GeForce GTX650 Zombie: O teste definitivo da IBM Powerboard!

Fala pessoal, tudo bom?

Como muitos devem saber, uma das principais motivações que tive para começar essa página foi o projeto da IBM Powerboard de R$15, que inclusive teve a honra de estrelar o post inaugural da página e muitos outros tais como o “worklog” com os procedimentos que fiz para fazer ela funcionar e testes posteriores que fiz usando uma HD6450… Desde então não postei mais nada sobre a IBM Powerboard aqui na página por conta de alguns motivos particulares, mas na realidade isso não significa que abandonei o projeto e sim que trabalhei silenciosamente nele durante esses meses no pouco tempo livre que dispunha.

Nesse meio tempo fiz vários upgrades na placa e com isso muito do que havia feito inicialmente acabou sendo modificado/melhorado. Como é impossível prosseguir esse artigo sem citar as alterações que a IBM Powerboard foi sofrendo ao longo do tempo, vamos a lista:

1. Em relação as fotos do outro artigo, é notório que retrabalhei o conector de força MiniFit Jr de 8 pinos, que antes estava soldado em outro pcb que era da VGA doadora e agora está soldado diretamente na Powerboard. Esse alteração foi necessária porque aquele pedaço de pcb devia ter alguma trilha em curto e toda vez que ligava a powerboard ele soltava aquela fumacinha característica e além disso, aquilo ali era a verdadeira definição de “serviço porco” e isso me incomodava! 🙂
2. Os indutores originais foram substituídos por outros de 0.8uH retirados de uma ASRock 990FX Extreme9, esses certamente possuem especificação de corrente muito maiores (estimo que seja de no mínimo 30A, não consegui descobrir o fabricante desses componentes mas por ter saído de uma mobo AM3+ high-end e pelas suas dimensões, me parece razoável essa estimativa) e que permitem que essa placa seja usada com cargas maiores sem medo de saturar os indutores e terminar com mosfets queimados.
3. Esse VRM foi projetado para ser utilizado em um servidor IBM em condições de missão critíca, o que implica que essa coisa precisa ser o mais robusta e confiável possível e por esse motivo originalmente temos um fusível SMD logo na entrada do circuito. Esse fusível certamente foi dimensionada para uma carga X e agora muito provavelmente esse circuito será usado para uma carga 2X, o que significa que ele vai romper e as coisas não vão funcionar bem… Como agora a aplicação desse circuito é outra e não é mais necessário toda essa redundância, substitui esse fusível por um indutor de 0.27uH, de modo a ter um filtro LC de entrada no circuito com o intuito de filtrar ripple proveniente da fonte e de quebra ter um ripple menor na saída. Para os que tem interesse em se aprofundar mais no assunto, tem esses 2 pdfs sobre como dimensionar os filtros LC de entrada e saída em um conversor DC-DC do tipo Buck: AND9135-D e Transformer-and-Inductor-Design-Handbook_Chapter_15
4. Capacitores extras adicionados tanto na entrada quanto na saída do circuito pois quanto menor o ripple na saída, melhor! Esse artigo da Texas Instruments é bastante elucidativo nessa questão e mostra a diferença no sinal de saída para capacitores com diferentes composições químicas, dicas de como fazer a medição de forma correta, design de pcb e etc…

Por fim, as fotos de como a IBM Powerboard se encontra atualmente, em sua ultima revisão! 🙂

Na época acabei testando ela com uma 8600GT GDDR2 que tinha aqui pelos cantos e apesar de ter verificado bons ganhos com a Powerboard ficou bem evidente que a qualidade do GPU que equipa essa placa ainda está longe de ser considerada ruim, para que vocês tenham uma idéia, isso aqui é o que um bom exemplar desse GPU é capaz de fazer na água e sem nenhuma modificação mais elaborada.

Abaixo os screenshots dos resultados para comparação, também inclui uma foto da 8600GT GDDR2 modificada com a IBM Powerboard, para que ainda que brevemente, isso fique documentado aqui:

Até ai tudo muito bom, no entanto, essa 8600GT “fajuta” ainda não era boa o suficiente para testar a IBM Powerboard, sentia que faltava fazer o teste definitivo nela e com a ajuda da NVIDIA Brasil finalmente isso se tornou realidade! Digam “oi” para a eVGA GTX650, a cobaia definitiva. 🙂

Sobre a placa em si, essa VGA usa o PCB de referência da nVIDIA que é bastante curto e usa um conector de força MiniFit Jr de 6 pinos. O cooler utilizado pela eVGA é uma peça de alumínio com design algo semelhante a um cooler box da Intel e usa um fan de 80mm que é preso a essa carenagem plástica que se vê nas fotos. Em condições normais de operação, é uma placa bem “ajeitadinha” no que diz respeito ao visual e de funcionamento silencioso.

O GPU que equipa a GTX650 é o GK107, cujo die possui área de apenas 118mm² e possui um TDP de apenas 65W, o que implica que em tese essa placa poderia ser alimentada apenas pelo slot PCI-E sem maiores problemas, no entanto as coisas não são assim pois esse mesmo pcb também é compartilhado com a GTX650 TI, que usa o GK106 e este é um GPU bem maior (221mm²) com TDP de 112W!

Abaixo a foto do PCB dessa GTX650, ela usa um design com VRM de 2 fases para o GPU e 1 fase para a memória.

A GTX650 usa memórias GDDR5 e nessa placa em especifico os chips usados são fornecidos pela Samsung, sendo adotado a variante de 0.4ns (5000Mbps). Em termos de overclock, essas memórias em teoria não possuem tanta “margem de manobra” pois o clock stock já corresponde ao máximo da especificação desses chips, no entanto, veremos adiante que foi possível atingir 1500MHz (6000Mbps) com estabilidade, o que não é nada mal! 😉

Com relação ao controlador PWM utilizado para o VRM do GPU, infelizmente não consegui identificar qual é o fabricante do mesmo pois ele possui apenas as referências “08 E3 MOF” e isso provavelmente implica que o fabricante desse componente deve disponibilizar alguma tabela com esses códigos para consulta de modo similar ao que a Richtek faz para identificar o dispositivo. No caso de uma VGA low-end que vai ser extensamente modificada para receber um VRM externo e ser usada em temperaturas abaixo de zero isso não chega a ser um problema, pois nesses casos o procedimento para desativar o circuito de alimentação “onboard” normalmente se resume a remover os indutores da saída, não sendo necessário cortar trilhas ou qualquer outra coisa similar, pois não existe nenhum pino que previna o GPU de ligar em caso de “falha” no VRM como ocorre em alguns modelos high-end.

O vmod para as memórias é bastante simples bastando soldar um VR de 20kohm do pino 6 (FB, datasheet do controlador PWM: EM5303QP) pro GND e ser feliz, ou nem tanto assim, pois pelo menos no meu exemplar não houveram ganho de frequência nas memórias com o vmod. 🙁

Além das modificações elétricas, foram necessárias fazer algumas alterações mecânicas (assim digamos) na GTX650 pois caso contrário não ia ser possível montar o TEK 9.0 nela por conta de alguns componentes obstruindo o caminho e impedindo o pot de fazer contato com o GPU. Essas alterações basicamente consistem em passar alguns componentes para parte de trás da placa tais como o conector de força, um capacitor e um indutor, conforme a figura abaixo:

E abaixo, o resultado após as modificações, notem que os indutores já foram removidos para posterior instalação da Powerboard. 🙂

Para fazer a ligação da Powerboard com a VGA foram usados 16 pedaços de um fio AWG20, de cobre, sendo que cada pedaço desses tem cerca de 7cm de comprimento. Esse fio foi tirado de uma sucata de fonte xingling que tinha por aqui e obviamente que usar apenas um condutor desses seria algo completamente inadequado para essa aplicação por conta do seu diâmetro (apenas 0.81mm) e as correntes razoavelmente elevadas que irão circular por ali, mas como estou usando 16 deles, ao menos para um GPU “calmo” como o GK107 está tudo certo.

O ideal é que fossem utilizados fios mais curtos e com o maior diâmetro (maior área de seção transversal) possível, no intuito de tornar a queda de tensão entre a Powerboard-VGA a menor possível. Tenham em mente que o fio apresenta uma certa resistência por unidade de comprimento e que por mais que não seja um valor alto, pode ser um problema significativo dependendo da intensidade da corrente que está circulando ali e é por isso que o TiN da eVGA recomenda usar os fios mais curtos, largos e se possível, soldar a Powerboard direto no cobre.

Caso alguém se interesse em “brincar” isso, esse site fornece uma tabela com a especificação dos fios e uma calculadora para dimensionamento dos fios e nos permite tirar uma idéia melhor de como isso funciona. Apenas um adendo: Tensão negativa no fim do circuito significa que você vai ter que chamar os bombeiros e uma queda de tensão considerável implica que você está perdendo energia em forma de calor (efeito joule) e isso também é algo extremamente perigoso. 🙂

Por fim, o produto final! 😀

Notem que foram adicionados mais 4 capacitores Sanyo OSCON 820uF 2.5V em paralelo ali na parte de trás da placa e que isso fez uma diferença considerável na estabilidade da placa e nos clocks que consegui atingir no GPU para a mesma a tensão. Infelizmente não disponho de um osciloscópio e por isso ficarei devendo as formas de onda de saída e ripple, que nesse contexto seriam de grande valia para mostrar a diferença que os capacitores fizeram.

Uma outra alteração que se mostrou útil foi aquele fan “enjambrado” na Powerboard que acabou fazendo diferença na estabilidade com tensões acima de 1.4V.

Feitas as explicações, vamos aos resultados! Foram usadas as seguintes configurações para os testes:

CPU: Intel i7 4770K

MOBO: GIGABYTE GA-Z97-D3H

RAM: 2x2GB G.Skill PI 2200CL7

VGA: EVGA GeForce GTX650 1GB

PSU: Antec Quattro 1200W

Bancada GIGABYTE

SO e drivers utilizados: Windows XP para benchmarks legado (3dmark01,03,05 e 06) e Windows 7 para o restante. Forceware 368.81 no XP e Forceware 378.92 WHQL no Win 7.

Para resultados no ar: Prolimatech Armageddon no CPU e dissipador stock na VGA, variando apenas o fan utilizado.

Para resultados no DICE: SF3D Inflection Point + K|ngp|n TEK-9 FAT

Apesar de ter rodado boa parte dos benchmarks 3D possíveis, nesse artigo irei focar apenas em 3 testes: 3DMark03, 3DMark Vantage e GPUPI 1B. A idéia é simplificar a comparação e dar uma guia do que foi possível fazer em termos de overclock usando um benchmark legado e razoavelmente leve para o GPU, um mais atual que exige consideravelmente mais do GPU e por consequência da Powerboard e outro de compute que leva um tempo razoável para completar.

Testes no ar e sem quaisquer modificações feitas na VGA:

Começando com a VGA completamente stock, o GPU desse exemplar tem ASIC de 76.9% e a tensão padrão do GPU em 3D é de 1.25V (medidos com multímetro), com possibilidade de um incremento de +50mV pelo MSI Afterburner, já com relação as memórias, a tensão padrão é de algo em torno de 1.6V, novamente rodando com clocks 3D (pstate P0).

Os resultados abaixo foram obtidos com o fan na rotação máxima que o software permite (70%) e com o incremento de +50mV no GPU e é válido destacar que essa placa apresentou grande regularidade no clock máximo possível para cada benchmark, ficando na faixa dos 1360MHz~1380MHz.. Usualmente existem grandes variações entre os benchmarks, citando apenas um de muitos exemplos possíveis, a GTX780 DCUII que testei anos atrás rodava 3dmark03 @ 1470MHz 1.4V enquanto que no 3dmark11 parava em algo pouco abaixo dos 1400MHz com os mesmos 1.4V.

3DMark03: http://hwbot.org/submission/3497510_noms_3dmark03_geforce_gtx_650_62834_marks/

3DMark Vantage: http://hwbot.org/submission/3498067_noms_3dmark_vantage___performance_geforce_gtx_650_18297_marks/

GPUPI 1B: http://hwbot.org/submission/3497655_noms_gpupi___1b_geforce_gtx_650_3min_9sec_957ms/

Feitos os testes com a VGA em condições de uso “civil”, é hora dos primeiros resultados com a Powerboard.

Testes no ar com a IBM Powerboard instalada:

Foram vários passos e testes até chegar na “versão final” da placa sendo que na “primeira revisão” do trabalho, mal estava conseguindo rodar o GPU @ 1300MHz 1.4V com estabilidade e dai até obter os resultados mostrados abaixo foi um longo caminho entre trocar fios, capacitores e testes com refrigeração ativa no VRM, conforme mostrei anteriormente.

Com relação aos resultados da “versão definitiva” da GTX650, o GPUPI 1B completou a incríveis 1460MHz com cerca de 1.45V no GPU, dando como resultado um tempo abaixo dos 3 minutos, já os benchmarks 3D ficaram na casa dos 1400MHz~1410MHz com tensão um pouco mais baixa que isso (não escalou com mais tensão nessas situações).

Outro ponto a se destacar é o precário sistema de refrigeração utilizado, basicamente o dissipador stock com um fan de 120mm escorado no pcb mas que ainda assim segurou a temperatura do GPU sempre abaixo dos 70ºC… Definitivamente o GK107 é um GPU que roda frio!

3DMark03: http://hwbot.org/submission/3530284_noms_3dmark03_geforce_gtx_650_64104_marks

3DMark Vantage: http://hwbot.org/submission/3504450_noms_3dmark_vantage___performance_geforce_gtx_650_18666_marks/

GPUPI 1B: http://hwbot.org/submission/3503832_noms_gpupi___1b_geforce_gtx_650_2min_59sec_627ms/

Feitos os testes no ar, vamos ao “grand finale” no gelo seco!

Testes no DICE (gelo seco) com a IBM Powerboard instalada:

Foram ao todo duas sessões com 2kg de gelo seco cada uma para obter os resultados abaixo, sendo que da primeira sessão veio o 3DMark03 e da segunda o GPUPI e Vantage, todos em 2º lugar no ranking do HWBOT. As duas sessões foram marcadas por problemas com o CPU e RAM sem razão aparente, que apresentaram instabilidades ao longo de ambas as sessões e devido a isso (mas não apenas isso) tive que rodar o clock do CPU/RAM em níveis mais conservadores para pelo menos conseguir ter resultados para mostrar nesse post.

Com relação a VGA, pelo menos esse exemplar não foi dos mais fáceis de se “domar” devido ao baixo CBB (Cold Boot Bug, cerca de -25ºC nessa placa), em outros termos, isso significa que se precisar desligar a máquina por qualquer motivo e o GPU estiver operando em temperatura mais baixa que essa, ela não vai dar vídeo e vai ser necessário aquecer a mesma até chegar em temperatura acima desses -25ºC… Perdi um bom tempo na primeira sessão até me acertar com isso e a situação só não foi pior devido a experiência prévia que tive com aquela 8600GT do começo do artigo, que também era um pouco complicada nesse sentido.

Já falando do CB (Cold Bug), na segunda sessão a placa apresentou um comportamento meio estranho quando a temperatura baixou de -60ºC, com o driver “morrendo” logo após carregar o SO e inicialmente atribui isso ao VGPU mais agressivo que estava usando (cerca de 1.65V) e que logo baixei pra 1.55V, no entanto, era só baixar mais a temperatura que esse problema infelizmente voltava a se manifestar. Em termos de clocks e tensão usadas no GPU, ficaram na faixa dos 1633~1666MHz com cerca de 1.55V, o que não é nada mal e muito provavelmente também não se trata do limite dessa placa. A memória não apresentou ganhos nem perdas, mantendo inalterado o limite nos 1500~1510MHz dos testes no ar.

3DMark03: http://hwbot.org/submission/3508374_noms_3dmark03_geforce_gtx_650_71730_marks

3DMark Vantage: http://hwbot.org/submission/3518666_noms_3dmark_vantage___performance_geforce_gtx_650_20929_marks

GPUPI 1B: http://hwbot.org/submission/3518659_noms_gpupi___1b_geforce_gtx_650_2min_37sec_104ms

Concluindo o post, digo que a IBM Powerboard passou de ano e foi aprovada com louvor! Para algo tão barato e que foi uma fonte de aprendizado tão grande para mim, isso acabou se saindo muito além de qualquer expectativa que eu tinha acerca desse projeto.

Mais uma vez deixo meus agradecimentos a nVidia Brasil (Valeu Ziebert! 😀 ) por ter fornecido a GTX650 para os testes pois sem ela esse artigo não teria saído do papel. 😉

Até breve pessoal!