产品技术知识培训课件显卡篇之3设计与用料.ppt

产品技术知识培训课件,显卡篇之显卡的设计与用料,目录,前言,显卡由PCB板、显示芯片、显存、电容、MOS管、电感、电阻、PWM芯片、BIOS芯片组成。一款显卡的性能主要取决于显示芯片和显存，显示芯片和显存规格可以从显卡型号得知，所以很容易得知某款显卡的基本效能。显卡的超频性能则取决于整体做工，主要是芯片体质、供电设计、PCB层数。而我们将显卡的供电设计，用料笼统的称为显卡的做工。显卡做工对于显卡也是非常重点的指标，正所谓观一域而能观全局，今天我们就从显卡的做工方面分析显卡的优劣。,显卡供电设计,显卡供电设计优劣直接影响到显卡的稳定性，可是看到这么多显卡上都布满了密密麻麻的元件，究竟谁的供电设计更优秀呢？首先供电模块是由电容、电感和MOS管构成。其中MOS管主要起保护电路的作用，品质大多相同。而电感分为全封闭、半封闭、和裸露电感，其抗干扰性是不同的，封闭式自然最好，同样因为成本不高渐渐各品牌的电感区别也不大。,显卡供电设计电感,电感是显卡常用的电子元件，一般在显卡供电部分中，配合电容、MOS管等使用。电感一般不会为用户注意，也没有品牌方面的考量，但是它经常裸露在外，容易受到灰尘和潮湿的考验。,虽然很多人在购买显卡的时候不会去注意电感，但是使用不同的电感也决定了显卡的使用寿命。如果使用图三中的电感，那么由于长期使用或者显卡所处的环境恶劣，这样很容易导致电感上面有积灰或者潮湿，从而导致显卡的损坏。如果采用图一中的全封闭式电感，就可以避免这些问题。而且像下图所示，用一条粗的线圈比用三条细的线圈的效果明显要好。,显卡供电设计电容,1.什么叫电容？,电容就是两块导体中间夹着一块绝缘体构成的电子元件。电容是电子设备中最基础也是最重要的元件之一。电容的产量占全球电子元器件产品（其它的还有电阻、电感等）中的40%以上。基本上所有的电子设备，小到闪盘、数码相机，大到航天飞机、火箭中都可以见到它的身影。作为一种最基本的电子元器件，电容对于电子设备来说就象食品对于人一样不可缺少。,2.电容的用途,1隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。2旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。3耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。4滤波：这个对板电脑配件而言很重要，显卡上的电容基本都是这个作用。5温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。6计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。7调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。8整流：在预定的时间开或者关闭半导体开关元件。9储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯、加热设备、UPS等等。,显卡供电设计电容,3.电容的分类,这个图主要列举了一些在板卡设备上最常见的电容类型，通过这个直观的树型表可以对电容的分类、命名方式有一个直观的认识。,显卡供电设计电容,由于在显卡中使用的都是电解电容，在这里，我们主要讨论一下电解电容的性能特点。,电解电容的特点：单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。额定的容量可以做到非常大，大型电解电容可以做到几万f甚至几f（但不能和多电层电容相比）。价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。,一般来说，按照传统的分类方式，电解电容的分类都是按阳极的材质分，比如铝、钽、铌等金属，其中铌电容很少见，板卡上最常用的还是铝电容和钽电容。但是，决定电解电容性能的关键并不在于阳极，而在于电解质，也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可以组合成不同种类的电解电容，其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于电解质的不同，性能可以差距很大，总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。如下图两种电容，由于采用的阴极不同，所以性能上会有一定的差别。,显卡供电设计电容,现在，在显卡上使用比较普遍的电容一般是液态电容，钽电容和固态电容。这里主要是对它们进行讨论。,液态电容（铝电解液电容）:使用电解液做阴极有不少好处。首先在于液体与介质的接触面积较大，这样对提升电容量有帮助（动辄1500f）。其次是使用电解液耐高温能力不错，可使用SMT工艺，同时耐压性也比较强。此外，使用电解液做阴极的电解电容，当介质被击穿之后，只要击穿电流不持续，那么电容能够自愈（金属氧化物可以自动生成）。,但电解液电容也有其不足之处。首先是在高温环境下容易挥发、渗漏，对寿命和稳定性影响很大，在高温高压下电解液还有可能瞬间汽化，体积增大引起爆炸（就是我们常说的爆浆）；其次是电解液所采用的离子导电法其导电率很低，只有0.01S/CM（电导率，欧姆的倒数），这造成电容的ESR值（等效串联电阻，阻抗）特别高。,显卡供电设计电容,二氧化锰（钽-二氧化锰电解电容）:二氧化锰通常是钽电容所使用的阴极材料，所以那些黑条或者黄豆状钽电容的正式名称是“钽-二氧化锰电解电容”，它不存在电解液，当然属于“固态”电容。固体二氧化锰的传导方式为电子导电，导电率是电解液离子导电的十倍（0.1S/CM），所以ESR比电解液低。一般来说钽-二氧化锰电解电容比铝电解液电容好得多，同时固体电解质也没有泄露或爆浆的危险。此外二氧化锰的耐高温特性也比较好，能耐的瞬间温度在500度左右。,二氧化锰的缺点在于在极性接反的情况下容易产生高温，在高温环境下释放出氧气，同时五氧化二钽介质层发生晶质变化，变脆产生裂缝，氧气沿着裂缝和钽粉混合发生剧烈爆炸！另外二氧化锰阴极材料的价格也比较贵。传统上认为钽电容比铝电容性能好主要是由于钽加上二氧化锰阴极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为二氧化锰，那么它的性能其实也能提升不少。钽-二氧化锰电解电容按照特性来说，其应用方式介于陶瓷电容和直立电容之间，因为它的体积只是略大于陶瓷电容，但容量却要大很多几乎快赶上直立铝电解电容了，因此在一些必须使用大电容、但却体积有限的地方，一般都会使用钽电容。比如板卡PCB背面、散热器下面都不允许使用直立电容，而钽电容则正好合适。,显卡供电设计电容,固体聚合物导体（铝-固体聚合物导体电容）:2000年，两位美国科学家和一位日本科学家因为发明了大规模制造PPY聚吡咯膜的方法，从而分享了当年的诺贝尔化学奖。电容阴极只是聚吡咯很小的一个应用领域，但它却让电解电容的性能得到再次飞跃式提升！使用PPY（聚吡咯）和PEDT（聚3,4-乙烯二氧噻吩）做为阴极材料的电容，叫做固体聚合物导体电容。其电导率可以达到100S/CM，这是TCNQ盐的100倍、二氧化锰的1000倍、电解液的10000倍！而且固体聚合物导体没有污染，可以忍耐300度以上的高温，因此可以使用SMT贴片工艺安装，也适合大规模生产。,固体聚合物导体电容的安全性较好，当遇到高温的时候，电解质只是熔化而不会产生爆炸，因此它不像普通铝电解液电容那样开有防爆槽（三洋有一种CVEX电容，阴极为固体聚合物导体加电解液的混合型，因此也有防爆槽）。固体聚合物导体电容的缺陷在于其成本昂贵，同时耐电压性能不强。,显卡供电设计电容,经常有文章介绍产品时会指出，某某显卡全部使用了高档的贴片电容、豪华供电、做工一流，而中低端显卡则大量使用普通的直插电容。那么贴片电容和插件电容的区别是什么呢？其实贴片和插件的根本区别在于安装工艺，无论是插件式还是贴片式的安装工艺，电容本身都是直立于PCB的，根本的区别方式是SMT（SurfaceMountTechnology，表面贴装技术，俗称贴片工艺）安装的电容，有黑色的橡胶底座：,贴片电容为什么要安装橡胶底座呢？因为这样表面焊接的电容引脚和PCB结合会更加稳固。另外，从SMT的字面意思就可以理解，表面焊接的焊点在PCB正面，引脚不会穿透PCB；而插件电容的引脚要穿透PCB，焊点在PCB的背面。,显卡供电设计电容,贴片和插件的优缺点,通过前面的介绍大家可以很容易了解到，插件的优势就是设备要求不高，人力成本低；而贴片的优势就是全自动化流水线作业，产能高、精度高，而且采用贴片电容，在运输途中不像插件式那样容易受损。,但两者都有局限性：插件电容的引脚要穿透PCB，而一些多层PCB集成度特别高，可能PCB背面也要安装一些贴片元件，而且考虑到干扰问题，一般8层以上的PCB很少使用插件电容（比如NV/ATI的256Bit公版卡），所以必须使用贴片电容。而贴片的局限性就在于温度，贴片工艺需要经过波峰焊接处理，一些电容经过高温之后可能会影响性能，尤其是阴极采用电解液的电容，经过高温后电解液可能会干枯。所以，廉价的液态电容不可能使用贴片安装，部分特殊材料的固态电容也只能使用插件安装（比如紫皮的三洋OSCON有机半导体电容）。因此可以这么说，贴片电容大都是高档电容，因为贴片电容耐高温能力必然强，而且使用贴片工艺生产的大多是中高端显卡；但插件电容不一定是低档货，像三洋、日本化工这些知名的顶级电容制造厂，相同类型的电容会同时生产贴片和插件两个版本，这是考虑到不同工厂设备的需要。,显卡供电设计电容,防爆纹的作用,很多电容顶部有个“K”或者“X”字样的凹槽，而有些电容却没有，这种纹路是故意留下用来防止电容爆炸的。铝电解液电容（即最常见的液态电容）的电解质为有机溶剂或者弱酸盐，这就注定了其耐高温能力不强，如果电容长期工作在较高温度下，溶液很容易挥发、渗漏，高压情况下甚至可能会瞬间气化，由此导致内部体积膨胀引起爆炸！电解液电容因为工作环境和寿命的关系，很多时候爆炸是不可避免的。给电容顶部开了凹槽之后，一旦出现意外情况，电解液气化时必然从最薄弱的环节顶部凹槽冲出，而不会将外壳炸得四分五裂，这就避免了爆炸时殃及池鱼、炸坏电容附近其它元件的情况。这种情况被称为电容“爆浆”而不是爆炸，维修时只要更换电容就可以了，简单方便。,固态电容也可能爆炸：理论上来说，固态电容是不会爆浆的，但如果极性被接反的话任何电容都会烧毁的，固态电容也不例外！比如阳极钽阴极二氧化锰电容极性接反就会爆炸，而阳极钽阴极铝电容只是会烧毁，要安全很多，因此二氧化锰电容现在已经很少见了。有些商家宣传的时候，会用所谓的“包皮电容”和“铝壳电容”主要是描述电容的外观，但是，使用什么样的封装方式，对于电容的性能几乎没有任何影响！所有的直立式铝电解电容都是铝壳电容，只不过有一部分电容的外面包了一层PVC薄膜，因此被一些人称为“包皮电容”。铝电解液电容需要开防爆纹，没必要使用高档铝壳，“包皮电容”这样的封装成本会低一些。而固体电容无须防爆纹，而且价格昂贵，所以高端固体电容一般都会使用漂亮的铝壳封装，但也有些固体电容比如富士通和三洋有机半导体使用了传统的封装。,显卡供电设计电容,前面对板卡常见的电容种类以及特性作了详细的介绍，接下来就具体到每个电容厂商的常见电容型号，方便大家认识这些电容。由于传统的铝电解液电容种类、规格非常多，无法一一介绍，这里就主要列举目前最流行的固态电容。,Sanyo三洋紫色包皮或铝壳,三洋的电容种类和产量是最多的，在新型电容的方面的研发制造技术也是名列前茅，单一从性能上看，也许最好的电容不是三洋的，但是从生产规模，产量，品控能力，研发水准上来看，三洋的综合能力却是同行业中最强的。常见的大部分三洋电容都属于OSCON系列，该系列电容就是低ESR值的有机半导体和固体聚合物电容的统称，综合性能远胜铝电解液电容。板卡上常见的三洋固体电容有以下三类：SP系列：插件式，铝-有机半导体电解电容；SEPC系列：插件式，铝-固体聚合物电解电容；SVP系列：贴片式，铝-固体聚合物电解电容。和SEPC的主要区别就是插件和贴片。,显卡供电设计电容,NipponChemiCon（NCC）日本化工蓝色铝壳,NCC公司的发展史几乎就是电解电容的发展史，铝电解液电容之王非NCC莫属，其出货量远高于三洋和富士通。旗下最新的PS系列固体聚合物电容对应于三洋的SVP和SP系列，同属顶级固体电容，很多板卡厂商喜欢将三洋和日化的电容搭配使用。PS系列：插件式，铝-固体聚合物电解电容，识别方法：蓝色铝壳，普通PS系列有PS字样，低ESR的型号没有PS字样，只有A/C等字母。,紫色为三洋，蓝色为日化,PX系列：贴片式，铝-固体聚合物电解电容。,显卡供电设计电容,Fujitsu富士通黄色包皮或红色铝壳,富士通电容并不像三洋和日化那么常见，ASUS高端主板几乎全部武装高端红色铝壳状的富士通固体聚合物电容。黄色包皮状是富士通早期的产品，各项指标很普通，价格也是最便宜的说固体聚合物电容没错，但说是军工级纯粹就是忽悠人了。富士通的高端固体电容拥有令三洋和日化汗颜的超低ESR值（仅5m），而且价格相对便宜，但综合参数指标稍逊一筹。,Nichicon（蓝宝石）黑色铝壳,Nichicon也是全球一线电容大厂，在大容量铝电解电容方面具有很强的技术实力，而且收购了松下钽电容部门，产品线极为丰富。早先的铝电解液电容得到了板卡厂商的大量采用，但它的固态电容ESR值过高，因此未能得到大量使用，如今市场已被三洋、日化等瓜分，因此Nichicon很难有所作为。,显卡设计PCB,PCB是PrintedCircuitBoard的英文简称，翻译过来就是印刷线路板的意思，其主要功能是提供电子元器件之间的相互连接。PCB本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线或布线，并用来提供PCB上零件的电路连接。由于目前的电子行业工艺越发复杂、元件集成度越来越高，所以对PCB的层数要求与日俱增。尤其是显卡，由于高中低端显卡的划分泾渭分明，英此PCB板几乎囊括了所有规格：4层、6层、8层、10层、12层、14层。经常会有人提到，公版或者非公版。其实，这是针对显卡的PCB板设计来说的。公版产品：是按照芯片厂家提供的一套完整的芯片、PCB、供电用料等设计方案而进行生产的。公版存在的最大的问题就是在市售产品的千篇一律，并且普遍来说超频性能偏低、散热一般、功能简单。非公版产品：是厂商只使用芯片厂商的GPU，根据自己产品的需要，对公版PCB进行优化，重新设计，以达到增加功能、提升频率、强化电路等优于公版产品的目的，又或者为了达到缩减PCB层数、PCB大小、供电元件、降低频率等提高性价比的目的。,公版卡的优势做工用料完全不用担心，性能稳定性都经过严格测试，值得信赖;公版不一定是最强的，但很可能是成本最高的，PCB层数、用料都非常奢华;公版卡上市速度最快，如果您喜欢追新的话，那么可能只有公版这一种选择;NV/ATI高端显卡不会轻易开放生产权限，只有公版卡。,公版卡的劣势板型千篇一律，不同厂家的产品基本完全相同，没有特色、同质化严重;公版散热器效能勉强，温度/噪音表现不好(公版PCB+非公版散热器除外);公版用料奢华，成本居高不下，而且NV/ATI往往对公版卡限价，简单来说就是贵;公版卡由NV/ATI总部设计，往往采用了高端电感/电容/MOS。,显卡设计PCB,有的客户在选购显卡的时候可能会注重看显卡使用的PCB板是多少，认为越多显卡的性能越好。那到底是不是这样呢？让我们看看一下。市场上显卡一般低端是8400、3450；稍好一点的则是9600、3850等。一般像3450这样的低端显卡，由于显存不多，而且频率也有限，所以对供电的要求并不高；而像9600或者是3850甚至是更高型号的显卡，因为显存容量大，显卡工作频率高，所以对供电的需求也更高有些，这样可能根据不同的显存大小和频率，一般会有8层甚至是10层PCB。通过上面的分析就可以了解到，PCB设计成多少层完全是由线路复杂程度决定的，如果4层板无法排布密密麻麻的走线，那么就必须多开几层，使用6层板，此时6层板就给研发人员提供了广阔的空间，从而能够合理的细分数据线路，最大限度的降低信号串扰。如果6层板已经足够用了，那么使用8层板就是一种浪费。PCB层数越多，可容纳的线路也越多，但不同层PCB板的交迭，加深了线路设计的难度。如不小心弄巧成拙，可能会发生8层板与6层板的功能/性能完全一样，却徒增不少成本。当然成本倒还是其次，关键更多层的PCB在沾合时对精度要求更高，而且线路损耗增大，实际上数据线在各层之间绕来绕去反而不利于信号传输。因此，通常大家说多层PCB能够降低干扰、提高稳定性，其实也是相对而言的，要具体问题具体分析。PCB层数多少跟性能好坏、做工优劣并无直接关系。,公版9600GT供电部分空空荡荡，使用10层的PCB是浪费,显卡设计PCB,理论上，PCB是多少层可以数出来的，因为PCB实际上就是绝缘层和线路层粘合压制而成的，但是6层以上的PCB粘合非常严密，肉眼基本无法分辨率，除非借助高倍放大镜或者显微镜。既然肉眼无法分辨，就只能通过经验或者表象来“估算”了，公版PCB的层数是固定的，有些非公版只是在公版的基础上进行了小幅改进（大多针对供电模块），如果看上去比较相似的话，其层数必然和公版完全相同。,如何判断显卡PCB的优劣?一款PCB需要经过各种各样非常严格的测试才能得出其性能和稳定性的表现，很难通过外观辨别其优劣。但是对于普通用户来说，可以通过其外观来鉴别：1)、边角上是否有毛刺：优质PCB横断面非常光滑，绝对看不出绝缘层，只在特殊位置(一般在接口金手指附近)留茬口;2)、PCB板韧性：优质PCB的各层之间粘合非常紧密，相对来说不易弯曲，这个只有拿两块PCB做对比才能感觉出来;3)、供电模块的位置：一般公版显卡将供电设计在远离接口的位置，而且元件排列整齐划一，这样可以有效降低干扰;4)、终结电阻的数量：为了防止数据线终端反射信号，GPU和显存周围都会安置密密麻麻的小电阻，这些电阻即使省掉可能也不影响使用，但对长期运行会造成隐患，稳定性大打折扣;5)、焊点是否良好；6)、观察板面是否平整、均匀。,显卡散热设计,由于显卡核心与显存的工作频率的不断攀升，显卡芯片的发热量也在迅速提升。显示芯片的晶体管数量已经达到，甚至超过了CPU内的数量，如此高的集成度必然带来了发热量的增加，为了解决这些问题，显卡都会采用必要的散热方式。一般显卡的散热装置分为两种，一种是主动式散热，另一种是被动式散热。工作频率较低的显卡采用的都是被动式散热，这种散热方式只在图形芯片上安装散热片即可，并不需要散热风扇。主动式散热除了在图形芯片上安装散热片之外，还安装了散热风扇，目前一般工作频率较高的显卡都需要这种主动式散热。,显卡被动散热设计,显卡使用被动散热的优势就是成本低，而且使用的时候安静。散热片设计是我们最常见应用最为广泛的被动散热器，它采用了有着热传递系数极高的散热材质设计，通过精密的切割技术，将散热材质切割成鳍片状，这种做法进一步扩大散热片与空气的接触面积，提高散热的效率。通常散热鳍片的数量越多，散热的效能也会越好。这种类型的被动散热器，被广泛应用到入门级或中低端显卡中。,早期也有显卡使用热管和散热片同时使用，是显卡达到更好的散热效果。热管具有极高的导热性、良好的等温性，冷热两侧的传热面积可任意改变，可远距离传热、可控制温度等优点，诞生早期主要应用于宇航、军工等行业，后来在冶金、化工、交通、机械以及电子技术等行业都有了广泛应用。现在，热管已经成为市面上一些高端PC散热的主流配置部件，相比于传统金属散热器，热管散热器具备低噪声、高效能的技术优势，随着技术不断成熟和大规模的生产应用，热导管的价格也越来越容易接受。现在七彩虹的很多高端显卡都使用热管和风扇同时使用的散热方式，从而提高显卡散热。,显卡散热设计,显卡主动散热设计,为了更好的给显卡散热，厂家们设计了很多的主动散热方案，主动散热主要采用风冷，少数高端产品也有用液冷的方案，这就是我们在显卡上看到的厚厚的散热片和风扇了。影响风冷设备的效果主要有风道设计，轴承与转速，散热片设计等几个方面的因素。而常见的风冷方案，散热风扇的类型按照风道设计，有直吹风扇和涡轮风扇之分。常见的直吹式散热设计有以下几种：,压固式,铝挤式,热管类,插齿类,风道设计方面，涡轮风扇比直吹风扇更有优势，涡轮风扇有比较强的抽风和送风能力，它可以从机箱外抽取机箱外的冷空气送入风扇风道内，从涡轮风扇风道的出风口压出，直吹供电电路。但是直吹方式的风扇也可以做的不错，像上面的热管双风扇的散热器，核心温度下降的同时，也可以给整个显卡表面散热，不过利用的空气都是机箱内的热空气，效果自然比不上抽取机箱外的空气的效果了。不过涡轮风扇一般造型比较奇特，价格都比较贵，很多厂家利用涡轮风扇的设计思路，改良了直吹式的风扇，得到界乎涡轮风扇和直吹风扇之间的一种风扇类型。,涡轮式,显卡散热设计,上面我们也说过，除了风道以外，风扇的轴承，散热器的设计和材料