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GeForce 6800背后的故事及拆解

2021-06-21 16:49 作者:怪人煲  | 我要投稿

      

     经历了GeForce FX系列的失败与市场份额丢失之后,急于挽回市场的nVIDIA于2004年4月14日在旧金山全球首发了新一代Geforce 6系列显卡。首发型号为官方售价为499美元国内4999元的6800Ultra以及定位稍低的6800GT。而此时的NVIDIA还在评估6800Ultra显卡对显存带宽需求,因此当时给媒体送测以及量产的6800Ultra显卡同时具有1.6ns和2.0ns两种显存规格,这也是NVIDIA在旗舰显卡上第一次部署GDDR3显存。

    在发布会当天老黄还举行了一场局域网派对LAN PARTY,人们把自己组装的电脑与主机带到现场,局域网开黑玩《战地》、《虚幻竞技场》等等游戏,还可以在那里获得免费的食物与饮料。

参加聚会排队的人们
图片来自legit reviews 
玩组装的XBOX与PC水冷混合主机 
有人带MAC去玩
发布会现场

     而国内方面4月21号NVIDIA在国内发布GeForce 6系列显卡。有趣的是,早在4月19号ebay上就有一位不愿透露姓名的人士公开售卖GeForce6800Ultra工程版显卡,并最后拍卖出了将近6000元人民币的高价。

    在拆解之前先来看看GeForce 6800Ultra多种原型版本以及各个型号的GeForce 6800在老黄精密手术刀之下的变化。这里介绍的主要是以NV40核心为基础的AGP 6800显卡,使用NV45/48核心的PCI-E显卡之后会专门再写一个专栏补充。

P201 NV40-U 500N/700M SKU1高频原型

P201_A00  2004年2月的SKU
P201_A02   2004年4月的SKU 还出现了Quadro FX(WS0/WS1)

    零售6800Ultra所使用的NV40-U核心还未将频率压榨到风冷极限,因此当时民间一直有传闻会有A2版的超高频NV40核心来代替A1核心。玩家发现实际上直到显卡退市量产6800Ultra频率的NV40-U核心最高也只停留在450Mhz上,这也给人们留下遐想的空间:真的有未发布的高频Ultra么?

    最近碰巧机缘巧合下翻了翻老黄P201文档,发现了一个从未量产的SKU,贯穿了2004年2月到4月这个时间点:

SKU1 NV40-U, 500N/700M, 256MB, DVI-I DUAL, DVI-I DUAL, VIVO

    这块卡目前没有实物图出现并只存在P201的原理图之中,有着夸张的500Mhz核心频率与700Mhz显存频率。不仅如此,这块显卡保留了完整的输入输出能力:VIVO通常代表保留了飞利浦SAA7114视频转换芯片来提供显卡的视频输入功能,而零售GeForce6800全部阉割该功能;第二个DVI-I DUAL中的 “DUAL” 意味着这块卡的第二个DVI接口Dual link没有遭到阉割,而零售版6800Ultra的第二个DVI芯片惨遭阉割因此只有单链路的输出能力。

    从标题来看顾名思义使用了P201 PCB以及NV40-U核心,从频率来看这是一个官超到冒烟的SKU。实际使用上由IBM使用130nm FSG工艺代工的NV40核心在风冷情况下超过470Mhz都很困难,真的很难想象这个500Mhz默认频率的6800Ultra是一个什么样未能量产的怪物。


零售版GeForce 6800Ultra

图片来自Ixbt


箭头指向PCB背面的Sil64CT64芯片被缩减

    零售版的6800Ultra显卡基于P201_A02 PCB,搭载1.6ns或者2.0ns 256MB GDDR3显存。相比6800Ultra原型卡主要空焊了一颗飞利浦7114/5视频芯片和一颗Silicon ImageSil64CT64芯片,这意味着显卡失去了视频输入能力以及下方第二个DVI接口带宽降低所导致的分辨率支持上限变低(变成Single link DVI,1920x1200)。

    零售版显卡核心使用的散热片根据厂家搭配有铜和铝两种材料,核心散热材质由于导流罩的覆盖遮挡很难辨别,但只要上手便能感受到重量差距从而最快判断散热器所使用的材质。


工程版GeForce 6800Ultra

如果想知道PCB的版本,看背面Logo下版号标识结尾即可(180-P10201-0000-Axx)

A00:

A00

A00 使用AGP 4X外观金手指

     

早期核心不同的表面标识 图片来自hexus

      官方最早的GeForce 6800Ultra宣传图(2004年2月的卡,于2004年4月宣传展示使用,当时一些国外的编辑还吐槽到手的显卡和宣传图上不同),显卡使用A00版PCB以及AGP4X接口样式(其实运行在8X速率),单槽设计。

     不仅如此,这张图看起来非常类似渲染图但仔细放大观看后能发现这其实是一张软件后期过美化过后的实物卡,所有的细节非常到位。如果你仔细观察,是可以发现外围的视频芯片是齐全的,这也是6800Ultra早期原型的特征。不过这个时候的显卡还没有使用美人鱼作为主题形象,而是一个初始的NV风格主题显卡,在FX5900以及后期的PCI-E 6800上出现过(其他测试原型卡散热器可能都没有任何图案)。

A01:

单槽挡板


注意金手指 图片来自IXBT

     A01版PCB的金手指第一个空隙之间虽然被完整PCB板覆盖,但依旧没有金手指以及走线填充在其中。A01有个常见的样式(并非所有):如图中这样的单槽挡板+双槽散热器。

    可能在经过A00时期测试后老黄发现单槽散热并不能良好压制运行在400Mhz的NV40核心,因此在A01上使用双槽散热进行测试,但时间紧迫之下挡板并没有进行好适配。而芯片方面A01通常保留了完整Dual link DVI(也就是两颗Silicon Image芯片),飞利浦视频芯片是否阉割则是视个体情况而定。

A02:

A02

阉割芯片搭配VGA接口的特殊A02 图片来自videocardz

     A02版(2004年4月)基本和零售相同,完全的标准AGP8X接口、阉割的芯片、以及标准双槽外观都是非常的“正常”。注意显卡PCB左上角的插座也被取消(A00\A01PCB左上有个5pin的小插座)。华硕的V9999 Deluxe也是可能以这个版本早期为参考生产带VGA接口的6800Ultra。

     总体来说工程版6800Ultra PCB有P201_A00\A01\A02三种版型,根据外围芯片选配、频率以及接口来组成不同的SKU,甚至还有阉割全部外围芯片并将第二个DVI口改成VGA的类型。A00是其中早期原型版本,核心会非常早期而且外围芯片会焊满;A01依然是测试验证使用的PCB,PCB修改继承自A00但是核心更成熟且大部分卡使用了双槽散热器;A02则是提供媒体送测和量产的版型,这一版型没有必要的芯片以及接口基本全部阉割+调教完毕可用于量产。

    早期的原型A00以及A01 GeForce 6800Ultra搭配的挡板与散热器大部分是单槽设计,散热器代号为TM30;中后期NV发现NV40芯片产生的热量超过预期,所以个别A00、大部分A01A02会搭配代号为TM24的双槽散热器以及单双槽宽度的挡板,也就是我们看到的量产样式。

GeForce 6800GT/GS

双大4D完整供电的6800GT 图片来自aqua mac


早期V9999GT 图片来自stivalinegozio.com

    有一种早期公版6800GT使用了和6800Ultra相同的PCB与供电用料,只是散热更换成单槽散热器但保留了双4D电源接口。有传闻说这是早期版的6800GT,而华硕就推出过一款V9999GT采用类似设计,注意它的AGP金手指和A01版6800一样,可能是以A01版GeForce 6800为原型的设计。

    比较可惜的是,不知道是产量问题还是老黄的限制因素(和6800Ultra过于接近),无论原厂卡还是华硕的V9999GT这种6800GT发行量都不大;不过嘛华硕这款降价后当年3899元的售价其实比其他二线品牌的6800U也便宜不了太多。

     平常最容易买到的公版6800GT相比6800U主要是对供电进行了阉割,核心、显存缩水一相以及删除了对应的mlcc电容组和固态电容,并减少一个大4D电源口。老黄这么做估计是为了降低成本以及拉开和6800Ultra的差距,由于6800GT和6800U在3D性能上只有频率的差距(6800U 400/550Mhz→6800GT 350/500Mhz),因此硬件上的阉割更能让老黄睡个安稳觉。

6800GT阉割出来的GS 图片来自wiki

    6800GS AGP主要有三种:1.6800GT阉割成12管线的6800GS;2.高频6800标准版改名成的6800GS;3.厂家使用NV41核心+BR02桥接芯片做出来的鬼畜6800GS非公版。

    其中最好的版本当属是BFG这种基于6800GT阉割出来的6800GS,有比较大的潜力,还能开核成16管线超频直逼甚至超过6800GT,PCB的供电做工用料也和6800GT完全相同提供了充裕后备保障。

GeForce 6800/LE/XT

耕升 6800LE 图片来自Twoje PC

    基于P212公版的6800标准版/LE/XT相比P201供电部分用料大幅度缩水,显存也改成DDR,但依然够用。这一档的6800显卡也正是普通人当年也能买得起的型号,甚至部分型号和自家6600GT都处于竞争关系。

    6800标准版 和6800GS一样都是12管线,并降低了一些核心频率(350→325Mhz),显存由于DDR的关系导致带宽上不如使用GDDR3的6800GS(500Mhz→350Mhz),总体性能也比6800GS差一些。

    6800LE和XT规格相似,显存容量取决于厂家的选择(128MB/256MB),采用阉割一半规格的NV40核心,只有8条管线以及4个顶点;频率方面则核心在标准版基础上降频到300Mhz,大量的阉割导致这两难兄难弟只能和6600GT掰掰手腕。但是只要他们价格足够便宜,且NV40核心还具有一定的可玩性,玩家愿意折腾下来依就能够获得非常不错的性能提升。

    至于在6800LE基础上阉割至128bit显存位宽的更低频率的6800XE,别说了6600GT了,能不能打过6600标准版都要打个问号?部分被阉割NV40核心都是有几率开核心的,但这种直接砍一半显存位宽就属于无解型号,即使使用16管线完整核心也发挥不出性能。


6800Ultra拆解

     因为是工程卡的缘故所以散热器表面原厂就没有任何图案,这也是6800Ultra原本样貌。AGP版散热器和PCI-E的是通用的,所以直接打开散热简单看看结构。

外壳由铝片安装在塑料导风罩上构成,然后加上一个台达离心扇

核心与显存

    散热器的核心散热部分是各个版本6800Ultra所通用的,也就是AGP\PCI-E \MAC版的散热器都是可以通用更换轻松又快乐。手上AGP版使用的是挤铝散热,有些厂家为了加强散热效果会使用铜作为核心散热片的材质。

    显存散热部分由一根镀镍热管穿插在↑→两个方向的鳍片之中来为显存导热,显存↑部分热量由其被动散热(包括平衡掉一些→方向显存的热量)。右边的散热片则由核心吹出来的热风散热(加热?)显存,6800Ultra的显存散热无论是AGP还是PCI-E的都挺旧式,在个人看来这不是一个十分合理的设计。

移除散热就可以看到PCB正面完整样貌

FC-BGA 1309封装的NV40核心

NV40核心由IBM 130nm FSG工艺制造,2.22亿个晶体管,287mm²面积。

GC20=2.0ns

     这块显卡使用的是2.0ns的三星 K4J55323QF-GC20  144pin FBGA封装GDDR3显存。规格为8Mx32,八颗组成256bit 256MB规格,核心和IO电压都是2.0V±0.1V。由于是2.0ns 这个显存默认只有1000Mbps/pin速率,NV官方将其超频以满足6800Ultra默认的1100M(550Mhz)频率。

    如果是用1.6ns显存的6800U(1200M),理论上显存超频潜力会更大一些,因为在相同电压下比2.0ns留出更多的超频空间。

     6800Ultra AGP版本主供电一共有3+2相供电,其中核心供电(NVVDD)为3相,显存供电(FBVDD/FBVDDQ)为2相;在旁边还有提供外围Analog 3.3V的一相线性稳压供电(5V→3.3V)。

     从上往下看:核心供电使用三颗VT1103S高集成MOS,由PCB背面的PWM主控VT1103M控制,这些MOS(官方称之为slave)内置上下桥以及驱动器。显存供电使用两颗VT223(12A)全集成电源IC,无需外部主控控制。

     电容方面高压部分使用了MLCC与固态电容混合滤波的方案,主要由四颗日化330μF固态加上10颗16V 1210 X5R 22μF MLCC组成。

     最后便是6800U标志性的双大4D供电接口。要注意的是大4D接口尽量不要使用同一条线供电,在显卡工作时也不要热插拔,否则可能会导致显卡供电损坏。此外6800U显卡两个大4D插法对显卡的影响是:

都插:无限制最高性能模式

只插主大4D(PRIMARY):性能限制模式

不插:无法运行,蜂鸣器会响

VT1103M主控
VT223与VT1103S电源芯片

    高频NV40核心在高负载运行时需要消耗大约60A电流,八颗GDDR3显存则是16A左右。靠着那个年代的豪华供电硬顶着高频NV40核心带来的电源消耗,这也就是不推荐定位稍低的AGP 6800GT或者开核6800LE按照6800Ultra的规格长时间去跑的原因,时间长了供电加速老化很容易出问题,而且阉割小能手老黄的操作导致前两者供电规模远不如后者。


22μF←显存  MLCC  核心→ 10μF

     电源低压处滤波是全MLCC。右边30颗16V 1206 X5R 10μF MLCC负责核心,左边12颗6.3V 1206 X5R 22μF MLCC负责显存。

     就上面说的那样,6800U的显存供电使用了两颗12A 的VT223电源芯片供电。如果要修改提供给显存电压,远不如核心供电那样直接软件修改方便(那会显卡的显存供电不支持通过总线通信修改显存电压)。需要自己DIY显存电压更进一步榨取显存超频潜力的话,就要通过影响这个电源芯片FBVDD_ VREF引脚基准值来实现。

     你可以看到两颗显存电源芯片都有一个相同的0603贴片电阻,这个就是要改造的地方。

VT223输出电压的计算公式是:设定阻值 Rset = (输出电压Vout / 1.23)x 43.2K即

Vout = Rset / 43.2K x 1.23

0603贴片电阻标识对照表

    查询一下0603贴片电阻标识的值83C,可知道它是一个71.5K的电阻。代入公式简单算下即可知道供电芯片给显存默认电压大约是2.035V(这个卡FBVDD、VDDQ是一样的设定,如果要改的话需要一起改)。那么这时候你想给显存提高0.1V电压进一步压榨显存频率潜力,根据公式需要用上75K阻值的贴片电阻来达成大约2.135V。这个时候再去对照表里找75.0K阻值信息,也就是需要标识85C的0603贴片电阻替换即可达成2.135V输出电压。 

     看完了供电部分再来看看显卡的输出接口配置以及被取消的插座用处:

←FX4000  6800U→

     由于NV40核心DAC只能对一个DVI接口提供完全的Dual link输出,第二个DVI接口就必须要依赖外置芯片来提供TMDS。零售6800U卡上第二个DVI口(J5)只会有一个芯片来提供Single link DVI输出,以此让GeForce无法在输出方面匹敌Quadro FX4000(FX4000是两块芯片为下方DVI提供Dual link,完整支持2560x1600分辨率),另外在这里使用的芯片型号有Sil178CT64也有用Sil164CT64的。

   飞利浦视频芯片SAA7114/5是为显卡提供视频输入输出VIVO功能,但是6800U和7800GTX零售卡全部阉割。

J6连接同步卡的FX4000 SDI

     J6 Frame Locker接口是和给FX4000 SDI使用的同步接口,FX4000 SDI会在显卡基础上再安装一层同步卡扩展板,两者之间通过这个12Pin接口通讯;J7是立体声接口,用于音频相关;J8 12Pin则是连接PCI电视调制卡使用的接口,可能是为了打造NPC版6800显卡测试所使用的接口(如果焊接5Pin说明使用内置视频功能,如果焊满12Pin则是PCI调制卡和内置视频全兼容)。此外查询了下,这个接口和GeForce FX5900 NPC(nvidia personal cinema)上连接扩展子卡的12Pin接口针脚定义是相同的,也许曾经可能真的会有推出6800 NPC版本的打算?最后一个JTAG则是测试核心用接口。

     最后是PCB版号以及日期:

   04年16周 1Di

版号180-10201-0000-A02

这次就到这里了,有错误欢迎指出哦!

开头Geforce lan参考来源:

NVIDIA Geforce 6800 (NV40) Launch  - Legit Reviews The Geforce LAN


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