oldi

Модные тенденции на рынке системных плат

Сергей Пахомов

Мода на слоты и контроллеры

Мода на миниатюризацию

Мода на многофазные регуляторы напряжения питания процессора

Мода на фирменные утилиты и технологии

 

С каждым годом производителей системных плат, чью продукцию можно увидеть на прилавках компьютерных салонов, становится всё меньше. Если говорить о российском рынке, то основных игроков здесь осталось всего трое: ASUS, Gigаbyte и MSI. Это, конечно, не означает, что системные платы других производителей вообще не встречаются. В продаже имеются платы и таких компаний, как ECS, AsRock, Intel, Biostar и даже Foxconn, однако их доля на российском ритейловом рынке (без учета канальных поставок) существенно ниже. И в условиях, когда спрос на системные платы для настольных ПК продолжает постоянно снижаться, конкурентная борьба ведущих производителей за покупателя только обостряется.

Собственно, снижение спроса на такую продукцию, как материнские платы для ПК, вызвано отнюдь не экономическим кризисом. Дело в том, что, несмотря на все их преимущества, настольные компьютеры выходят из моды. Сейчас стало модно покупать ноутбуки даже в ущерб производительности и функциональности. И доля продаваемых ноутбуков с каждым годом всё увеличивается, а доля настольных ПК соответственно уменьшается. Собственно, сейчас настольные ПК ориентированы в основном на корпоративный сегмент рынка, где ноутбуки еще не получили столь широкого распространения, как в сегменте домашних компьютеров. Если же говорить именно о домашних пользователях, то настольными компьютерами среди них пользуются в основном те, кто понимает все преимущества стационарного компьютера перед ноутбуком. Эти пользователи не покупают готовых решений (тем более что отечественные сборщики ПК ничего толкового и не предлагают), а собирают свои компьютеры самостоятельно. А потому один из главных трендов развития материнских плат заключается в том, что в ритейловом сегменте рынка материнских плат доля топовых моделей плат, ориентированных на пользователей, собирающих компьютеры самостоятельно, постепенно возрастает. Этот тренд наметился уже давно. Понятно, что со временем ниша универсальных домашних компьютеров будет заполнена ноутбуками, а настольные ПК будут использоваться лишь как высокопроизводительные рабочие станции или игровые ПК. Но для таких компьютеров нужны не только производительные процессоры и видеокарты, но и соответствующие им по статусу материнские платы.

Итак, давайте посмотрим, на какие ухищрения идут производители материнских плат, чтобы доказать конкурентное преимущество своих решений.

Мода на слоты и контроллеры

Так уж повелось, что на топовых вариантах материнских платах производители стараются интегрировать как можно больше разнообразных контроллеров и слотов, чтобы даже внешне плата выглядела «круто». На таких платах обычно присутствуют три слота PCI Express x16, несколько слотов PCI Express x1 или PCI Express x4, а также обычные слоты PCI 2.2. Кроме того, на топовых платах производители реализуют 10-12 портов SATA II. Ну и, естественно, имеются разнообразные интегрированные контроллеры на все случаи жизни. Это и контроллер интерфейса FireWire, и звуковой кодек, и сетевой контроллер (причем нередко на плате интегрированы сразу два сетевых контроллера).

Действительно, интегрировать на плату как можно больше разнообразных контроллеров нынче модно, однако производителям для этого иногда приходится идти на уловки, которые могут ввести пользователя в заблуждение. Рассмотрим, к примеру, платы на чипсете Intel P55 Express, которые, на наш взгляд, будут очень популярны у пользователей в 2010 году. Если на такой плате реализованы три интерфейса PCI Express x16, то нужно отдавать себе отчет, что один из этих слотов работает на скорости x4 (это слот, выполненный в формфакторе PCI Express x16, но работающий на скорости x4), а при одновременном использовании двух других слотов они будут работать на скорости x8. Казалось бы, зачем огород городить и делать третий слот в формате PCI Express x16, если он все равно работает на скорости x4?

Дело тут вот в чем. Слоты PCI Express x16 предназначены для установки дискретных графических карт, и именно формат PCI Express x16 является признаком того, что в этот слот нужно устанавливать видеокарту. Первые два слота предназначены для установки двух видеокарт, которые объединяются в режиме NVIDIA SLI или ATI CrossFire. Собственно, наличие двух слотов PCI Express x16 на топовых моделях материнских плат вполне логично. Ведь топовые модели часто применяются для создания игровых ПК, для которых возможность использования режима NVIDIA SLI или ATI CrossFire стала стандартом де-факто, отличительным признаком игрового компьютера.

Отметим, что на платах на базе чипсета Intel P55 Express, которые совместимы только с процессорами семейств Core i7 и Core i5 (кодовое наименование этих процессоров — Lynnfield), два слота PCI Express x16 реализованы через 16 линий PCI Express v.2.0, поддерживаемых процессором Lynnfield (контроллер PCI Express v.2.0 на 16 линий интегрирован непосредственно в процессор Lynnfield). Именно поэтому два слота PCI Express x16, реализованные на платах на базе чипсета Intel P55 Express, могут работать только в режиме х8+х8 (если используются одновременно оба слота) или в режиме х16 (если применяется только один слот).

Конечно, поддержка режимов NVIDIA SLI и ATI CrossFire вовсе не означает, что в любом игровом ПК непременно должны использоваться именно две видеокарты. Даже среди заядлых геймеров процент тех, кто задействует две видеокарты, невелик. Дело в том, что, во-первых, применение двух видеокарт повышает стоимость графической подсистемы ПК ровно в два раза, в то время как прирост производительности графической подсистемы от использования режима NVIDIA SLI или ATI CrossFire гораздо менее скромный. Во-вторых, по производительности (а нередко и по стоимости) выгоднее поставить одну мощную видеокарту (например, двухпроцессорную), чем две видеокарты классом пониже, а установка двух мощных видеокарт многим просто не по карману. В-третьих, режимы NVIDIA SLI и ATI CrossFire не настолько востребованы, сколько об этом говорят. Это просто хорошо разрекламированные технологии для выкачивания денег у пользователей, а реально пользуются ими не более 1% заядлых геймеров.

Итак, с первыми двумя слотами PCI Express x16 всё понятно. Они являются своеобразной визитной карточкой игрового ПК, хотя в реальной жизни наличие двух слотов PCI Express x16 чаще всего избыточно и невостребованно. Возникает вопрос, для чего нужен третий слот PCI Express x16, который, как мы уже отмечали, работает на скорости x4? Ведь возможность использования трех видеокарт на графических процессорах NVIDIA в режиме NVIDIA SLI вообще не предусмотрена, а объединение трех видеокарт на графических процессорах ATI в режим 3-Way CrossFireX хотя теоретически и возможно, но абсолютно нецелесообразно. Дело в том, что третий слот PCI Express x16 реализован с помощью четырех линий PCI Express v.2.0, поддерживаемых чипсетом Intel P55 Express. Причем чипсет Intel P55 Express связан с процессором по двунаправленной (full duplex) шине DMI (Direct Media Interface) с пропускной способностью 20 Гбит/с (по 10 Гбит/с в каждую сторону). Учитывая, что пропускная способность каждой линии PCI Express v.2.0 составляет 5 Гбит/с (по 2,5 Гбит/с в каждом направлении), получаем, что пропускная способность интерфейса PCI Express x4 согласована с пропускной способностью шины DMI. Однако нужно учитывать, что, во-первых, шина DMI используется не только интерфейсом PCI Express x4, но и всеми остальными контроллерами, интегрированными на материнской плате, а во-вторых, при применении режима CrossFire на трех видеокартах, одна из которых установлена в слот PCI Express x4, а две другие — в слоты PCI Express x8, все три слота будут работать на скорости x4 и вместо ожидаемого прироста производительности можно получить обратный эффект. Так зачем же в этом случае вообще нужен третий слот PCI Express x16? Данный слот действительно предназначен для установки третьей видеокарты, но не с целью объединения всех трех видеокарт в режим NVIDIA SLI или CrossFire, а для расчета физики (физических эффектов) в играх средствами графического процессора. Сейчас всё больше появляется игр с поддержкой расчета физики средствами графического процессора. К сожалению, компании NVIDIA и AMD продвигают разные технологии расчета физики. И нужно сказать, что у компании NVIDIA продвижение своей технологии под названием PhysX получается куда успешнее. Уже сегодня насчитывается более 200 игр с поддержкой PhysX. А потому третий слот PCI Express x16 предназначен для поддержки технологии PhysX на видеокартах NVIDIA. Правда, нужно заметить, что расчет физики PhysX можно реализовать и на видеокарте с графическим процессором AMD, хотя официально данная поддержка не предусмотрена.

Итак, с тремя слотами PCI Express x16 ситуация понятна. Напомним, что, кроме этих слотов, на платах имеются и дополнительные слоты PCI Express x1 или PCI Express x4, которые предназначены для установки карт расширения. Но в данном случае больше слотов — не значит лучше. Действительно, придумать, для чего эти слоты можно использовать, весьма проблематично. Можно, конечно, приобрести дискретную звуковую карту и установить ее в один из слотов PCI Express x1, хотя если на плате имеется интегрированная аудиокарта, то имеет ли смысл применять дискретную? Под какие нужды еще можно использовать слоты PCI Express, придумать не так-то просто, и в большинстве случаев они вообще остаются незанятыми.

Теперь давайте посмотрим, какие контроллеры интегрируются на материнские платы и насколько они востребованы.

Практически на всех без исключения платах интегрируется аудиокодек, который работает в паре с аудиоконтроллером, встроенным в чипсет. В случае чипсетов Intel — это аудиоконтроллер Intel HDA (High Definition Audio). Исключение составляют лишь те модели плат, которые комплектуются дискретной аудиокартой с интерфейсом PCI Express. Аудиокодеки, интегрируемые на топовые модели плат, являются, как правило, десятиканальными (например, Realtek ALC889A), причем отметим, что сам интегрированный аудиокодек не задействует линии PCI Express. Естественно, что при наличии интегрированного на плате аудиокодека на тыльной стороне материнской платы имеются до шести аудиоразъемов типа mini-jack, а иногда — коаксиальный и оптический разъемы S/PDI. В принципе, наличие шести аудиоразъемов позволяет подключить к плате акустическую систему 7.1, а также дополнительно микрофон и еще один вход использовать для наушников или как линейный вход. Однако тут нужно иметь в виду одно обстоятельство. Акустические системы 7.1 так и не получили на рынке широкого распространения. Проблема в том, что такое количество колонок просто ставить некуда. А если учесть, что к каждой колонке будет тянуться провод, то понятно, что реально акустические системы 7.1 дома никто не использует. Кроме того, контента со звуком 7.1 на рынке практически нет, так что применять акустику 7.1 просто бессмысленно. Максимум, что можно найти, — это звук 5.1. Впрочем, даже акустические системы 5.1 не получили широкого распространения среди домашних пользователей опять-таки по причине невозможности размещения в квартире всех колонок, да еще так, чтобы компьютер находился в центре. Наиболее распространены акустические системы 2.1 (две колонки и сабвуфер) или даже 2.0 (просто две колонки). А потому наличие шести разъемов типа mini-jack на платах просто бессмысленно, хотя и смотрятся такие платы довольно «круто». Ну а если речь идет о мультимедийном центре, где хороший звук на первом месте, то на плате используется оптический выход, подключаемый к hi-fi-оборудованию, к которому уже и подсоединяется акустическая система.

Также на большинстве топовых материнских плат присутствует FireWire-контроллер, посредством которого реализовано несколько портов IEEE-1394а. В принципе, интерфейс IEEE-1394а уже устарел и применяется лишь для подключения к компьютеру видеокамер (и то не всех моделей). Так что наличие контроллера FireWire на системных платах уже потеряло свою актуальность.

На всех без исключения материнских платах присутствует интегрированный сетевой контроллер для подключения компьютера к сегменту локальной сети (например, сети провайдера для выхода в Интернет). Причем если раньше устанавливали контроллер, функционирующий на скорости 100 Мбит/с (Ethertnet 10/100Base-T), то теперь все платы оснащают гигабитными контроллерами (видимо, контроллеры Ethertnet 10/100Base-T уже не производят). Естественно, наличие сетевого контроллера крайне необходимо на материнских платах, поскольку подавляющее большинство всех домашних компьютеров имеют выход в Интернет. Причем на топовых моделях материнских плат производители часто интегрируют не один, а два гигабитных сетевых контроллера, которые могут быть даже объединены в одну функциональную группу и поддерживают такие функции, как агрегирование портов для увеличения пропускной способности, а также режим резервного порта. То есть если один из портов выйдет из строя, плата автоматически переключится на другой контроллер без замены портов или подключения второго кабеля. Кроме того, наличие двух сетевых контроллеров в ряде случаев бывает просто необходимо. К примеру, это позволяет подключить компьютер к двум различным сетевым сегментам. Один сегмент можно использовать для выхода в Интернет, а другой — для подключения к внутренней локальной сети, не имеющей выхода в Сеть. Кроме того, наличие двух сетевых портов позволяет создать маршуртизатор на базе компьютера.

Также на всех без исключениях платах имеется несколько портов SATA для подключения оптических приводов и жестких дисков. Если говорить о платах на чипсетах Intel P55 Express, то на них присутствует как минимум шесть портов SATA II. Дело в том, что чипсет Intel P55 Express имеет встроенный контроллер SATA II на шесть портов с возможностью организации RAID-массивов уровней 0, 1, 10 и 5 с функцией Matrix RAID. В принципе, для домашних компьютеров шести портов SATA II вполне достаточно, но производители материнских плат этим не ограничиваются и на своих топовых моделях дополнительно интегрируют еще SATA-контроллер (а то и несколько), доводя суммарное количество портов SATA II до абсурдной величины. К примеру, на топовых платах компании Gigabyte можно насчитать 12 портов SATA II. Так, на плате Gigabyte GA-P55-UD6, кроме SATA-контроллера, интегрированного в чипсет, имеются еще два SATA-контроллера JMicron JMB362, а также SATA-контроллер Gigabyte SATA II. Ну а теперь представьте себе домашний компьютер, в котором установлено 12 жестких дисков. Конечно же, это абсурд!

Между тем, иметь один дополнительный SATA-контроллер на плате очень полезно, но отнюдь не из-за дополнительного количества SATA-портов. Дело в том, что некоторые контроллеры, кроме SATA-портов, предоставляют интерфейс IDE (ATA133/100/66/33), который позволяет подключать оптические приводы с этим интерфейсом. Кроме того, через дополнительный SATA-контроллер на плате часто реализуют один-два внешних порта eSATA для подключения внешних накопителей. Вот эта возможность платы, конечно же, очень полезная и востребованная.

Если говорить о портах USB 2.0, которые присутствуют на материнских платах, то здесь всё типично. Никаких отдельных USB-контроллеров на платах не используется. USB-контроллер интегрирован в сам чипсет, и количество портов USB 2.0 всегда соответствует тому количеству, которое реализовано в чипсете. Если говорить о чипсете Intel P55 Express, то он поддерживает 14 портов USB 2.0. Часть этих портов (обычно восемь или десять) выводится на заднюю панель платы, а остальные порты можно вывести на тыльную сторону ПК, подключив соответствующие плашки к разъемам на плате.

Говоря о контроллерах SATA II и портах USB 2.0, нужно иметь в виду, что в 2010 году широкое распространение получат более скоростные интерфейсы SATA III и USB 3.0. Уже сейчас компания Seagate анонсировала модели жестких дисков с интерфейсом SATA III, а некоторые производители флэшек — модели с интерфейсом USB 3.0. Поэтому производители материнских плат обязательно станут интегрировать контроллеры SATA III и USB 3.0 на свои платы. Более того, компания Gigabyte уже выпустила плату GA-P55A-UD6, в которой имеется и контроллер SATA III, и контроллер USB 3.0.

Правда, говоря о новых интерфейсах USB 3.0 и SATA III, нужно иметь в виду одно существенное обстоятельство, о котором скромно умалчивают производители материнских плат. Дело в том, что стандартом USB 3.0 предусматривается скорость передачи данных 5 Гбит/с в каждом направлении, а стандартом SATA III — 6 Гбит/с. Всё это, конечно, хорошо, но есть одна загвоздка. Контроллеры USB 3.0 и SATA III используют по одной линии PCI Express 2.0 x1, пропускная способность которой составляет только 2,5 Гбит/с в каждом направлении. Дальнейшие комментарии вряд ли нужны. Вывод напрашивается сам собой. И USB 3.0, и SATA III на материнских платах — это не более чем маркетинговый трюк, и ожидать заявленных скоростей передачи не приходится. Реально эти интерфейсы будут работать нормально лишь тогда, когда они будут встраиваться непосредственно в сам чипсет.

С одной стороны, наличие большого количества интегрированных на плате разнообразных контроллеров — это хорошо, поскольку расширяет функциональные возможности платы. С другой стороны, есть и ограничение на их количество и много не всегда означает хорошо. Дело в том, что большинство контроллеров подключается к шине PCI Express 2.0, то есть утилизирует одну линию PCI Express 2.0, а количество этих линий, поддерживаемых чипсетом, ограничено. К примеру, чипсет Intel P55 Express поддерживает всего восемь линий PCI Express v.2.0 и если на плате реализованы два слота PCI Express 2.0 x1 и один слот PCI Express 2.0 x4, то на долю интегрированных контроллеров остается всего две линии PCI Express 2.0, чего явно недостаточно. Причем на топовых моделях материнских плат практически всегда возникает проблема нехватки линий PCI Express 2.0, то есть несоответствия слотов PCI Express 2.0 и интегрированных контроллеров количеству линий PCI Express 2.0, поддерживаемых чипсетом.

Рассмотрим в качестве примера плату Gigabyte GA-P55-UD6 на базе чипсета Intel P55 Expess. На ней имеются два слота PCI Express 2.0 x1, один слот PCI Express 2.0 x4, а также два гигабитных сетевых контроллера Realtek RTL8111D, каждый из которых задействует одну линию PCI Express 2.0, два контроллера JMicron JMB362 (еще две линии PCI Express 2.0) и контроллер Gigabyte SATA II (еще одна линия PCI Express 2.0). Получаем, что для всех слотов и интегрированных контроллеров требуется 11 линий PCI Express 2.0, в то время как имеется только восемь линий.

Проблема нехватки линий PCI Express 2.0 на плате Gigabyte GA-P55-UD6 решается следующим образом. Слот PCI Express 2.0 x4 и два слота PCI Express 2.0 x1, а также один из контроллеров JMicron JM362 используют одну линию PCI Express 2.0 и подключены к ней через свитч. Соответственно можно применять либо слот PCI Express 2.0 x4, но в этом случае оба слота PCI Express 2.0 x1, а также контроллер JMicron JM362 будут недоступны, либо, наоборот, хотя бы один из слотов PCI Express 2.0 x1 или SATA-порты контроллера JMicron JM362, но тогда слот PCI Express 2.0 x4 будет недоступен.

На других платах, где есть несоответствие количества слотов и контроллеров количеству линий PCI Express 2.0, поддерживаемых чипсетом, проблема также решается путем использования свитчей. То есть одновременно применять все слоты PCI Express 2.0, а также контроллеры, утилизирующие линии PCI Express 2.0, просто невозможно.

Есть и другая проблема использования большого количества контроллеров. Как мы уже отмечали, на платах на базе чипсета Intel P55 Express процессор связан с чипсетом по шине DMI с пропускной способностью 20 Гбит/с (по 10 Гбит/с в каждом направлении). Всего чипсет Intel P55 Express поддерживает восемь линий PCI Express 2.0, а пропуская способность каждой линии составляет 5 Гбит/с (по 2,5 Гбит/с в каждом направлении). Соответственно если предположить, что используются все восемь линий PCI Express 2.0, то пиковая нагрузка составит 40 Гбит/с, а пропускная способность шины DMI — только 20 Гбит/с. В этой ситуации именно шина DMI станет тем узким местом в системе, в которое упрется производительность.

Мода на миниатюризацию

Несмотря на то что все производители материнских плат предлагают свои топовые решения в формфакторе ATX, сейчас на рынке наблюдается тренд на миниатюризацию. Дело в том, что если раньше на материнских платах для процессоров Intel использовались двухкомпонентные наборы системной логики (чипсеты), традиционно состоящие из северного и южного мостов, то чипсет Intel P55 Express положил начало эпохи однокомпонентных решений (он состоит не из двух, а всего из одной микросхемы). Соответственно на материнских платах упростилась разводка и освободилось место. И если не интегрировать на плату дополнительных и подчас бесполезных контроллеров, то можно создавать топовые решения в формфакторе miniATX. Некоторые производители материнских плат именно так и поступают, создавая платы для игровых ПК в формфакторе miniATX. Правда, они далеко не всегда позиционируют их как платы для игровых ПК. Но это и понятно. Дело в том, что, во-первых, в сознании пользователей игровой ПК — это нечто очень массивное и платы miniATX никак не ассоциируются с ним. Во-вторых, в ассортименте всех компаний имеются модели плат для игровых ПК, а когда несколько разных моделей плат на одном и том же чипсете позиционируются для одного и того же сегмента рынка — это не очень хорошо. Поэтому иногда бывает так, что платы в формфакторе miniATX, которые вполне можно использовать для высокопроизводительных и игровых ПК, продаются как массовое недорогое решение.

Мода на многофазные регуляторы напряжения питания процессора

Увеличение количества фаз питания процессора на материнских платах постепенно становится целью своеобразного соревнования между производителями материнских плат. Если еще год назад на платах использовались в основном 6-фазные регуляторы напряжения питания процессора, то сегодня имеются модели, в которых применяются даже 24-фазные регуляторы напряжения питания.

Но так ли уж необходимо использовать столь большое количество фаз питания, и почему одни производители их постоянно увеличивают, пытаясь при этом аргументированно доказать, что чем больше, тем лучше, а другие довольствуются небольшим количеством фаз питания? Может быть, большое количество фаз питания процессора — это не более чем маркетинговый трюк, призванный привлечь внимание потребителей к продукции?

Но, прежде чем ответить на этот вопрос, напомним, зачем нужны импульсные регуляторы напряжения питания и как они реализуются на современных платах.

Импульсный понижающий преобразователь напряжения питания в основе своей содержит PWM-контроллер, электронный ключ, который управляется PWM-контроллером, а также индуктивно-емкостный LC-фильтр для сглаживания пульсаций выходного напряжения. Принцип действия импульсного понижающего преобразователя напряжения следующий. PWM-контроллер (ШИМ-контроллер в русскоязычном эквиваленте) создает последовательность управляющих импульсов напряжения. PWM — это аббревиатура от Pulse Wide Modulation (широтно-импульсная модуляция, ШИМ). PWM-сигнал представляет собой последовательность прямоугольных импульсов напряжения, которые характеризуются амплитудой, частотой и скважностью (скважность PWM-сигнала — это отношение промежутка времени, в течение которого сигнал имеет высокий уровень, к периоду PWM-сигнала).

Сигнал, формируемый PWM-контроллером, используется для управления электронным ключом, который периодически, с частотой PWM-сигнала, подключает и отключает нагрузку к линии питания 12 В.

Соответственно на выходе электронного ключа наблюдается последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 12 В и частотой следования, равной частоте PWM-импульсов. Пропустив полученные импульсы через фильтр низких частот (ФНЧ) с частотой среза, гораздо меньшей, чем частота следования импульсов, на выходе можно получить стабильное постоянное напряжение нужного значения.

В качестве электронного ключа импульсных преобразователей напряжения питания компонентов материнских плат всегда применяется пара полевых n-канальных МОП-транзисторов (MOSFET-транзисторов), соединенных таким образом, что сток одного транзистора подключен к линии питания 12 В, исток этого транзистора соединен с точкой выхода и стоком другого транзистора, а исток второго транзистора заземлен. Транзисторы этого электронного ключа (иногда он называется силовым ключом) работают таким образом, что один из них всегда находится в открытом состоянии, а другой — в закрытом.

Для управления переключением MOSFET-транзисторов управляющие сигналы подаются на их затворы. Управляющий сигнал PWM-контроллера используется для того, чтобы переключать MOSFET-транзисторы, однако этот сигнал подается не непосредственно на затворы транзисторов, а через специальную микросхему, называемую драйвером MOSFET-транзисторов. Данный драйвер управляет переключением MOSFET-транзисторов на частоте, задаваемой PWM-контроллером, подавая требуемые напряжения переключения на затворы транзисторов.

Рассмотренная нами однофазная схема импульсного регулятора напряжения питания проста в исполнении, однако имеет ряд ограничений и недостатков.

Если говорить об ограничении однофазного импульсного регулятора напряжения питания, то оно заключается в том, что и MOSFET-транзисторы, и индуктивности (дроссели), и емкости имеют ограничение по максимальному току, который через них можно пропускать. К примеру, для большинства MOSFET-транзисторов, которые применяются в регуляторах напряжения материнских плат, ограничение по току составляет 30 A. В то же время сами процессоры при напряжении питания порядка 1 В и энергопотреблении больше 100 Вт потребляют ток свыше 100 A. Понятно, что если при такой силе тока использовать однофазный регулятор напряжения питания, то его элементы просто сгорят.

Если говорить о недостатке однофазного импульсного регулятора напряжения питания, то он заключается в том, что выходное напряжение питания имеет пульсации, что крайне нежелательно.

Для того чтобы преодолеть ограничения по току импульсных регуляторов напряжения, а также минимизировать пульсации выходного напряжения, применяются многофазные импульсные регуляторы напряжения.

В многофазных импульсных регуляторах напряжения каждая фаза образована драйвером управления переключениями MOSFET-транзисторов, парой самих MOSFET-транзисторов и сглаживающим LC-фильтром. При этом используется один многоканальный PWM-контроллер, к которому параллельно подключается несколько фаз питания.

Применение N-фазного регулятора напряжения питания позволяет распределить ток по всем фазам, а следовательно, ток, протекающий по каждой фазе, будет в N раз меньше тока нагрузки (в частности, процессора). К примеру, если использовать 4-фазный регулятор напряжения питания процессора с ограничением по току в каждой фазе 30 A, то максимальный ток через процессор составит 120 A, чего вполне достаточно для большинства современных процессоров. Однако если применяются процессоры с TDP 130 Вт или предполагается возможность разгона процессора, то желательно использовать не 4-, а 6-фазный импульсный регулятор напряжения питания процессора или же применять в каждой фазе питания дроссели, конденсаторы и MOSFET-транзисторы, рассчитанные на больший ток.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения в многофазных регуляторах напряжения все фазы работают синхронно с временным сдвигом друг относительно друга. Если T — это период переключения MOSFET-транзисторов (период PWM-сигнала) и используется N фаз, то временной сдвиг по каждой фазе составит T/N. За синхронизацию PWM-сигналов по каждой фазе с временным сдвигом отвечает PWM-контроллер.

В результате того, что все фазы работают с временным сдвигом друг относительно друга, пульсации выходного напряжения и тока по каждой фазе также будут сдвинуты по временной оси друг относительно друга. Суммарный ток, проходящий по нагрузке, будет складываться из токов по каждой фазе, и пульсации результирующего тока окажутся меньше, чем пульсации тока по каждой фазе.

Итак, основное преимущество многофазных импульсных регуляторов напряжения питания заключается в том, что они позволяют, во-первых, преодолеть ограничение по току, а во-вторых, снизить пульсации выходного напряжения при той же емкости и индуктивности сглаживающего фильтра.

Конструктивно на материнских платах все компоненты фазы питания могут быть дискретными или совмещенными. При дискретном решении имеется отдельная микросхема MOSFET-драйвера, два отдельных MOSFET-транзистора, отдельный дроссель и емкость. Такой дискретный подход используется большинством производителей материнских плат. Однако есть и несколько иной подход, когда вместо отдельной микросхемы драйвера и двух MOSFET-транзисторов применяется одна микросхема, объединяющая и силовые транзисторы, и драйвер. Данная технология была разработана компанией Intel и получила название DrMOS. Название DrMOS буквально означает Driver + MOSFETs. Естественно, что при этом также используются отдельные дроссели и конденсаторы, а для управления всеми фазами служит многоканальный PWM-контроллер.

В настоящее время технология DrMOS применяется только на материнских платах MSI. Говорить о преимуществах технологии DrMOS в сравнении с традиционным дискретным способом организации фаз питания довольно сложно. Здесь всё зависит, скорее, от конкретной используемой DrMOS-микросхемы и ее характеристик. Также могут быть решения, когда MOSFET-драйверы интегрированы в PWM-контроллер.

Ну а теперь, после краткого теоретического экскурса, давайте вернемся к вопросу о том, сколько действительно фаз питания процессора нужно иметь на плате.

Как мы уже отмечали, сейчас стало модно делать платы с большим количеством фаз регулятора напряжения питания процессора. И если ранее на топовых материнских платах применялись шестифазные регуляторы напряжения, то сейчас используют 10, 12, 16, 18 и даже 24 фазы. Но действительно ли нужно так много фаз питания или это не более чем маркетинговый трюк?

Конечно, многофазные регуляторы напряжения питания имеют свои неоспоримые преимущества, но всему есть разумный предел. К примеру, как мы уже отмечали, большое количество фаз питания позволяет применять в каждой фазе питания компоненты (MOSFET-транзисторы, дроссели и емкости), рассчитанные на низкий ток, которые, естественно, дешевле компонентов с высоким ограничением по току. Однако сейчас все производители материнских плат применяют твердотельные полимерные конденсаторы и дроссели с ферритовым сердечником, которые имеют ограничение по току не менее 40 A. Используемые MOSFET-транзисторы также имеют ограничение по току не ниже 40 A (а в последнее время наблюдается тенденция перехода на MOSFET-транзисторы с ограничением по току в 75 А). Понятно, что при таких ограничениях по току на каждой фазе волне достаточно применять шесть фаз питания. Такой регулятор напряжения теоретически способен обеспечить ток процессора более 200 А, а следовательно, его энергопотребление — более 200 Вт. Понятно, что даже в режиме экстремального разгона достичь таких значений тока и энергопотребления практически невозможно. Так зачем же производители делают регуляторы напряжения с 12 фазами и более, если питание процессора в любом режиме его работы способен обеспечить и шестифазный регулятор напряжения?

Если сравнивать 6- и 12-фазный регуляторы напряжения, то теоретически при использовании технологии динамического переключения фаз питания энергоэффективность 12-фазного регулятора напряжения будет выше. Однако разница в энергоэффективности будет наблюдаться только при высоких токах процессора, которые на практике недостижимы. Но даже если и удается достичь столь высокого значения тока, при котором будет различаться энергоэффективность 6- и 12-фазного регуляторов напряжения, то разница эта будет столь мала, что ее можно не принимать в расчет. Поэтому для всех современных процессоров с энергопотреблением 130 Вт даже в режиме их экстремального разгона волне достаточно 6-фазного регулятора напряжения. Применение 12-фазного регулятора напряжения в данном случае не дает никаких преимуществ даже при использовании технологии динамического переключения фаз питания. Ну а зачем производители стали делать 24-фазные регуляторы напряжения — остается только гадать. Здравого смысла в этом нет никакого, видимо, это рассчитано на технически неграмотных пользователей, для которых «чем больше, тем лучше».

Кстати, нелишне будет отметить, что все 12-, 16-, 18- и 24-фазные регуляторы напряжения питания, которые используются сегодня на современных материнских платах, не только не нужны, но и не являются таковыми. По сути это не более чем обман покупателей. Дело в том, что не существует 12-, 16-, 18- и 24-фазных PWM-контроллеров, управляющих фазами питания. В большинстве случаев на платах применяются шестифазные PWM-контроллеры. Вопрос лишь в том, как, используя шестифазный PWM-контроллер, производители реализуют 12-, 16-, 18- и 24-канальный регулятор напряжения. Как правило, это достигается тем, что на каждую фазу PWM-контроллера параллельно сажаются несколько MOSFET-драйверов (причем сами MOSFET-драйверы могут быть двухканальными). То есть каждая фаза PWM-контроллера разбивается на несколько параллельных каналов питания. К примеру, 24-фазный регулятор напряжения питания процессора на плате Gigabyte GA-P55-UD6 получается следующим образом. В качестве управляющей всеми фазами питания микросхемы выступает 6-фазный PWM-контроллер Intersil ISL6336A. На каждую фазу PWM-контроллера параллельно сажаются два двухканальных MOSFET-драйвера Intersil ISL 6611ACRZ. В результате каждая из шести фаз PWM-контроллера разбивается на четыре синхронных канала. Таким образом, получается не 24-, а 6-фазный 24-канальный регулятор напряжения питания. Казалось бы, какая разница? Но разница на самом деле есть, и весьма существенная. Напомним, что управляющий PWM-сигнал в каждой фазе питания имеет определенную задержку относительно PWM-сигнала в другой фазе питания. Но если каждая фаза PWM-контроллера разбивается на несколько каналов питания, то никакой временной задержки между каналами питания в пределах одной фазы не будет. Кроме того, при использовании многофазных регуляторов напряжения питания применяется технология динамического переключения числа фаз питания с целью оптимизации КПД регулятора напряжения (об этом мы расскажем далее). Так вот, если каждая фаза питания разбита на несколько параллельных каналов питания, то все эти каналы на одной фазе будут переключаться одновременно. К примеру, в 6-фазном 24-канальном регуляторе напряжения питания переключение может происходить только порциями по четыре канала. Поэтому истинно 24-фазный и 6-фазный 24-канальный регуляторы напряжения питания — это далеко не одно и то же.

Как мы уже отмечали, практически все производители материнских плат в настоящее время используют технологию динамического переключения числа фаз питания процессора. Собственно, данная технология отнюдь не нова и была разработана компанией Intel довольно давно. Однако, как это часто бывает, в тот момент она оказалась невостребованной рынком и долгое время оставалась в «запасниках». И только когда стала модной идея снижения энергопотребления компьютеров, вспомнили о технологии динамического переключения фаз питания процессора. Производители материнских плат пытаются выдать ее за свою фирменную и придумывают ей различные названия. К примеру, у компании Gigabyte она называется Advanced Energy Saver (AES), у ASRock — Intelligent Energy Saver (IES), у ASUS — EPU, у MSI — Active Phase Switching (APS). Однако, несмотря на разнообразие названий, все данные технологии реализованы абсолютно одинаково и, конечно же, не являются фирменными. Более того, возможность переключения фаз питания процессора заложена в спецификацию Intel VR 11.1, и все PWM-контроллеры, совместимые со спецификацией VR 11.1, поддерживают данную технологию.

Естественно, возникает вопрос, почему технологию динамического переключения фаз питания называют энергосберегающей и какова эффективность применения данной технологии?

Рассмотрим, к примеру, материнскую плату с 6-фазным регулятором напряжения питания процессора. Если процессор загружен несильно, а значит, потребляемый им ток невелик, вполне можно обойтись и двумя фазами питания, а потребность в шести фазах возникает при сильной загрузке процессора, когда потребляемый им ток достигает максимального значения. Действительно, можно сделать так, чтобы количество задействованных фаз питания соответствовало потребляемому процессором току, то есть чтобы фазы питания динамически переключались в зависимости от загрузки процессора. Но не проще ли использовать все шесть фаз питания при любом токе процессора? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно учесть, что любой регулятор напряжения сам потребляет часть преобразуемой им электроэнергии, которая выделяется в виде тепла. Поэтому одной из характеристик преобразователя напряжения является его КПД или энергоэффективность, то есть отношение передаваемой мощности в нагрузку (в процессор) к потребляемой регулятором мощности, которая складывается из мощности, потребляемой нагрузкой, и мощности, потребляемой самим регулятором. Энергоэффективность регулятора напряжения зависит от текущего значения тока процессора (его загрузки) и количества задействованных фаз питания.

Зависимость энергоэффективности регулятора напряжения от тока процессора при неизменном количестве фаз питания выглядит следующим образом. Первоначально, с ростом тока нагрузки (процессора), КПД регулятора напряжения линейно возрастает. Далее достигается максимальное значение КПД, и при дальнейшем увеличении тока нагрузки КПД постепенно уменьшается. Главное, что значение тока нагрузки, при котором достигается максимальное значение КПД, зависит от количества фаз питания, а следовательно, если использовать технологию динамического переключения фаз питания, то КПД регулятора напряжения питания всегда можно поддерживать на максимально высоком уровне.

Сравнивая зависимости энергоэффективности регулятора напряжения от тока процессора для различного количества фаз питания, можно сделать вывод, что при малом токе процессора (при его незначительной загрузке) более эффективно задействовать меньшее количество фаз питания. В этом случае меньше энергии будет потребляться самим регулятором напряжения и выделяться на нем в виде тепла. При высоких значениях тока процессора применение малого количества фаз питания приводит к снижению энергоэффективности регулятора напряжения. Поэтому в данном случае оптимально использовать большее количество фаз питания.

С теоретической точки зрения применение технологии динамического переключения фаз питания процессора должно снизить, во-первых, общее энергопотребление системы, а во-вторых, тепловыделение на самом регуляторе напряжения питания. Причем, по заявлениям производителей материнских плат, данная технология позволяет уменьшить энергопотребление системы на целых 30%. Конечно же, 30% — это число, взятое с потолка и ничем не обоснованное. Реально технология динамического переключения фаз питания позволяет снизить суммарное энергопотребление системы не более чем на 3-5%. Дело в том, что данная технология позволяет экономить электроэнергию, потребляемую лишь самим регулятором напряжения питания. Однако основными потребителями электроэнергии в компьютере являются процессор, видеокарта, чипсет и память и на фоне суммарного энергопотребления этих компонентов энергопотребление регулятора напряжения довольно мало. А потому, как ни оптимизируй энергопотребление регулятора напряжения, добиться существенной экономии просто невозможно.

Мода на фирменные утилиты и технологии

О фирменных утилитах и технологиях, которыми дополняются все современные материнские платы, можно рассказывать очень долго и нудно, а можно не рассказывать вообще, поскольку в этом просто нет смысла. На самом деле фирменные технологии — это, за редким исключением, лишь маркетинговая утка. Как правило, существует лишь фирменное название, под которым скрываются отнюдь не фирменные технологии. Классический пример — технология динамического переключения фаз питания процессора. У каждого производителя есть свое фирменное название этой технологии, которая реализуется у всех одинаково, а разработана была компанией Intel. И таких примеров можно привести очень много.

Что же касается фирменных утилит, которыми комплектуются материнские платы, то все без исключения производители их действительно выпускают. Как правило, речь идет об утилитах для разгона системы, а также об утилитах мониторинга. Однако польза от этих фирменных утилит весьма и весьма сомнительна. Те, кто увлекается разгоном системы, делают это через настройки BIOS, а те, кто не знает, что такое BIOS, вряд ли будут использовать для разгона фирменные утилиты.

Утилиты мониторинга позволяют отслеживать энергопотребление процессора и даже демонстрировать, сколько электроэнергии сэкономлено за счет применения технологии динамического переключения фаз питания процессора. Но и тут есть свой подводный камень. Доверия к этим утилитам нет абсолютно никакого. Подчас то, что они демонстрируют, просто противоречит здравому смыслу.

Пожалуй, единственные полезные утилиты — это утилиты для управления скоростью вращения вентилятора кулера процессора. Однако такие утилиты имеются далеко не у каждого производителя.

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 12'2009