Hard du Hard • VRM et GPU, une relation compliquée

Depuis la sortie des GeForce RTX du fabricant la semaine dernière, pas mal d'informations et de ragots circulent sur le fonctionnement et la consommation des cartes graphiques en général. En effet, depuis plusieurs années  le fonctionnement des régulateurs - appelés VRM dans notre cas - n'a pas des masses évolué. Mais pourtant : 

Comment les VRM de nos cartes graphiques peuvent-elles influencer et améliorer leur stabilité et performances ?

Mais qu'est-ce que c'est donc les VRM déjà ? 

Il est vrai que le terme est souvent cité lors des tests de cartes mères ou de GPU, mais ils sont présents un peu partout. Il s'agit d'un sigle en langue de Shakespeare signifiant "Voltage Regulator Module" ou "Module de Régulation de Tension" en langue de Molière. Ces modules permettent de transformer des tensions soit en les élevant soit en les abaissant selon une référence qui est attribuée. C'est le même principe que sur vos voitures : vous entrez une vitesse et la voiture reste calée dessus. Dans la vraie vie, ça donne ça : 

Comme vous le voyez, la réalité est moins drôle que la théorie encore une fois - sauf si vous êtes un sadique et adorez voir souffrir les gens - nous ne jugerons pas - et la transformation amène des pertes issues des imperfections des composants et des perturbations, et l'énergie perdue entraîne une dissipation en chaleur depuis le composant.

Mais vous me direz : "comment on peut passer d'une tension à une autre ?" Il y a plusieurs méthodes, on pourra essayer des heures à les débattre, car chacune a ses avantages et inconvénients selon les cas d'utilisations. Dans notre cas précis, l'alimentation des GPU - au passage, la méthode est similaire pour les CPU et chipsets - utilise une méthode dite à découpage Buck - hacheur série en français, ça fait moins envie.

Pour faire simple, il s'agit de stocker ou libérer de l'énergie dans un couple condensateur/bobine à haute fréquence, sous forme d'un signal carré haché - d'où le nom. Comme le condensateur lisse la tension, il va prendre la moyenne entre tension haute et tension basse selon une période - voir le schéma ci-dessous - pendant que la bobine lisse vers le haut le courant disponible. Ce système ressemble beaucoup à celui des transformateurs de tension, mais applicables sur des tensions continues.

Voici un schéma illustrant l'action des composants sur le circuit

Si vous avez suivi ou retenu les premiers Hard du Hard - nous l'espérons, sinon il y a des rappels en haut de cet article - vous savez déjà qu'un bon condensateur est nécessaire pour lisser correctement une tension, et que selon la fréquence du signal on devra aussi plus ou moins surdimensionner les composants. Donc vous allez probablement dire "il suffit de monter haut en fréquence, non ?".

Coups de fouet de la physique et des pertes énergétiques

Si la physique des semi-conducteurs était aussi parfaite, nous ne vous rabâcherions pas que les laboratoires du monde entier cherchent à développer les successeurs de la RAM. Il y a deux soucis principaux à la montée excessive en fréquence :

• En montant trop haut, on atteint les limites des circuits passifs et des problèmes de compatibilité électromagnétique apparaissent : perturbations, changement des valeurs d'impédance, coil whine ...
• Les transistors (principalement les MOSFET) ne sont pas parfaits. Ils disposent d'une capacité d'entrée, qui stocke un peu d'énergie ; plus on monte haut en fréquence, plus cette capacité requiert de la puissance électrique et crée de la chaleur.

Bon, imaginons que nous avons trouvé un bon compromis en fréquence. L'autre point c'est ce courant de polarisation : s'il reste trop longtemps présent dans le transistor, celui-ci va chauffer jusqu'à se transformer en fusible. Il faut donc que le temps durant lequel le transistor conduit soit faible. Vous comprenez maintenant pourquoi lorsqu'on augmente la tension Vcore du GPU, on chauffe beaucoup. Car à savoir, pour alimenter votre dernière RTX (enfin quand vous l'aurez), ce sont des centaines d'ampères qui sont nécessaires, donc chaque % de rendement perdu fait chauffer à l'extrême vos petits MOSFET.

Sur cette Vega 64, on voit le surdimensionnement des selfs (les gros carrés métalliques) pour encaisser la consommation élevée de la carte. Les mosfet sont en boitier métallique afin de mieux dissiper la chaleur.

Toute une histoire de synchronisation temporelle

Heureusement, il existe une alternative afin d'éviter de jouer à qui a la plus grosse sur les radiateurs et refroidissements des VRM. Il s'agit de les multiplier et de les synchroniser sur des impulsions courtes. En gros, on leur demande de conduire moins longtemps pour chaque VRM et de les faire fonctionner les un après les autres. La longueur de l'impulsion du coup est différente, elle correspond à la somme de toutes les impulsions : T_passant = nb_phase x T_VRM.

Représentation d'un montage de VRM en multiphase

Autre avantage de cette méthode, elle permet de fournir un courant moyen plus élevé et surtout un courant plus lisse. En multipliant les phases, les temps de chargement et déchargement cumulés donnent une forme d'onde du courant plus "propre" et augmentent artificiellement la fréquence de l'oscillation résiduelle de la sorte : f_rés = nb_phase / (2*pi*T_VRM). En obtenant un courant de sortie plus propre et plus stable, on améliore directement la stabilité de notre GPU, car il pourra si un besoin urgent arrive fournir réellement le courant nécessaire sans trop osciller (rappelez-vous de notre brève sur le Vdroop). Attention cependant, une mauvaise synchronisation risque à l'inverse d'être pire, rendant totalement irrégulier l'approvisionnement en courant. 

Représentation de la fluctuation du courant dans un système multiphases en entrée et en sortie

Dernier point sur les systèmes multiphases, augmenter le nombre de phases réduit drastiquement le rendement énergétique à faible puissance. Donc, il faut soit éviter de trop rajouter de phases, soit avoir un processeur dédié à l'alimentation qui gère toutes les histoires de PWM, de régulation de tension/courant et qui peut donc activer ou désactiver des phases selon les situations.

Variation du rendement selon le nombre de phases actives

L'évolution ultime de nos jours : les puces tout-en-un

Pour terminer, il nous faut évoquer une évolution très récente dans le domaine qui est l'implantation de puces tout-en-un, qui remplissent en plus de leur rôle de switch diverses fonctions : 

• capteur de température interne de la puce
• contrôle des surtensions et des surintensités
• analyse du courant de sortie et équilibrage entre phases, réduisant drastiquement les oscillations et augmentant la capacité à répondre à des pics élevés de courant
• rendement plus élevé à faible courant par optimisation de la polarisation

Vous l'aurez compris, ces puces permettent en gros d'obtenir un système plus simple à mettre en œuvre. Ce qui veut dire aussi moins cher en termes d'implémentation et plus fiable, car plus on simplifie un circuit électronique et plus on le surveille, et moins il risque de cramer.

Sur l'étage d'alimentation de cette RTX 2080, on voit que les traditionnel mosfets sont remplacé par des circuits plus élaborés (en vert), les composants passifs sont moins gros du fait de la réduction des oscillations (cliquez sur l'image pour mieux voir)

Et très récemment, c'est NVIDIA qui nous a surpris en changeant radicalement la fabrication de l'alimentation de ses Founder Edition. Grâce à l'utilisation de puces FDMF3160 de chez Onsemiconductor, les verts permettent une maîtrise parfaite des tensions malgré la demande élevée en puissance. Et qui dit tensions plus stables dit aussi plus de marge pour l'OC si l'envie vous prend.

On avait déjà vu l’utilisation de circuits sur les cartes customs auparavant, mais en ayant conçu toute l'alimentation de la carte avec des systèmes plus modernes, la rupture est de taille : on maintient la même température des VRM tout en consommant plus de puissance que l'ancienne génération. À voir si les fabricants de cartes graphiques suivront le pas, voire le concurrent rouge d'ici quelques mois ?