掀翻公版獨霸!超另類GTX260+研發始末

    [泡泡網顯卡頻道2月6日] 編者按：作為長期關注顯卡的人群，我們玩過不少顯卡，但是關于顯卡的幕后研發故事我們卻很少能夠了解。今天我們在iGame研究所的某臥底同學（暫且這么稱呼）為我們帶來了七彩虹最新的一款十分另類的非公版GTX260+的研發始末，以饗讀者。

    14億顆晶體管、1700顆元件組合，能爆發出怎樣的一種動力？此篇故事的主角——定制版GTX260，是一片值得記錄的顯卡，因為他的到來，“公版”獨霸的時代要離我們而去了。

    第一次開放公版，之后的事情呢？也正是現在要說的。對于芯片性能，GTX260這顆GPU，在1920x1200分辨率下出色的游戲效能，從我們全球的供貨情況看，GTX260無愧于220美元價格段非常好的PCIE顯卡。對于電路設計而言，我們遭遇了不小的困難與波折，但是結果卻非常的棒，本文會給你描述一些我們的困惱。

    今年1月微型計算機雜志上有這樣一篇文章《從訂制到定制 IT的個性化定制時代》，以及2008年8月《iGame研究所探秘及顯卡研發經理訪談》對于iGame研發的報道，都給整個行業在“定制”這個概念上帶來關注。幸運的是，去年iGame在業內第一家提出并提供One-to-One定制化產品服務，其中遭遇的困難可想而此，但是令人高興的是，玩家們都拿到了最適合自己的產品。

    定制的想法，是前年早一些的時候，工程師們去法國出差帶回來的靈感。讓時間回到1858年，查爾斯.弗萊德里克.沃斯(Charles Frederick Worth)在巴黎的rue de la Paix（ 和平大道）七號上開設了第一家專為顧客度身定制的高級時裝店。定制的概念由此飛躍了一個多世紀，然而用戶的需求在今天，仍舊是重點被尊重與關注的對象。我們在通過“跨界”(Crossover)的思考，在實踐中嫁接外行業價值，落實于顯卡之上。定制，更像是一種生活態度，追求個性化高品質的一種生活方式?？梢韵胂?，“定制”服務在一個批量化流水線的現代企業生產中，他所帶來的“麻煩”是無需置疑的。

    好了，我們的話題回到GTX260的研發上來。

● 設計思路：定制版>公版>非公版

    大家看到“定制版>公版>非公版”這個公式決定一定很奇怪？我想先談談我們的設計思路。

    設計中，我們主要從兩個方面考慮，1、性能2、時間。我們第一步要考慮的就是性能，是“cost up（成本增高）” 而不是Costdown。這個出發點很重要，決定了我們以“性能”為導向去做設計。采購回來的總體成本比“公版”還要貴，我們心理早已有所準備。

    過去，“非公版=縮水”是很多玩家在心理的共識，媒體的報道也諸如“由于NVIDIA開放了非公版設計，這意味著有實力的廠商能自行研發低成本的非公版”。非公版是市場細分化的產物，例如公版的GTX260售價是1999元，很多玩家買不起，在保持性能不變的情況下，Costdown后的非公版的價格是1499元，就會受到普通玩家的歡迎。性能與穩定性不變，Costdown的產品也是好產品，主要看你的需求是什么。定制版按照類型劃分，也是非公版，但是按照品質去劃分，“定制版>公版>非公版”他又是正確的。

    后面我會講到超越公版設計，一路上我們遇到的困難與阻力。

● 玩家定制：IPU芯片的誕生

    這一次的設計最大難點有兩個方面：1、IPU芯片的布局；2、自行設計的扣Fin渦輪散熱器。

    從去年全國優異屆定制比賽之后，我們陸陸續續收集到很多的定制方案。我清楚的記得去年11月我們還有幫助網吧單獨定制數十片9800GT顯卡，從研發角度與批量生產的角度而言，定制是一件不小的“麻煩”。在IPU芯片誕生前，我陸續收到不少需求，例如LED偵錯燈不易識別、一鍵超頻按鈕無法變壓等問題，還有如何才能實現主板上的多檔變壓增頻與節能，種種定制需求。我們想找到一種方案，而實現玩家提出的種種問題問題。

    奔走在多家供應商與無數次的設計方案討論會后，我們在去年年末時候，IPU芯片的設計終于完成。我們心理非常清楚，在目前的狀況下，對于成熟的顯卡產品，進行芯片上的任何一個升級，都有不小的困難。定制帶來的“麻煩”是多方面的，一方面工程師要在日常的設計中處理市場主流型號的產品設計，一方面還要應對繁雜制作工序的定制需求。此外，采購的繁瑣與成本上的增加，都讓很多企業退縮下去。

   由于時間問題對于IPU芯片的具體情況，在這里就不再仔細描述。我想在后期的評測與我的博客中，大家會看到他的表現以及詳細講解。

● 苦惱：GTX260散熱器該如何選擇？

    由于重新設計電路，扣具與電路布局的改變，必然帶來那么與之搭配的散熱器的重新設計。更重要的問題是：到底要重新開模還是選擇第三方方案？重新開模，必然要再一次增加成本。這一次設計GTX260，我們已經在多處做工要高于公版，最終的整體成本是一個大問題！第三方方案會是很多品牌的選擇，但我們熱屋內并不是最“適合”這個產品。按照當初的設計思路，我們還是決定選擇自行研發設計。

iGame自行研發的設計散熱器結構圖

當初設計GTX260的一些散熱方案

    在前期討論階段，記得有一天散熱器工程師Abner跑來跟我們說，“我這里有一個整體散熱方案，不僅能照顧到顯卡每個部件的散熱問題，還能照顧到機箱內部的散熱環境?！庇谑?，我們又找到散熱器設計師，在結構不變的情況下，重新設計了很多款式的外形，正如圖中你看到的。

    在日常測試中，我們會把測試卡安置在高溫高濕老化測試機器中測試，恒溫55度下進行。按照NVIDIA的設計指南的說明，這樣惡劣的環境，核心溫度保持在105°都屬正常。一件有趣的事，我們敬業的熱器工程師Abner為了保證散熱器的性能足夠可靠，還用電吹風對著顯卡吹，然后運行3DMark測試。最后的結果，一切表現出色。這一套“扣FIN渦輪式”系統散熱方案，我們會在今后的測試中介紹。

● 為什么固態比MLCC“好”？

    2001年的時候，我也迷戀過G400MAX顯卡上面的那17顆黃豆般的鉭電容。跑3DMARK2000，2D直追幻日。

    然而，你對好的定義是什么，這個很重要？是一定價格下的最優性能，還是偏執狂式的最好。這些年，固態電容的流行速度超乎我們的想象，有時RD工程師也不得不開始追逐流行。事實上，電路設計講究的不是“最”這個概念，而是“適合”。你一定知道，F1賽車是開不上山路的，這個時候四驅越野車會更好，他們很多時候不能放在一起比較。不過于迷信單純的優異用料，一直貫穿著我們的設計思路。

    在研發的過程中，泡泡網的編輯給了我們很多“超越公版”的建議，其中一個非常尖銳，為什么我們不用MLCC電容組成的供電模塊？MLCC有迷人的優勢：小型好布線、高頻性能好，介電層數量增加，可帶來ESR的顯著降低。在2004年后MLCC也是逐漸滲透鉭電容長期壟斷的市場。MLCC也有他的不足，工廠對我們反映的情況，在SMT過程中，MLCC類電容結構上存在著很大的脆弱性，因為是由多層陶瓷電容疊加而成，所以強度低，極不耐受熱與機械力的沖擊，在SMT機上過波峰焊中尤為明顯。這是不良率的問題，新的方案都是有風險的。我們很清楚這一點。

    但是接到泡泡網編輯的定制建議后，回到研發室我們又進行了重新考慮。從方案成熟度、成本與交貨期上，目前的電源模塊結構都比MLCC要更適合在GTX260上使用，另外，還要考慮之前所確定的散熱器結構問題。事實上，MLCC并不是什么高深的設計用法，大家手上的手機，有可能用到200顆MLCC產品。MLCC在濾波之后的話，不見得一定比傳統供電會好多少，我們還要看具體的濾波設計對比。

目前的方案同樣可以獲得出色的紋波噪音

    很多時候，不采用一個大家認為更好的材料，并不是因為技術的問題，成本、時間、結構、環境都綜合決定了，這個方案是不是“最優”而去采用。

    電感是通直隔交，這里是濾波作用，把交流成分擋住不讓其通過；電容是通交隔直，這里起到了旁路濾波作用，進一步把直流電中的交流成分引到地線，這樣出來的就是很純凈的直流電了。目前顯卡上的電容器件，行業已經達到了一個很高的標準，再往上的電容器件，性價比未必適合市場需求，產品很可能因為價格而“叫好不叫座”。況且留給我們自己設計電路的時間并不太多。我們的iGame工程師kevin，日以繼夜的趕進度，使得春節后要送到玩家的手上。

    對于“完美”與“適合”的選擇，在設計過程中，事實上我們也很痛苦。

● 第一次：1700顆元件+7相供電

    這一次我們為玩家定制的GTX260上將會有高達1700多顆電子元件，而市場上可能會有縮水至1200顆元件的產品。少了500顆零件，這是一個很直觀的感受，暫且不評價好與壞問題。

    供電電路，是玩家關心的問題，也是我們在設計中很謹慎的部分。供電電路最主要是為高達大約14億顆晶體管的GPU提供適合的電壓和電流，保證GPU在高頻、大電流工作狀態下穩定地運行，特別是喜歡超頻的GTX260的用戶。供電設計考慮到元件特性、PCB板特性、銅箔厚度、散熱、穩定性、干擾等等多方面的問題，他的周圍是電路信號強度最大的地方。尤其當用戶超頻的時候，電路設計得不好會產生串擾cross talk效應，而影響到較弱信號的其他電路部分。

   一開始我們也考慮，4+1相核心/顯存分離供電電設計，這是目前市場上大多數非公版的設計方式。但是在設計過程中我們拜訪了很多中國玩家，他們提出希望增加供電項目的必要性。從理論上計算，1相能供電25A，4相是100A，那么如果采用6相就能達到150A。從日常應用上講，只要穩定的提供足夠給GPU電流，并沒有一定的說誰好誰壞，但是針對高端GTX260顯卡的超頻需求，能過大電流的設計是有需要的，更何況我們的玩家都經常有在液氮下超頻的經歷。

    并不奇怪，現在的高端主板都已在使用8相的解決方案，理論上8相可以提供230～240A的電流給CPU使用。但是目前主流的GPU并不需要那么高的電流供應，6相供電，我們認為是目前顯卡供電上的一個高配方案，非常適合GTX260玩家的超頻與大游戲體驗。

    與供電搭配的固態電容選擇上，我們更多的去使用NCC日本化工的PS系列固態電容，以及三洋的SEPC固態電容，因為這兩家公司的固態電容都是自己研發的，擁有各自的專利，具備更好的性能。而其它品牌的固態電容大多是購買第三方專利生產的，自己并沒有投入多少研發力量。不過三洋SEPC固態電容由于缺貨，存在交貨周期長的問題，因此目前不少高品質顯卡仍主要選擇日本化工PS系列固態電容。

    這樣計算下來，成本方面，一定會有所增加，但是我們不準備把成本的壓力轉交給用戶，就算當做我們對iGame品質上的一種苛刻要求，回報玩家。

● 困惱：公版也是“縮水”的產物

    事實上，這一次的GTX260開放設計，公版留給品牌廠商的Costdow空間并不大。我想公版在設計之初，已經不能像過去那樣不惜血本的進行設計，而是重新考慮“性價比”。我們看到Hyper Power(節能省電技術)這個功能芯片也省去了，過去是幫助NVIDIA GPU+MCP搭配完成省電功能的，能省去1~2個美金的成本，而原因很簡單，小眾功能，只有搭配NVIDIA少數高端主板才能實現功能。

    而供電部分的設計，也都是剛剛夠用就好，例如使用普通的TO252封裝的MOS管，也是考慮了開放給各大品牌設計后，更方便的找到這顆料件做設計。如果按照過去的標準去，今天市場上的GTX260價格也不會低于2000元了。

    在測試過程中，NVIDIA給出的紋波噪音標準是300mv，在模擬示波器下，iGame的紋波噪音標準僅有224mv，這與我們當初的“定制版>公版>非公版”設計思路是分不開的，使用濾波效果更好的lowESR電容，更低感值的電感等料件綜合作用的結果。

    此外，我們在之前的設計中還發現一個有趣的現象，第一版10層PCB版本的GTX260出來的時候，竟然沒有8層PCB版的GTX260的效能好，這是電路優化后的結果，NVIDIA在這方面也做了很多工作。不一味的用最好的料件設計，我想有兩個原因，首先是設計思路上“相對適合”與“絕對最好”的選擇問題，其實競爭對手在競品的上市價格上施加壓力。

    補充一個問題，很多玩家詢問我們，“該如何分辨6層PCB或8層PCB？”。玩家中流傳的一個方法是，通過看顯卡核心與顯存之間是否有布線來區別顯卡PCB層數的方法。這個方法顯然是不可靠的，事實上目前有不少采用8層PCB設計的顯卡由于GPU要求以及PCB板材料的需要將核心與顯存之間的布線設定在最外層。現在也并沒有十分可靠、分辨顯卡PCB層數的方法。不過還是有一些經驗可徇，一般而言采用分離式供電設計的顯卡，如果其核心供電部分在核心附近，那么這款顯卡很大可能是采用6層PCB設計的，因為這樣布線最短，核心可直接從PCI-E接口位置取電，這樣顯然比將核心、顯存供電部分全部放在顯卡最右邊，核心主要通過輔助供電接口來取電的布線設計更短。

● 說點輕松的事情：如何用顯卡治癌癥

    說一些輕松點的事情吧。

    或許一些玩家已經加入了Folding@home (蛋白質折疊過程研究) 這樣一個活動，我們這一次設計的iGame GTX260還獲得了不錯的成績。Folding@home是一個由斯坦福大學主持，全球主要硬件廠商共同參與的大規模公益性分布式運算項目。其主要是研究了解蛋白質折疊、誤折以及相關的疾病，主要研究的疾病包括：癌癥、阿茲海默癥、亨廷頓病、帕金森氏癥等。我想，這是一個比單純跑3DMark來得更有價值的事情。

    Folding@home (蛋白質折疊過程研究) 官方主頁：
    中文：http://www.equn.com/folding/
    英文：http://folding.stanford.edu/

    如果蛋白質沒有正確地折疊將會使人得一些病癥：如阿茲海默氏癥(Alzheimers)、囊腫纖維化（Cystic fibrosis）、瘋牛病(Mad Cow, BSE)等, 甚至許多癌癥的起因都是蛋白質的非正常折疊。所以了解其非正常折疊十分的重要。而顯卡的協同計算能幫助到這一點。

    過去計算機模擬1納秒（1/1,000,000,000秒） 需要花費大約一天的時間。不幸的是，蛋白質折疊是以數十毫秒（10000納秒）作為時間表的。而今天的顯卡卻不需要了，如果使用顯卡的用戶都來參加這個公益活動，這其中有0.1%參與Folding@Home，就能夠為該計劃帶來超過10個PFLOPS的運算能力，遠遠高于全世界最強大的超級計算機（運算能力不足1PFLOPS）。以結果考量，我們的PPD（Points Per Day每日運算得分）越高，也就意味著，能解決人類這些頑固疾病的機會也就越大。

    要用NVIDIA顯卡參與Folding@home計劃，你可以需要下載支持NVIDIA GPU的客戶端，下載地址：http://folding.stanford.edu/English/DownloadWinOther。網絡上的教程已經很多了，我也參與在其中。

    文章要結束了，其中的很多感受，并不能一下在這篇文章中表達完全。iGame研究所在后面的時間，帶給大家更多好玩的產品，下一代新研發的技術，也在醞釀之中了。如果你對產品有什么好的定制意見，可以在這里給我留言。

【什么是“定制型”？】

    iGame研究所(iGame Institute)，基于iGame品牌下的顯卡研究機構。作為七彩虹顯卡旗下的高端研發團隊，以超過500萬用戶的龐大使用數據作為基礎進行功能與技術設計。

    iGame作為目前全球首家推出one-to-one定制模式的高端顯卡品牌。與大批量流水線生產相反，與不考慮用戶需求相反，iGame定制型（customize），將根據中國玩家的需求進行最為貼身的產品設計，在iGame研究所中，選擇合作型定制，玩家如同身處高級定制服裝店，從顏色到散熱器等，均可以透過iGame定制專區與iGame工程師咨詢協商。
iGame目前定制產品可提供主要有以下三大類型：
   1、合作型定制。
   2、適應型定制。
   3、選擇型定制。

    如果您有任何有關GTX260設計與技術的疑問，可以在留言處，iGame研究所首席研發工程師Eric將會在下一篇文章中，統一回答大家的疑問。■<