그래픽카드를 PCB로 알아봅시다 - 이야기

컴퓨터 리뷰 사이트를 보다 보면 그래픽카드의 쿨러를 분해하고, 그 내부의 PCB 기판을 스캔해서 올리는 경우가 꽤나 있습니다. 그것이 공개되면 그 PCB를 보고 좋아하는 컴덕도 있고, 비난하는 컴덕도 있지요. 솔직히 저도 왜 그러는지 몰랐습니다. 근래에서야 정보를 축적하면서 알게 되었습니다. 저는 컴퓨터와 100광년 쯤 떨어진 전공을 공부했고, 하는 일도 공학과 전혀 관련이 없다보니 이론적 토대가 없습니다. 그래도 인터넷에서 구르며 얻은 정보를 나눠볼까 합니다. 물론 저도 알아가는 입장인지라 정확하지 않은 정보일 수 있습니다.

nVIDIA GeForce GTX 1080 Founders Edition의 PCB 앞면 이미지입니다. 표시된 숫자가 목차의 숫자입니다.

1. GPU (그래픽 코어, VPU)

GTX 1080에 들어가는 GPU는 16nm TSMC 파스칼 공정의 GP104 입니다. 인텔도 CPU에 세대별로 다양한 공정 이름(지명)을 붙이듯이 엔비디아도 400번대 카드 이후에 위대한 수학자의 이름을 딴 이름을 붙입니다. 풀어서 이야기하자면 GP104는 GeforcePascal 104입니다. 1은 1세대를 의미하고 04는 퍼포먼스 칩셋을 뜻합니다. GTX 980Ti 에 들어가는 GPU는 GM200인데 같은 식으로 풀면 2세대 맥스웰 00, 플래그십 칩셋입니다. 엔비디아는 00(혹은 10)>04>06>07 식으로 숫자가 작을수록 강력한 칩셋입니다.

28나노 공정에 들어선 이후(케플러, 700번대 이후)로는 예전처럼 GPU 뚜껑인 히트 스프레더를 사용하지 않아서 코어가 쿨러에 바로 결합합니다. 히트 스프레더가 코어를 보호하지 못하고 바로 노출된 형태라 쿨러 분해 결합 할 때 굉장히 조심해야합니다.

하는 일은 다 아시겠지만 그래픽 작업의 처리입니다.

2. VRAM (그래픽 버퍼, 메모리)

GTX 1080에 들어가는 램은 마이크론사 20nm 공정의 GDDR5X 램입니다. G는 Graphics고, DDR5는 램 규격의 그 Double Data Rate 맞습니다. X는 마이크론사가 뚝심으로 밀어붙인 별종입니다. 사진을 보시면 8개로 이루어져 있고, 개당 1GB의 용량이라는 것은 쉽게 유추하실 수 있으실 겁니다. 하지만 VRAM의 성능은 좀 복잡한 문제인데, 나름대로 쉽게 설명 드리면 이렇습니다.

메모리 인터페이스가 한 번에 전송할 수 있는 용량을 '버스'라고 칭합니다. GDDR5(X)에서 보통은 32Bit가 램 컨트롤러 하나당 배정되고, 여기선 8개로 구성되어 있으니 256Bit가 됩니다. 보통 차선의 갯수라던지, 강의 너비로 비유하지요. 여기에 개별 메모리의 동작 속도(MHz)만큼 전송을 할 수 있습니다. GDDR5X는 10-14GHz 속도로 동작할 수 있습니다. GTX 1080에서는 10GHz 속도로 작동합니다. 보통은 이걸 차의 속도나 강의 유속에 비유하지요. 결론적으로로에서 지나갈 수 있는 차의 양이나 강에서 흐르는 물의 양은 직관적으로 폭 X 속도라는 것을 알 수가 있듯이, 메모리도 버스 X 동작 속도만큼의 데이터 처리 능력을 지닙니다. 256 Bit 를 초당 동작 속도인 10GHz로 곱하면 2560 Giga Bit/s이고, 1바이트는 8비트이므로 이걸 8로 나누면, GTX 1080의 그래픽 메모리는 320GB/s의 처리능력을 가진다고 할 수 있습니다. 이를 그래픽 메모리의 대역폭이라 칭하고, 이것으로 VRAM 성능을 평가합니다.

하는 일은 텍스처를 저장해 GPU가 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있도록 해주는 버퍼입니다.

3. 코어 전원부 (VRM)

코어로 공급되는 전원을 처리합니다. 아래 세 개가 합쳐저서 전원이 지나는 길인 Phase를 이룹니다. 컨트롤러가 받쳐준다면 페이즈가 많을 수록 페이즈마다 전원을 분담하게 되서 더 안정적이고, 더 많은 전원을 공급해 줄 수 있습니다. 전원이 모자라면 그래픽 오류나 성능 저하가 일어납니다. 보통 팩토리 오버클럭을 해서 나오는 비레퍼런스 모델은 전력 사용량이 많아져서 전원부를 강화해서 나옵니다. 개인적으로 오버클럭 할때도 중요한 부분입니다.

(1) 커패시터 (콘덴서): 전류를 축/방전해서 안정적인 전류공급을 하게 해줍니다. GTX 1080FE에 들어가는 ~~일반적으로 쓰이는 알루미늄 커패시터보다 고급형으로 평가받는 탄탈륨 커패시터가 들어갑니다~~. 3종이 다 다릅니다. 댓글을 참조하세요. 쉽게 알아보는 방법은 보통 커패시터에는 극성이 있어 띠가 들어가 있습니다.

요래 생긴 게 일반적인 알루미늄 커패시터입니다. 탄탈륨 커패시터와 마찬가지로 극성 표시가 있습니다. 좌측은 일반형, 우측은 솔리드 알루미늄 커패시터입니다.

(2) 초크 (인덕터) : 고주파를 정류해서 더 깨끗한 전류 공급을 하게 해줍니다. GTX 1080 FE에는 금속 차폐 초크 코일이 들어갑니다. 옛날에는 코일이 노출되어 있는 경우도 있었지만, 요즘은 어지간하면 금속으로 차폐된 코일을 씁니다. 제조사마다 초크를 다르게 쓰기 때문에 세부 부품 스펙을 모르면 부품을 평가하기가 어렵습니다. 이 부품이 고정/차폐가 제대로 되어 있지 않으면 진동함에 따라 코일 노이즈(흔히 고주파음이라 부르는 그것)를 발생시킬 수도 있습니다.

(3) 모스펫 (MOSFET) : 페이즈의 핵심입니다. 아주 간단하게 말하자면 전압/전류 스위치라고 볼 수 있습니다. 보통 모스펫은 드라이버 IC, High Side, Low Side 모스펫 3종 3~4개 한 세트로 구성되어 있지만, G~~TX 1080 FE에 들어가는 건 하나인 것을 볼 때 드라이버 모스펫 (DrMOS)의 일종인 듯 합니다. 보통 드라이버 모스펫은 다리가 좀 많은데 저건 처음보네요.~~ 댓글을 참조하세요 드라이버 모스펫이나 아래 언급할 DirectFET이 고급형이라고 합니다.

구형 모스펫인 D-PAK 은 이렇게 생겼는데, 이제 잘 쓰이지는 않습니다.

신형 모스펫인 Low RDS(on) 모스펫은 이렇게 생겼습니다. 주로 이 부품이 쓰이고, 고가형으로 올라가야 DrMOS, DirectFET등이 쓰입니다

(4) VRM 컨트롤러 (Pulse Width Modulation, Voltage Controller)

앞면의 위치가 블로워 팬 자리여서 그런지 뒷면에 있습니다. 사실은 전원부에서 가장 중요한 부품인데, Phase로 가는 전압을 조절하고 전류를 배분해주고, 통제하는 역할을 합니다. 디지털과 아날로그(+하이브리드) 방식이 있습니다. 보통은 반응성은 좀 느리고 복잡하지만 전압과 전류를 출렁임 없이 더 정확하게 컨트롤 하고, 예측까지 가능한 디지털 컨트롤러가 아날로그보다도 좋다고 합니다. (참조 영상 링크) GTX 1080에는 새로운 컨트롤러 uPI의 uP 9511P가 들어간다고 하며 정확한 정보는 없다고 합니다. 다만 칩셋에 하얀 점이 찍혀 있으면 디지털 방식이라고 하니 디지털 방식은 맞는 것 같습니다.

4. 메모리 전원부

+ X로 칭해지는 친구입니다. 하는 일은 똑같고 대상만 메모리인데 뭔가 좀 다른 위치에 있거나 부품 구성이 달라서 구별이 됩니다. 정확하게 나누는 기준은 PCB배선을 봐야하지만 실질적으로 그게 어려우니 다 똑같으면 저도 명확하게 구분은 못합니다. 어쨌든 GTX 1080 FE의 총 전원부 구성은 이 메모리 페이즈 +1까지 합쳐서 6+1 Phase라고 칭합니다.

5. 보조전원

PCi-e 에서는 최대 75W의 전원을 공급해 줄 수 있지만, 그걸로는 퍼포먼스 이상급 그래픽카드의 전원 소모를 감당하긴 힘듭니다. 그래서 아예 파워 서플라이에서 따로 전원을 땡겨오는데, 그게 바로 보조전원입니다. 8핀은 150W, 6핀은 75W 전원 공급이 가능합니다. 따라서 GTX 1080 FE은 75(PCi-e)+150(8핀) 즉, 225W 의 전원을 사용할 수 있습니다.

6. SLI 핑거

다중 그래픽카드 구성에서 그래픽카드 간의 통신을 맡은 부분입니다. GTX 1080에서는 High Bandwith SLI로 두 핑거를 모두 사용합니다. 3 Way 이상 구성은 권장하지 않으며 엔비디아에 문의를 해야한다고 합니다.

이에 비해 HBM을 쓴 AMD Fury X는 조금 특이합니다.

퓨리 X PCB 입니다.

1. GCN 1.2, Fiji XT GPU : AMD는 GPU 이름으로 특정 컨셉을 잡습니다. 화산섬(200시리즈), 해적섬(300시리즈, 퓨리)등이죠. 원래 폴라리스도 북극섬 시리즈였는데 북극성이 되었습니다. XT는 풀칩, Pro는 컷칩을 의미합니다. GCN은 Graphics Core Next로 일종의 세대명이라고 할 수 있습니다. 퓨리 X는 3세대 GCN이고, 현재 폴라리스 10은 4세대 GCN입니다.

2. HBM 메모리 : 버스가 4096bit이고, 동작 속도는 1GHz 이니 512GB/s 입니다. 코어와 같이 인터포징되어 있습니다.

3. 전원부 :

(1) 탄탈륨 커패시터입니다.

(2) 나노의 경우 이 초크에서 고주파음이 나오는 경우가 있다고 합니다.

(3) 모스펫이 DirectFET이며, 금속 하우징을 둘러싸고 있습니다. 이것도 고급형입니다.

(4) 300대에서 쓰듯이 IR 계통의 디지털 VRM 컨트롤러 인듯 합니다.

4. 기타 전원부 : +1(메모리) +PLL Phase인지 +2(메모리)인지는 잘 모르겠습니다. 아마도 전자인 듯 합니다.

5. 보조전원 : 8+8pin이면 최대 375W 를 끌어올 수 있으나, 코어/전원부의 한계로 그렇게까지 쓰지는 못합니다.

6?. AMD의 멀티 GPU 기술 Crossfire는 SLI 처럼 핑거를 쓰지 않고 PCie 로만 통신합니다.