artykuły

Anatomia płyty głównej Z490 – wywiad z Asusem

1
26 czerwca 2020, 15:51 Artykuł we współpracy z firmą Asus

Razem z płytą główną Asus Maximus XII Extreme, która posłużyła nam do testów procesorów Intela 10. generacji, trafiła do naszej redakcji pusta płyta drukowana. Niezapełniony komponentami laminat odsłania anatomię zaawansowanej płyty głównej. Chcieliśmy wykorzystać tę okazję, aby zapytać inżynierów Asusa o szczegóły budowy takiej płyty.

Anatomia Maximus XII Extreme

Maximus XII Extreme to wyjątkowo droga i wyjątkowo rozbudowana płyta, ale jej ogólna budowa jest podobna do większości płyt głównych. Ich funkcjonalność jest zwykle nieco w cieniu – najbardziej przejmujemy się wydajnością, która zależy przede wszystkim od procesora i karty graficznej. Płyta główna łączy wszystkie komponenty, umożliwia komunikację procesora z kartą graficzną, wyprowadza z procesora i chipsetu połączenia elektryczne potrzebne do podłączenia dysków twardych, sieci, urządzeń peryferyjnych.

Tanie i proste płyty zwykle oferują tylko te funkcje, które są wbudowane w procesor i chipset – po prostu wyprowadzają sygnały na zewnątrz i umożliwiają podłączenie karty graficznej, innych urządzeń PCI Express, SATA i USB. Ten model ma wyjątkowo dużo złącz i funkcji, znacznie więcej, niż zapewnia platforma Intel Z490. Dodatkowe gniazda M.2, USB i SATA zostały na niej umieszczone dzięki zastosowaniu dodatkowych kontrolerów i nietypowemu rozdzieleniu linii PCI Express.

Najbardziej rzucają się w oczy bardzo rozbudowany i zajmujący bardzo dużo miejsca układ zasilania procesora; przesunięte wyjątkowo nisko gniazdo PCI-E dla karty graficznej oraz wyjątkowo dużo gniazd dla nośników M.2.

Kliknij tu, aby zobaczyć gigantyczną wersję.

 

Wywiad z inżynierami Asusa

Kursywą w ramce oznaczyliśmy przypisy redakcji.

Ze strony Asus w wywiadzie brali udział: Johnson Lee, który przewodzi zespołowi R&D, Jim Lee odpowiada za techniczną komunikację zewnętrzną płyt głównych, Andrew Wu i Silvia Lin reprezentują zespół Product Managerów.

PCLab: Chcieliśmy zorganizować ten wywiad, żeby pokazać naszym Czytelnikom, z czego składa się płyta główna. Zwykle widzimy po prostu całą płytę, z miejscem na procesor, pamięć i kartę graficzną. Bardzo niewielu użytkowników wie, co trzeba wziąć pod uwagę przy projektowaniu wszystkich funkcji płyty głównej. Na laminacie płyty naliczyliśmy ponad 20 dużych układów scalonych, a każdy pełni jakąś funkcję i powiększa wartość płyty głównej. Mało kto wie, co one wszystkie robią, i chcemy z Waszą pomocą opisać niektóre funkcje.
Co poza podstawką procesora i gniazdami pamięci zajmuje najwięcej miejsca na płycie głównej?

Jim Lee: Poza podstawką procesora i pamięcią następne w kolejności ważności są układ zasilania procesora oraz ścieżki i gniazda PCI Express. Na koniec strefy złącz wejścia-wyjścia: jedna z tyłu, jedna z przodu.

PCLab: To dobrze widać na płycie Maximus XII Formula. Kiedyś płyty główne wykorzystywały wszystkie 7 miejsc na karty rozszerzeń. Z czasem procesor i układ zasilania zaczęły zajmować więcej miejsca, i pierwsza duża karta rozszerzeń zaczęła być montowana w drugim slocie. Na tej płycie karta graficzna jest jeszcze dalej niż zwykle: w trzecim slocie od góry.

Jim Lee: Rozmieszczenie tych komponentów zmienia się z platformy na platformę. Naszym priorytetem jest zapewnienie odpowiedniego zasilania dla procesora, więc układ zasilania jest pierwszą rzeczą, którą projektujemy. Na pewno zauważyliście, że w tej generacji płyt głównych większość high-endowych płyt ma bardzo mocne układy zasilania procesora, a one zajmują dużo miejsca na laminacie płyty głównej. Jednocześnie coraz więcej i więcej użytkowników nie uważa, że SLI i Crossfire są potrzebne, szczególnie z nowoczesnymi kartami graficznymi. Dawniej wielu użytkowników prosiło o możliwość zbudowania 4-kartowych konfiguracji, więc zachowywaliśmy tę możliwość. Żeby to zrobić, musieliśmy umieścić pierwsze gniazdo PEG na pierwszej z siedmiu pozycji. Bez tej konieczności możemy być bardziej elastyczni w rozmieszczaniu gniazd PCI-E.

PCLab: Kiedy już zdecydujecie się na zarezerwowanie dużej ilości miejsca na układ zasilania i wybierzecie komponenty takie jak tranzystory, cewki i inne, co następnego bierzecie pod uwagę przy projektowaniu układu zasilania?

Jim Lee: Podczas projektowania układu zasilania nie myślimy o poszczególnych elementach, ale o całości. Wiele czynników składa się na dobry układ zasilania: tranzystory, cewki, kondensatory, ścieżki przenoszące prąd. Również system chłodzenia jest jego ważną częścią. Musimy brać pod uwagę całość, nie poszczególne elementy.

Układ zasilania procesora na Maximus XII Extreme jest sterowany 8-fazowo, po dwa zintegrowane tranzystory parami. Taka topologia ma wydajność prądową tak dużą, jak układ o 16-fazowym sterowaniu, ale zapewnia odpowiedź impulsową (czyli reakcję na nagle wzrastające obciążenie) szybszą, niż układ z 8-fazowym sterowaniem i opóźniaczami sygnału PWM.

PCLab: Coraz więcej entuzjastów i recenzentów zwraca uwagę na układ zasilania i jego chłodzenie. Liczą cewki i tranzystory, badają układy zasilania za pomocą kamer termowizyjnych, a czasem szeregują płyty główne według tego, jak niską temperaturę mają części układu zasilania. Co sądzicie oglądaniu płyt głównych przez termowizor? Jak testujecie swoje własne płyty główne w waszym laboratorium?

Jim: Rzeczywiście jest taki trend. Dla recenzentów kamera termowizyjna jest najłatwiejszym sposobem na zbadanie temperatury, ale ten sposób nie jest dokładny.

Silvia: Używamy kilku sposobów jednocześnie. Wykorzystujemy kamery IR, termistory zamontowane w newralgicznych miejscach laminatu oraz odczytu temperatury z tych układów scalonych, które mają odpowiednie czujniki. Mamy dość dokładne dane o temperaturze.

Jim: Każda płyta główna przechodzi bardzo poważne testy termiczne, które pomagają nam określić możliwości naszego układu zasilania. Zwykle unikamy opisywania naszych układów zasilania liczbami komponentów, tak zwanych faz. Niektórzy sądzą, że wybrane komponenty, kontroler zasilania i liczba tranzystorów decydują o tym, jak dobrze będzie działać ukłąd zasilania. Ale nie o to chodzi – my traktujemy układ zasilania jako całość. Jeśli ta całość spełnia nasze wymagania, jesteśmy zadowoleni. Niektóre płyty główne mają niewielkie wentylatory chłodzące układ zasilania. To oczywiście obniża mocno temperaturę działania. Ale to ostatnie rozwiązanie, po które chcemy sięgnąć. Większość użytkowników nie lubi wentylatorów. W przeszłości mieliśmy układy chłodzenia z wentylatorami, i użytkownikom się one podobały. Były bardzo ciche, wentylatory nie kręciły się w ogóle, dopóki nie została osiągnięta pewna temperatura. To jedno z możliwych rozwiązań, ale staramy się go unikać. Szczerze mówiąc, dopóki temperatura mieści się w pewnym rozsądnym zakresie, użytkownik nie powinien się o nią w ogóle martwić. Szczególnie w przypadku dzisiejszych high-endowych płyt głównych, na których układy zasilania są przesadnie rozbudowane.

PCLab: Czy zawsze niższa temperatura jest lepsza? Jeśli sprawdzimy wskazania oprogramowania takiego jak HWInfo i zobaczymy temperaturę rzędu 95 stopni, większości użytkowników wyda się, że to za dużo. Jednocześnie możemy znaleźć kartę danych wykorzystanych komponentów, a w niej często znajdziemy rekomendację, żeby temperatura działania była niższa niż na przykład 130 stopni. Czy powinniśmy się martwić takimi wskazaniami?

Jim: Układy zasilania procesora się stosunkowo skomplikowane. Nie możemy wziąć informacji o jednym komponencie i na ich podstawie ocenić całości. My przejmujemy się wynikami całości, kombinacji wszystkich części. Testujemy zachowanie elektryczne i termiczne. Sprawdzamy, czy układ zasilania zaspokaja potrzeby najwyższych modeli procesorów, i jakie komponenty mieszczą się w budżecie, jaki możemy wydać na płyty główne z różnych segmentów rynku. Na podstawie tego decydujemy się, ile tranzystorów potrzeba, jakiego sterowania, które układy scalone możemy wybrać i tak dalej. Poza testami najważniejszym elementem tego procesu jest doświadczenie naszych inżynierów zdobyte na poprzednich generacjach płyt. 

Wybrane urządzenia testowe z laboratorium Asusa:
1, 2 – programowalne obciążenie Chroma 6312.
3 – dostarczane przez Intela urządzenie do testowania układów zasilania. Zapewnia sztuczne obciążenie symulujące procesor i szczegółowe monitorowanie prądu od strony procesora.
4 – wielokanałowy rejestrator Yokogawa MV200, używany do rejestrowania temperatury wielu komponentów jednocześnie.

PCLab: Podsystem pamięci RAM jest pozornie bardzo prosty: wystarczy umieścić gniazda pamięci gdzieś blisko procesora. Co trzeba wziąć pod uwagę przy projektowaniu tej części płyty?

Jonson: Rzeczywiście to wygląda na proste, ale w rzeczywistości musimy podjąć wiele istotnych decyzji. Liczba warstw ścieżek w laminacie, poprowadzenie tych ścieżek tak, żeby miały jak najmniejszą i równą impedancję, zminimalizowanie przesłuchów i zakłóceń – to wszystko opieramy na naszym know-how i doświadczeniu.

PCLab: Czy w grę wchodzi głownie doświadczenie, czy również jakieś zdobycze techniki, którymi nie dosyponowaliście kilka lat temu?

Jim: Jedno i drugie. Z generacji na generację płyt głównych wprowadzamy małe zmiany w tej części płyty, które z czasem kumulują się w duże korzyści. Największy wpływ ma jednak doświadczenie z poprzednimi projektami.

Andrew: Współpracujemy też z niektórymi firmami produkującymi pamięć, więc mamy sporo bezpośrednich informacji prosto od nich. Wymieniamy się doświadczeniami, więc w pewnym sensie podróżujemy wspólnie w kierunku wyższej wydajności.

PCLab: Wspomnieliście, że SLI i Crossfire nie są dziś tak ważne, więc podsystem PCI-E może zajmować mniej miejsca. Za to płyta główna, o której mówimy, ma wyjątkowo dużo gniazd M.2, jak na płytę Z490: dwa na płycie i kolejne dwa na dodatkowej płytce. Większość innych płyt ma dwa, najwyżej trzy gniazda M.2.

Jonson: Jesteśmy zadowoleni z tej decyzji. Płytka DIMM.2 to jedna z unikalnych dla nas funkcji. Malejące ceny spowodowały, że nośniki M.2 są bardzo popularne. Zapotrzebowanie na SLI i konfiguracje wielokartowe jest bardzo małe, i wielu użytkowników prosi o więcej gniazd M.2 zamiast dodatkowych gniazd PCI-E. Wszyscy producenci płyt głównych mają do dyspozycji taką samą, ograniczoną liczbę linii PCI Express. Musimy wymyślać najbardziej rozbudowane konfiguracje, jakie da się rozsądnie zbudować. Największą trudność sprawia przełączanie sygnałów PCI Express pomiędzy tak dużą liczbą gniazd.

PCLab: Uważamy płytkę DIMM.2 za bardzo wygodne rozwiązanie – można na niej zamontować albo wymienić nośniki bez odkręcania dużej pokrywy-radiatora i bez wyjmowania karty graficznej.

Jim: To był właśnie jeden z powodów, dla których opracowaliśmy gniazdo DIMM.2. Użytkownicy bardzo drogich płyt głównych często mają duże karty graficzne albo zbudowane samemu układy chłodzenia wodnego. Bardzo trudno jest wymienić cokolwiek, kiedy wszystkie gniazda rozszerzeń są zajęte, a chłodzenie zainstalowane. Ale w tym przypadku dostajemy coś za coś: jeśli chcemy umieścić na płycie gniazdo DIMM.2, musimy wygospodarować na nie miejsce. Nie możemy przesunąć podstawki procesora w lewo, bo na lewo od niej już mamy bardzo gęsto zapełnioną strefę I/O. To sprawia, że poprowadzenie wszystkich ścieżek jest bardzo trudne. Dlatego umieszczamy gniazdo DIMM.2 tylko na szerszych płytach EATX, ale mamy też bardzo podobne rozwiązanie na naszej płycie DTX z chipsetem X570.

Chodzi o model Crosshair VIII Impact, na którym nie zmieściło się duże gniazdo DIMM.2, ale umieszczono spełniające tę samą funkcję gniazdo SO-DIMM.2.

PCLab: Procesor ma ograniczoną liczbę linii PCI-E, z których większość trzeba przeznaczyć dla karty graficznej. Chipset też ma ograniczoną liczbę linii I/O. Jak decydujecie, ile gniazd M.2 i SATA możecie umieścić na płycie?

Silvia: Przede wszystkim zastanawiamy się, ile chcemy zaoferować gniazd M.2. W high-endowej płycie, takiej jak Maximus Extreme, chcemy zaoferować jak największe możliwości rozszerzenia komputera. Do gniazda DIMM.2 przeznaczamy linie PCI-E z procesora, do pozostałych gniazd – linie I/O z chipsetu. Jednocześnie zachowujemy możliwość przełączenia linii PCI-E z procesora do dolnego gniazda PEG, na potrzeby konfiguracji z dwoma kartami graficznymi. Za to w płytach ze średniej i niskiej półki rezygnujemy już z możliwości zbudowania SLI.

Jim: Oczywiście musimy polegać na tym, co nam oferują nam procesory, ile linii PCI-E dadzą nam do rozdysponowania. Potem na podstawie życzeń i uwag użytkowników wybieramy najważniejsze funkcje. Na przykład w high-endowej płycie to kontrolery Wi-Fi, Thunderbolt, USB typu C, dodatkowe gniazda M.2. To główne czynniki wpływające na nasz proces projektowania.

Silvia: Prawie wszystkie nasze płyty wyczerpują linie PCI-E z procesora i chipsetu. Na najbardziej zaawansowanych płytach musimy dodać różne rozdzielacze i hub-y, żeby powiększyć możliwości IO.

Na Maximus XII Extreme oba gniazda M.2 w dolnej części płyty są podłączone do chipsetu. Oba gniazda na płytce DIMM.2 są podłączone do procesora i domyślnie wyłączone. Po włączeniu ich w UEFI górne gniazdo PCI-E pracuje w trybie ×8. Jeśli wykorzystamy oba gniazda M.2 na płytce DIMM.2, dolne gniazdo PCI-E jest wyłączone.

PCLab: Kiedy patrzymy na laminat tej płyty i opisane przez Was funkcje widzimy, że czasem układ scalony kontrolujący pewną funkcję jest umieszczony bardzo daleko od pozostałych części tej funkcji. Na przykład kontroler USB Flashback jest daleko od gniazd USB i niezbyt blisko pamięci UEFI. Od czego to zależy?

Jim: Powierzchnia płyty głównej jest bardzo ograniczona, więc dzielimy funkcje na dwie grupy: te, które wymagają bardzo szybkiego sygnałowania, i pozostałe. Kontrolery związane z szybkimi sygnałami, takie jak układ sieciowy, oraz układ audio planujemy w pierwszej kolejności i umieszczamy bliżej związanych z nimi gniazd. Układy scalone takie jak BIOS Flashback czy kontroler Aura nie wymagają szybkiego sygnałowania, więc mogą być umieszczone daleko i możemy poprowadzić do nich długie, zawiłe ścieżki.

PCLab: Na pustym laminacie widać też inną osobliwą rzecz: w miejscu na 24-pinowe złącze zasilania są dwa otwory o większej średnicy, nieco przesunięte względem pozostałych. To chyba odpowiada pinom +12 V?

Jim: Tak, nazywamy te dwa piny solid pins. Nie mieliście chyba kłopotów z podłączeniem tego złącza?

PCLab: Nie, skądże.

Silvia: Na gotowej płycie głównej widać, że te dwa piny są lite, a nie zwinięte z blachy, żeby mogły przenosić prąd o większym natężeniu. Nazywamy to ProCool. W 8-pinowych złączach zasilania procesora wszystkie piny są lite, a w 24-pinowym złączu tylko te odpowiadające za napięcie 12 V.

PCLab: Wygląda na to, że coraz więcej i więcej funkcji jest zintegrowanych w procesorach i chipsetach. Nawet niektóre funkcje analogowe zostały zastąpione przez złożone cyfrowe transmitery zintegrowane w jądrach krzemowych. Na przykład wiele szybkich interfejsów już nie wymaga starannego dopasowywania impedancji ścieżek, bo transmiter trenuje interfejs podczas uruchamiania i dopasowuje się do analogowych niedoskonałości. Te rzeczy kiedyś były ważne w konstrukcji płyty głównej, a coraz częściej są zintegrowane i dostarczone przez producenta procesora czy chipsetu. Czy nie sądzicie, że to ogranicza pole do innowacji w płytach głównych?

Jim: Zgadzam się z wami. Dzisiaj coraz więcej funkcji jest po prostu zapewnionych przez procesor i na pewno w jakimś stopniu utrudnia to niektórym producentom innowacje. Ale jednocześnie użytkownicy stawiają nam coraz większe wymagania. Próbujemy ciągle robić coś nowego i coś innego, ale dziś to konieczne dla każdego producenta płyt głównych. Pod względem innowacji jesteśmy dumni z naszych inżynierów. Na przykład począwszy od płyt z chipsetem Z390 próbujemy ulepszać nasze techniki związane z SI, nazywamy to płytami głównymi wspomaganymi przez SI. Próbowaliście funkcji AI Overclocking, sprawdziła się w waszym przypadku?

PCLab: Próbowaliśmy jej na płytach Z390, ale nie zrobiła na nas wielkiego wrażenia. Wydawało się, że pokazana w UEFI prognoza możliwości podkręcania zmieniała się często bez powodu. Za to na płycie Z490 AI Overclocking był bardzo przydatny do podkręcania Core i9-10900K, i oszczędziło nam to wiele czasu. Dało się dość szybko znaleźć maksymalne możliwe taktowanie naszego egzemplarza procesora.

Jim: Czyli zrobiliśmy pewien postęp? (śmiech) Nasi inżynierowie włożyli sporo pracy w tę funkcję. Miała służyć nie użytkownikom takim jak wy, ale raczej początkującym, którzy nie wiedzą jeszcze zbyt dużo o podkręcaniu. Używając AI Overclocking mogą kilkoma kliknięciami przyspieszyć procesor, czasami o 20-30%. Ale okazało się, że dla zaawansowanych użytkowników ta funkcja też jest pomocna. Możecie oprzeć swoje wybrane ręcznie parametry na prognozach AI Overclocking, potraktować je jako punkt wyjścia. A w tej generacji płyt dodaliśmy też funkcję AI Cooling. Podczas długiej pracy komputera możemy zaobserwować, jak szybko wzrasta temperatura procesora w zależności od obciążenia. System chłodzenia osiąga pewną równowagę termiczną. Jeśli wiemy, jak się zachowuje, to możemy obniżyć prędkość wentylatorów względem tego, co wskazuje krzywa sterowania prędkością. Prędkość wentylatora można obniżyć znacznie, a temperatura wzrośnie tylko trochę. Do tego mechanizmu wykorzystujemy dane z funkcji AI Overclocking. Na pewno zauważyliście, że AI Overclocking ocenia nie tylko jakość procesora, ale też układ chłodzenia procesora. Tę informację wykorzystujemy do spowalniania wentylatorów, i dlatego nazywamy również ten mechanizm skrótem AI.

Silvia: Może nie próbowaliście jeszcze używać tej funkcji, więc dodam, że AI Cooling jest tylko dodatkiem do zwykłych metod sterowania prędkością wentylatorów. Zachowaliśmy poprzednią funkcjonalność. W UEFI albo programie FanXpert możecie sterować wentyaltorami ręcznie albo posłużyć się podpowiedzią z mechanizmu AI.

Jim: Te innowacje mogą wam oszczędzić sporo czasu, zarówno zaawansowanym jak i początkującym użytkownikom. To jedne z unikalnych dla nas funkcji, wyjątkowych wśród innych marek, i będziemy próbować poinformować więcej użytkowników o nich.

PCLab: Dziękujemy za wyjaśnienia i wgląd w proces projektowania płyt!

hajapackageZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
hajapackage2020.06.26, 16:17
14#1
Od zawsze byłem pełen podziwu dla producentów którzy są w stanie zrealizować cały proces powstawania takiej high endowej płyty i jeszcze sprzedać tego na tyle, by na tym zarobić. Fascynujące biorąc pod uwagę stosunkowo niewiele praktycznych korzyści idących za dopłatą w stosunku średniej półki. Tym bardziej fascynujące, że mówimy o sprzęcie który entuzjasta wymieni pewnie za rok góra dwa (w przypadku Intela szczególnie).
Edytowane przez autora (2020.06.26, 16:17)
Funkcja komentowania została wyłączona. Do dyskusji zapraszamy na forum.
1