, выполненный по технологии 0.15 мкм и содержащий примерно 110 млн транзисторов. Видеокарту на базе RADEON 9800 XT представляет Sapphire:

Интересно, что, в отличие от видеокарт на базе RADEON X800, не имеющих системы охлаждения микросхем памяти, на платах, основанных на RADEON 9800 XT, память охлаждается должным образом. Основание кулера, расположенного на лицевой стороне, накрывает и ядро, и микросхемы памяти, а от чипов, расположенных на обратной стороне платы, тепло отводится посредством медной пластины:

Номинальные частоты платы составляют 412/730 МГц, при разгоне максимальные частоты составили 470/840 МГц.

Результаты измерения энергопотребления:

Что ж, по этим результатам становится очевидно, что при разработке X800 вопросам энергопотребления было уделено должное внимание – X800 Pro потребляет намного меньше, чем RADEON 9800 XT, а X800 XT Platinum Edition, при несоизмеримой производительности – лишь на три ватта больше, чем 9800 XT, и только в режиме загрузки.

Переход на более «тонкий» техпроцесс, 0.13мкм, понижение напряжения питания ядра (оно составляет 1.4В у X800 и 1.7В у RADEON 9800 XT), применение менее «прожорливой» памяти и, безусловно, усовершенствование всевозможных технологий энергосбережения – всё это вносит вклад в этот прекрасный результат. Особенно велика разница между X800 и RADEON 9800 XT в том случае, когда платы работают в режиме «простоя»: при таких условиях видеокарты на основе RADEON X800 потребляют более чем в два раза меньше.

При разгоне энергопотребление в режиме простоя повысилось на 16.3%, а в режиме загрузки – на 12.3%. При этом частота графического процессора увеличилась на 14%, а видеопамяти – на 15%.

Результаты RADEON 9800 XT в виде таблицы:

Интересно, что RADEON 9800 XT намного сильнее по сравнению с новым поколением плат от ATI нагружает AGP: в режиме загрузки суммарное потребление по линиям 3.3В, 5В и 12В, идущим через разъем AGP, достигает почти 20 Вт, в то время как у X800 – около 10 Вт.

RADEON 9800 Pro

RADEON 9800 Pro отличается от RADEON 9800 XT более низкими тактовыми частотами и вдвое меньшим объемом видеопамяти – 128 МБ против 256 МБ у RADEON 9800 XT. Видеокарту на основе RADEON 9800 Pro представляет Sapphire:

На фотографии видно, что RADEON 9800 Pro имеет более скромную систему охлаждения графического процессора, а микросхемы видеопамяти вовсе не имеют специального охлаждения.

Номинальные частоты платы составляют 380/680 МГц. При разгоне видеокарта не показала выдающихся результатов – максимальные частоты составили 440/760 МГц.

Результаты измерения энергопотребления:

RADEON 9800 Pro имеет ощутимо меньшее энергопотребление по сравнению с RADEON 9800 XT. При разгоне энергопотребление в режиме простоя повысилось на 14.9%, а в режиме загрузки – на 11.8%. При этом частота графического процессора увеличилась на 15.8%, а видеопамяти – на 11.8%.

Более подробно, в виде таблицы:

RADEON 9800 Pro еще более сильно, чем RADEON 9800 XT, нагружает AGP – суммарное потребление по линиям 3.3В, 5В и 12В в режиме загрузки достигает 23 Вт. Ток потребления по линии 3.3В в загрузке достигает 5А, что уже очень близко к пределу – 6А.

RADEON 9600 XT

RADEON 9600 XT – графический процессор среднего класса, выполненный по технологии 0.13мкм и имеющий около 70 млн транзисторов. Видеокарту на RADEON 9600 XT представляет PowerColor:

Чипы памяти расположены и на лицевой стороне платы, и на обратной стороне, но охлаждение организовано только для чипов, расположенных на лицевой стороне.

Это значит, что в действительности принудительное охлаждение видеопамяти на RADEON 9600 XT не очень-то нужно, а наличие большого кулера, накрывающего и графический процессор, и чипы памяти – лишь дань моде и желание сделать внешний вид платы более солидным.

По умолчанию плата работает на частотах 500/680 МГц – частота памяти оказалась слегка повышена по сравнению со стандартными 600 МГц. Разгон не разочаровал: частоты при разгоне составили 600/850 МГц.

Результаты измерения энергопотребления:

Более подробно, в виде таблицы:

Что ж, RADEON 9600 XT неплохо нагружает AGP по питанию, но до предельных значений тока по цепям питания – далеко, а общее энергопотребление платы по сравнению с более быстрыми платами очень невелико. Увеличение энергопотребления при разгоне в режиме простоя составило 11.1%, а в загрузке – 6.8%. При этом рост тактовых частот ядра и видеопамяти составил, соответственно, 20% и 25%.

RADEON 9600 Pro

RADEON 9600 Pro отличается от RADEON 9600 XT пониженной тактовой частотой графического процессора. Видеокарту на основе RADEON 9600 Pro представляет PowerColor:

На этой плате уже нет охлаждения памяти ни на лицевой, ни на обратной стороне – кулер охлаждает только графический процессор.

Номинальные тактовые частоты платы составляют 400/600 МГц. При разгоне плата показала средненький результат: частоты выросли до 450/740 МГц.

Результаты измерения энергопотребления:

Более подробно, в виде таблицы:

RADEON 9600 Pro имеет более низкое энергопотребление по сравнению с RADEON 9600 XT, и в этом нет ничего удивительного. При разгоне частоты графического процессора и видеопамяти увеличились на 12.5% и 26.7%, а энергопотребление в режиме простоя и при загрузке – на 5.9% и 7.4%.

Заключение

Итак, в первую очередь стоит отметить примечательный факт: новые графические платы от ATI, основанные на RADEON X800 Pro и RADEON X800 XT Platinum Edition, имеют практически такое же энергопотребление и тепловыделение в режиме «загрузки», что и топовые видеокарты предыдущего поколения. При этом производительность новых плат, конечно, несоизмерима со скоростью RADEON 9800 XT/Pro.

Таким образом, если вы имеете видеокарту класса RADEON 9800 XT/Pro и планируете приобрести плату, основанную на RADEON X800 XT/Pro, то можно с уверенностью сказать, что никаких проблем с питанием видеокарта не вызовет. Более того, благодаря значительно более низкому энергопотреблению и тепловыделению новых плат в режиме «простоя», температурный режим видеокарт в тех случаях, когда не запущены «тяжелые» 3D-приложения, будет гораздо благоприятнее.

Если же вы являетесь обладателем более слабой видеокарты и планируете приобретение платы класса RADEON 9800 или RADEON X800, то о качестве блока питания, пожалуй, стоит задуматься. «Дешевые китайские 300 Ватт» – не лучший вариант для такой системы, особенно если система основана на мощном процессоре.

Относительно RADEON 9600 XT/Pro сказать, в общем-то, и нечего: эти видеокарты по уровню энергопотребления не представляют никакой угрозы даже для самых маломощных БП, и если вы планируете приобретение такой видеокарты, то можете смело отбросить все сомнения в части ее энергопотребления.

Ждём Ваших комментариев в специально созданной ветке конференции.