Разгоняем Radeon R7 240 c памятью GDDR5: теория и практика

Оглавление

• Вступление
• Видеокарта Sapphire Radeon R7 240
• Немного о принципах работы импульсных VRM
• Разгон без модификаций VRM и системы охлаждения
• Разблокировка Oland Pro в Oland XT и «даунвольтаж»
• Разгон с модификацией VRM
• Тестовый стенд
• Методика тестирования и ПО
• Результаты тестирования
• Заключение
• За кадром

Вступление

В прошлой статье мы исследовали оверклокерский потенциал видеокарты Radeon R7 240, построенной на графическом процессоре AMD Oland. После всех модификаций ее удалось разогнать на 62% по частоте ядра – с 800 МГц до 1300 МГц.

Однако в реальных игровых приложениях прирост производительности составил всего 20-30%, причиной чего стала более медленная и устаревшая память DDR3. Пришло время узнать, на что способна Radeon R7 240 c 1 Гбайтом видеопамяти GDDR5 на борту.

Видеокарта Sapphire Radeon R7 240

Роль нового подопытного сыграла модель Sapphire Radeon R7 240. Комплект ее поставки минимален – антистатический пакет и диск с драйверами.

На печатной плате расположен уже знакомый нам графический процессор AMD Oland Pro, работающий на рекомендованных компанией AMD частотах.

В таблице ниже приведены краткие характеристики как Oland Pro, так и более продвинутого варианта Oland XT, устанавливаемого на версию Radeon R7 250.

На борту испытуемой модели распаяно четыре микросхемы памяти GDDR5, общим объемом 1 Гбайт. Память SK Hynix H5GQ2H24AFR-T2C рассчитана на рабочую частоту 5.0 ГГц, однако в данном случае работает на рекомендованных для Radeon R7 240 4.6 ГГц. Отмечу, что в продаже встречаются и экземпляры с распаянной памятью Elpida.

Система охлаждения очень компактна, основана на алюминиевом радиаторе и занимает всего один слот. Расположение отверстий для крепления кулера стандартно. С установкой альтернативных СО, таких как Accelero S1, проблем не возникает.

На нужды памяти и контроллера памяти установлено по одной фазе на контроллерах RT8120A. При беглом осмотре сразу же бросается в глаза, что видеокарта использует двухфазную систему питания графического процессора, что большая редкость для моделей Radeon R7 240. Есть все основания полагать, что дизайн печатной платы позаимствован у старшей версии – R7 250.

Преобразователь питания GPU основан на популярном контроллере APW7098. А вот конфигурация ключей достаточно нестандартная. Чаще всего производители ставят один Mosfet в верхнее плечо и два в нижнее плечо, причем транзисторы верхнего и нижнего плеча характеризуются разной маркировкой. В данном случае компоновка симметричная, по одному транзистору в каждом плече. Более того, все Mosfet одинаковые — Fairchild FDMS7692.

Для того чтобы понять, хорошо это или не очень, предлагаю немного окунуться в теорию.

Немного о принципах работы импульсных VRM

Тем, кто пропустил мою предыдущую статью и даже отдаленно не знаком с устройством импульсных VRM, рекомендую прочитать соответствующий раздел. В данном же материале мы немного углубимся в изучение этого вопроса, а для лучшего восприятия неподготовленным читателем пойдем на некоторые вольности и упрощения.

Как уже говорилось ранее, ШИМ-контроллер через драйвер (в нашем случае встроенный) попеременно открывает мосфеты верхнего и нижнего плеча с заданной частотой. Условно работу преобразователя можно разделить на два этапа: на первом открыто верхнее плечо, на втором — нижнее.

На первом этапе напряжение 12 В кратковременным импульсом через верхнее плечо подается на вход LC фильтра. Дроссель (L) обладает свойством самоиндукции. Если говорить просто — самоиндукция сопротивляется резким изменениям тока.

При открытии верхнего плеча и скачке тока на дросселе образуется электродвижущая сила (ЭДС), направленная в противоположную входному напряжению сторону. В результате такого взаимодействия на выходе катушки напряжение уже уменьшено, например до 1.15 В. Ток идет по контуру «12 В > верхнее плечо (T1) > дроссель (L) > нагрузка (Rн) > земля». Обратите внимание, что через верхнее плечо протекает относительно небольшой ток при напряжении 12 В, примерно 2.5 А при потребляемой нагрузкой мощности 30 Вт.

На втором этапе все чуть сложнее. Верхнее плечо закрыто, и самоиндукция катушки реагирует уже на убывание тока, препятствуя этому самому убыванию. Самоиндукция создает напряжение, но тока не будет, если не открыть нижнее плечо. Открыв нижний Mosfet, контроллер замыкает контур «нижнее плечо (T2) > дроссель (L) > нагрузка (Rн)> земля», по которому и протекает ток. Обращаю внимание читателя, что мощность потребления нагрузки осталась та же – в нашем теоретическом примере 30 Вт. Но ток через нижнее плечо протекает уже при напряжении 1.15 В. Делим мощность на напряжение и получаем величину тока через нижнее плечо больше 30(!) А.

Если подытожить вышесказанное, то к мосфетам верхнего и нижнего плеча выдвигаются разные требования:

• Нижнее плечо должно выдерживать большие токи, помимо этого желательно обеспечить низкое сопротивление канала сток-исток в открытом состоянии (Rds). Чем меньше Rds, тем меньше мощности и соответственно тепла выделяется на транзисторе при прохождении большого тока. Установка двух транзисторов параллельно увеличивает допустимую нагрузку по току и снижает сопротивление узла.


• Для мосфетов верхнего плеча важна скорость открытия td(on) и закрытия td(off). Существует заблуждение, что производители из экономии ставят в данный узел более дешевые транзисторы с большим Rds. На самом деле из-за особенностей полупроводникового производства не встречается универсальных мосфетов, поэтому производители жертвуют характеристикой Rds в угоду скорости срабатывания, а не цене.

Разгон без модификаций VRM и системы охлаждения

Напомню, что в данном экземпляре Radeon R7 240 во всех импульсных преобразователях установлены исключительно FDMS7692. И после изучения характеристик становится ясно, что эти мосфеты предпочтительны для установки в верхнее плечо – несмотря на высокую скорость срабатывания, у них относительно высокий Rds 13 мОм и всего 28 А допустимый ток открытого канала. При двух рабочих фазах суммарный ток нагрузки не должен превышать 56 А, что является серьезным ограничением. Для сравнения – герой предыдущей статьи оснащался с завода всего одной рабочей фазой, но с двумя SM4373NSKP, в сумме выдерживающими ток 76 А.

Чтобы выяснить разгонный потенциал экземпляра «из коробки» со всеми ограничениями VRM и системы охлаждения, было принято решение на первом этапе произвести разгон без каких-либо физических модификаций. К сожалению, на момент написания статьи у меня нет стандартных устройств замера энергопотребления, а нестандартные требуют серьезного вмешательства в конструкцию видеокарты. Поэтому в своих экспериментах я отталкивался от данных энергопотребления производителя. Верхний предел энергопотребления графического процессора – 60 Вт при напряжении 1.2 В (~50 А ток через нижние плечи) для GPU Oland XT и частоты 1050 МГц.

Для расширения пределов разгона использовалась утилита VBE7. При достижении заветных 1050 МГц при штатном напряжении 1.15 В видеокарта прогревалась до 60 градусов Цельсия при 50% оборотах кулера, температура VRM – 52°C. Все замеры проводились в условиях открытого стенда, для измерения температуры VRM применялся термометр AZ8852.

Разблокировка Oland Pro в Oland XT и «даунвольтаж»

На просторах интернета уже встречались сообщения об успешной разблокировке Radeon R7 240 в более производительную R7 250 путем простой перепрошивки rom файла старшей модели.

Перед прошивкой я отредактировал напряжение питания для режима Boost с 1.2 до 1.15 В. Это позволило несколько уменьшить энергопотребление видеокарты. Кроме того, для старшей версии производитель установил пониженные обороты системы охлаждения. И во избежание перегрева профиль работы с кулером был отредактирован через утилиту VBE7.

После всех манипуляций утилита GPU-Z показала, что эксперимент закончился успехом!

Но чтобы развеять все сомнения, необходимо зафиксировать прирост производительности в реальных приложениях – герой обзора был протестирован в Fire Strike на частоте 1050 МГц и с двумя вариантами прошивки: родной и Radeon R7 250.

Бенчмарк зарегистрировал увеличение производительности на 11%, с 1932 до 2141 баллов. Отмечу, что тестовый пакет 3DMark стал определять видеокарту как Radeon HD 8570, а не R7 240 или R7 250.

После разблокировки и настройки кулера температуры GPU и VRM если и изменились, то незначительно – на уровне погрешности измерений. Без прошивки новых параметров системы охлаждения графический процессор прогревался до 67-70 градусов Цельсия. Впрочем, как мы выяснили в теоретических выкладках, у регулятора питания GPU данной видеокарты достаточно серьезные ограничения по мощности.

С учетом вышесказанного я не стал рисковать, слишком сильно завышая частоты и напряжение для штатной конструкции – результаты и без того впечатляющие.