Обзор видеокарт MSI GeForce RTX 2070 Gaming Z, GeForce RTX 2070 Armor и GeForce RTX 2070 Armor OC: трио Turing на любой вкус

Оглавление

• Вступление
• Обзор MSI GeForce RTX 2070
• Внешний вид и размеры
• Система питания
• Печатная плата
• Система охлаждения
• Тестовый стенд
• Инструментарий и методика тестирования
• Тест MSI GeForce RTX 2070
• Исследование потенциала системы охлаждения
• Детальные данные
• Разгон
• Производительность 3DMark
• Заключение

Вступление

Доступный билет для входа в мир Turing и трассировки лучей? Как бы не так! Несмотря на прошедшее с момента анонса время, GeForce RTX 2070 по-прежнему представляет собой дорогое решение для большинства пользователей.

Что ж, не будем уходить от темы, если наша задача заключается в том, чтобы познакомить читателей с представителями нового поколения видеокарт. Компания MSI анонсировала пачку GeForce RTX 2070, в числе которых находятся герои обзора: GeForce RTX 2070 Gaming Z, GeForce RTX 2070 Armor и GeForce RTX 2070 Armor OC.

Благодаря нашим партнерам – компаниям Регард и MSI, мы изучим их подробнее. Две новинки-близняшки (версии Armor и Armor OC) построены на одной печатной плате и различаются лишь прошивкой BIOS. В отличие от них, видеокарта MSI GeForce RTX 2070 Gaming Z представляет собой усиленный вариант референсной модели и использует GPU с литерой «А».

Обзор MSI GeForce RTX 2070

Внешний вид и размеры

А – длина печатной платы, без учета системы охлаждения и планки портов видеовыходов.
В – ширина печатной платы, без учета контактов PCI-E и системы охлаждения.
С – высота от горизонтальной плоскости печатной платы до уровня верхней поверхности системы охлаждения.
D – диаметр вентилятора/ов по внешнему радиусу.

А1 – длина печатной платы, с учетом системы охлаждения (если выходит за пределы печатной платы) до планки портов видеовыходов.
В1 – ширина печатной платы, без учета контактов PCI-E, но с замером системы охлаждения (если выходит за пределы печатной платы).
С1 – высота, с учетом задней пластины (если есть)/винтов крепления радиатора до уровня верхней поверхности системы охлаждения. Если она ниже высоты задней планки портов видеовыходов, то измеряется высота до верхней точки планки.

Большинство производителей-партнеров Nvidia стараются не менять конфигурацию видеовыходов. Она состоит из трех портов DisplayPort (v1.4), одного HDMI 2.0b и одного USB Type-C.

MSI GeForce RTX 2070 Gaming Z

Заявленные для MSI GeForce RTX 2070 Gaming Z частоты: графическое ядро – 1410-1830 МГц, память – 1750 МГц.

MSI GeForce RTX 2070 Armor и MSI GeForce RTX 2070 Armor OC

Заявленные для MSI GeForce RTX 2070 Armor частоты: графическое ядро – 1410-1620 МГц, память – 1750 МГц. А частоты MSI GeForce RTX 2070 Armor OC соответственно 1410-1740 МГц и 1750 МГц.

Система питания

Стандартная логическая схема питания графических ускорителей Nvidia состоит из нескольких независимых цепей и контролирующей логики.

• Питание порта USB C – классическая схема, состоящая из фазы питания и ШИМ-контроллера, подключена к цепи балансировки (о ней позже);
• Питание PCIe (иначе называется PLL Voltage – 1.8 В), пара фаз и ШИМ-контроллер;
• Питание графического ядра, схема типичная – одна цепь питания, стоящая до Vgpu, преобразует +12 В в +5 В, а далее ШИМ-контроллер плюс энное количество фаз питания Vgpu, преобразующие +5 В в требуемое для GPU напряжение.
• Питание памяти, состоит из ШИМ-контроллера и нескольких фаз.

Контролирующая логика:

• Состоит из одного-двух контроллеров (обычно NCP45491), они отслеживают через шунты потребляемую мощность из разъемов 6-8 Pin и с линии PCI-e.
• Балансирующая логика цепей питания. Чтобы видеокарта не смогла потребить больше положенного, инженеры Nvidia ввели несколько цепей, балансирующих нагрузку. Данная логика контролирует коннекторы Pin и шину PCI-e и может перемещать нагрузку между тремя источниками. Обычно стоит пара микросхем uP9651.

Надо добавить, что в новом поколении видеокарт Nvidia запретила партнерам самостоятельно менять предельное энергопотребление, задав им четкие рамки дозволенного. Для видеокарт GeForce RTX 2070 типичное энергопотребление должно составлять 175 Вт и расширяться до 200-210 Вт в разгоне, а для GPU, помеченных буквой «А», это ограничение составляет 185-225 Вт и расширяется до 250 Вт.

К тому же нельзя размещать на печатной плате элементы, способствующие снятию защит; иными словами, официальный разгон теперь сильно ограничен. И впридачу нельзя маркировать измерительные площадки точными надписями (Vgpu, Vmem и тому подобными). Поэтому пусть у ряда партнеров и предусмотрены площадки, но вместо названий там присутствуют странные буквосочетания. А снятие защит формально есть, но без пояснений, какие цепи стоит замыкать или размыкать.

О снятии ограничений

Самый простой способ – это обмануть контролирующую логику. И поскольку замер производится через шунты, то решение достаточно простое и изящное. Мы не трогаем линию питания PCI-e. Изменения лучше производить на шунтах 5 мОм.

Но изменение сопротивления в меньшую сторону быстро отслеживается видеокартой, и она уходит в режим защиты. Как видеокарта отслеживает потребление? Ток проходит с коннекторов 6-8 Pin через шунты, через потребителей на землю. Обычно на моделях устанавливают шунты сопротивлением 5 мОм. Например, проходящий через шунт ток 12 В и 10 А говорит нам о потреблении 120 Вт. Падение напряжения на шунте составит 12 В -> 11.950 В, то есть 0.05 В. Микросхемы NCP45491 отслеживают падение напряжения на шунтах, зная их номинал, и понимают, что через видеокарту прошло 10 А при напряжении 12 В (или, проще говоря, видеокарта потребила 120 Вт).

Как всегда, у используемых шунтов есть четыре точки касания с PCB (с обратной стороны это легче заметить). С одной стороны ток уходит на +VRM и на ножку Lo Voltage NCP45491, а с другой на +12 В от слота PCIe или коннектор 6-8 Pin и на ножку Hi Voltage NCP45491. Нужно соединить контакт +VRM и +12. Между Lo Voltage NCP45491 и Hi Voltage NCP45491 собрать схему, в которой на +12 В через резистор и «на землю» через резистор будет уходить ток. И вместо падения в 50 мВ мы получим всего 3 мВ. При этом NCP45491 будет думать, что видеокарта потребляет всего 12 Вт с линии. Шунты, конечно, нужно будет снять.

Печатная плата

На всех трех видеокартах MSI используется единая печатная плата – V 373 ver 2.0. Отличия кроятся в деталях и количестве распаянных элементов.

MSI GeForce RTX 2070 Gaming Z

От референсного дизайна тут не осталось и следа. Увеличена высота видеокарты, добавлены фазы питания GPU и памяти, задействовано два разъема питания.

Питается видеокарта через пару разъемов (8 + 6 pin), перевернутых относительно оси. Защелка располагается с обратной стороны. Обычно это вызывает некоторое неудобство, но разработчики MSI подумали над этим заранее и высвободили место рядом с разъемом. Причем внимание уделено не только с фронтальной стороны, где располагается радиатор, но и с тыльной, там стоит декоративная пластина.

Установлены предохранители по двум из трех цепей входного напряжения. Рядом расположены шунты замера энергопотребления. Третий шунт размещен рядом с разъемами для вентиляторов.

Печатная плата собственной разработки инженеров компании. Увы, индикации наличия подключенного кабеля питания нет, разъемов для измерения напряжений – тоже.

Зато есть подсветка в двух местах: это логотип MSI с торца и на кожухе радиатора. Управление реализовано отдельной утилитой и настраивается независимо друг от друга. Вся подсветка построена на RGB-светодиодах.

Для питания памяти используется две фазы с ШИМ-контроллером uP 1666Q. Это относительно простой контроллер, и он обладает целым списком достоинств: поддерживает стандарт Nvidia Open VReg Type-2B PWMVID, работает в широком диапазоне входных напряжений 3-20 В, в него интегрировано два мосфет-драйвера и куча защит (Over Voltage, Under Voltage, Over Temperature).

К сожалению, найти данные по мосфетам не удалось. Данный ШИМ-контроллер для задания напряжения на память использует простые резисторы.

Графический процессор обслуживает система из восьми фаз (референсная система питания на GeForce RTX 2070 состоит из шести фаз). Вот здесь надо бы остановиться и уточнить, поскольку многие производители часто экономят на питании памяти за счет установки более простых дросселей, мосфетов и прочего.

В компании MSI уделили максимум внимания качеству питания и при этом не стали злоупотреблять количеством фаз.

Управляет фазами GPU ШИМ-контроллер uP9512R (референсное решение), и загружен он на сто процентов, ведь все фазы подсоединены без удвоителей непосредственно к нему.

Технические характеристики контроллера следующие: Nvidia’s Open VReg Type 4i+ PWMVID, интерфейс SMBus, программируемые защиты, передача данных по каждой фазе, динамическое включение и отключение фаз, частота работы 2 МГц, поканальное ограничение силы тока, общий лимит энергопотребления, защита от нехватки и сверх напряжения, температурная защита.

К сожалению, доступ по протоколу SMBus напрямую к ШИМ-контроллеру закрыт, поскольку это мониторится системами защиты Nvidia, которые получили как аппаратные решения, так и программные.

Первичная защита скрыта за шунтами и контролирующей логикой (кстати, на видеокартах нет балансирующих цепей, что предусмотрено спецификациями Nvidia). Вторичная защита вшита в образ BIOS. И, наконец, третья ступень – это управление питанием через драйвер Nvidia, потому как GPU общается с ШИМ-контроллером через него.

Таким образом обойти лимит TDP можно, только наколов все три ступени, а как это сделать – описано выше.

Графическое ядро TU106 Turing (площадью 445 мм², 10.8 млрд транзисторов) очень крупное для видеокарт среднего класса. Вы не ошиблись, в Nvidia считают GeForce RTX 2070 хоть и представителем линейки RTX, но начальным.

Все микросхемы памяти GDDR6 размещены на лицевой стороне платы. Их восемь штук и рассчитаны они на частоту 1750 МГц.

Образы BIOS:

• MSI GeForce RTX 2070 Gaming Z (msi_rtx2070_gamingZ.rom).

На видеокарте стоит графическое ядро TU106-400А-А1. Допускается прошивка BIOS только для такого же типа GPU.

MSI GeForce RTX 2070 Armor и MSI GeForce RTX 2070 Armor OC

Судя по снимкам, печатная плата у всех трех моделей действительно общая – V 373 ver 2.0. Но у версий MSI GeForce RTX 2070 Armor и GeForce RTX 2070 Armor OC отличие кроется в меньшем числе фаз питания графического ядра.

Для питания памяти используются две фазы с ШИМ-контроллером uP 1666Q. Это относительно простой контроллер, и он обладает целым списком достоинств: поддерживает стандарт Nvidia Open VReg Type-2B PWMVID, работает в широком диапазоне входных напряжений 3-20 В, в него интегрировано два мосфет-драйвера и куча защит (Over Voltage, Under Voltage, Over Temperature).

К сожалению, найти данные по мосфетам не удалось. Данный ШИМ-контроллер использует для задания напряжения на память простые резисторы.

GPU обслуживает система из шести фаз (эталонная система питания на GeForce RTX 2070 состоит из шести фаз). Если в видеокартах GeForce RTX 2070 FE стоят Dr. MOS микросхемы NCP310255, то разработчики MSI немного упростили схемотехнику, заменив их на классическую комбинацию из пары мосфетов и 5-вольтового драйвера (uP19655V). Однако мосфеты не такие простые, как кажутся на первый взгляд. ON Semiconductor / Fairchild FDPC5018SG это двухканальные мосфеты, то есть внутри у каждой микросхемы встроено два канала! И каждая фаза представляет собой некую интерпретацию параллельной фазы. Можно считать, что на плате стоит не шесть фаз, а двенадцать параллельных.

Максимальные токи у мосфетов не заоблачные, но всю сборку можно записать в класс среднебюджетной категории. Странным кажется сам выбор мосфетов, ведь они все же высоковольтные, и все характеристики на сайте производителя даются до напряжения под 30 В.

Управляет фазами GPU ШИМ-контроллер uP9512R (референсное решение). Все фазы подсоединены непосредственно к нему через драйвера uP19655V. Технические характеристики контроллера следующие: Nvidia’s Open VReg Type 4i+ PWMVID, интерфейс SMBus, программируемые защиты, передача данных по каждой фазе, динамическое включение и отключение фаз, частота работы 2 МГц, поканальное ограничение силы тока, общий лимит энергопотребления, защита от нехватки и сверх напряжения, температурная защита.

К сожалению, доступ по протоколу SMBus напрямую к ШИМ-контроллеру закрыт, так как это мониторится системами защиты Nvidia, которые получили как аппаратные решения, так и программные.

Как уже упоминалось, первичная защита скрыта за шунтами и контролирующей логикой (кстати, на видеокартах нет балансирующих цепей, что предусмотрено спецификациями Nvidia). Вторичная защита вшита в образ BIOS, а третья ступень – это управление питанием через драйвер Nvidia, потому как GPU общается с ШИМ-контроллером через него. В итоге обойти лимит TDP можно, но сложно.

Питаются видеокарты через пару разъемов (8 + 6 pin), перевернутых относительно оси. Защелка располагается с обратной стороны.

Графическое ядро TU106 Turing площадью 445 мм² содержит 10.8 млрд транзисторов. Все микросхемы памяти GDDR6 размещены на лицевой стороне платы. В сумме их восемь штук и рассчитаны они на частоту 1750 МГц.

Образы BIOS:

• MSI RTX 2070 Armor (msi_rtx2070_armor.rom);
• MSI RTX 2070 Armor OC (msi_rtx2070_armor_oc.rom).

На обеих видеокартах стоит графическое ядро TU106-400-А1. Допускается прошивка BIOS только для такого же типа GPU. MSI RTX 2070 Armor OC можно прошивать BIOS от MSI RTX 2070 Armor и наоборот с помощью версии программы, исключающей проверку печатной платы.

Впрочем, делать это бессмысленно, если только не пытаться увеличить рабочие частоты на MSI RTX 2070 Armor, вшив BIOS от MSI RTX 2070 Armor ОС.