Nvidia đã ra mắt thế hệ GeForce RTX 30 series tối qua và bên cạnh hiệu năng của GPU Ampere thì thiết kế của những chiếc card RTX 30 series cũng là một thứ đáng để quan tâm - có thể nói là lần đầu tiên card đồ họa lại có thiết kế 2 quạt nằm so le cái trên cái dưới như vậy. Nvidia đã tiết lộ qua một video nói về thiết kế card đồ họa dưới đây:
Theo lời các kỹ sư và đội ngũ thiết kế của Nvidia thì khi thiết kế card đồ họa, một trong những thách thức lớn luôn là thiết kế tản nhiệt (thermal design). Thử tưởng tượng nếu GPU hoạt động mà không có heatsink, không có quạt thì nhiệt độ của nó sẽ lên đến 760 độ C, nóng hơn 100 độ C so với nhiệt độ nóng chảy của nhôm. Anh David Haley cho biết yếu tố cốt lõi đó là vận dụng định luật thứ 1 về nhiệt động học - chính là định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không được tạo ra hay mất đi bên trong một hệ thống đóng kín. Card đồ họa có thể được xem là một hệ thống đóng kín bởi năng lượng được đưa vào card đồ họa dưới dạng điện năng > điện năng được vi xử lý đồ họa chuyển đổi thành nhiệt năng > nhiệt năng này được giải phóng qua hệ thống tản nhiệt. Cũng trong video thì Nvidia đã lần lượt các bước điện chuyển đổi thành nhiệt và nhiệt được giải phóng như thế nào. Về cơ bản thì thiết kế của card đồ họa tới bây giờ vẫn dùng giải pháp tản nhiệt gồm ống đồng (bên trong có chất lỏng dưới nhiệt độ cao sẽ hóa hơi và khi lạnh trở lại dạng lỏng) > các vây (fin) với bề mặt tản nhiệt lớn và quạt để khuếch tán nhiệt.
Để đạt được hiệu quả tản nhiệt cao hơn thì bài toán đặt ra là phải làm sao đưa được luồng gió lớn hơn đi qua các vây trên heatsink từ đó có thể giải phóng nhiệt nóng nhanh hơn. Nvidia đã dùng đến các công cụ mô phỏng dòng chảy của vật chất trên máy tính để xác định cách dòng khí "chảy" qua hệ thống tản nhiệt của card đồ họa. Kết quả là Nvidia đã thiết kế lại quạt và vị trí đặt quạt, phần mềm điều khiển quạt và heatsink để có được luồng khí tối ưu. Nvidia đêm qua đã nói cụ thể về thiết kế này: quạt ở đầu card sẽ lấy khí mát > thổi vào heatsink > luồng khí nóng được đẩy lên trên thay vì đẩy vào backplate và tán ra xung quanh như thiết kế tản nhiệt open air của "bếp gas" RTX 20 series. Luồng khí nóng này sẽ được hút ra ngoài bởi quạt sau thùng máy (anh em có lẽ sẽ cần quạt sau thùng có airflow lớn để giải phóng nhanh dòng khí nóng này). Quạt ở đuôi card sẽ hút khí mát thổi qua heatsink nhưng khí nóng sẽ được đẩy vào backplate và thổi ra sau giống như thiết kế tản nhiệt lồng sóc của card Founders đời trước. Như vậy nhiệt sẽ được khuếch tán và đưa ra ngoài nhanh hơn.
Việc thay đổi thiết kế quạt và heatsink cũng dẫn đến việc thay đổi thiết kế của bo mạch card và những thành phần khác, bo mạch của RTX 30 series cũng có hình như cờ đuôi nheo thay vì hình chữ nhật truyền thống.
Andrew Bell - phó chủ tịch bộ phận thiết kế sản phẩm của Nvidia cho biết thiết kế của một chiếc card cũng phải đảm bảo tính có thể sản xuất được và sản xuất ở số lượng lớn. Ông đề cập đến một cải tiến thú vị mà Nvidia đã thực hiện trên dòng RTX 30 series - cơ chế ốc lò xo bắt tản nhiệt với GPU đã được cải tiến bằng khung đàn hồi. Thiết kế này giúp giảm đi độ dày của hệ thống bracket bắt heatsink, tối ưu không gian cho heatsink từ đó tăng diện tích khuếch tán nhiệt.
Ở khía cạnh hiệu năng, Nvidia muốn tăng cường hiệu năng GPU với dòng điện vào lớn hơn, bằng chứng là hãng trang bị dàn điện đến 18 phase cho RTX 3080 để GPU đạt xung nhịp Boost cao hơn. Tuy nhiên, một thách thức lớn theo giám đốc kỹ thuật hệ thống của Nvidia - Gabriele Gorla đó là bảo toàn chất lượng tín hiệu hay khử nhiễu crosstalk - hiện tượng xảy ra khi các đường dây điện trên mạch PCB nằm quá sát nhau vì diện tích bo không lớn, mật độ dây dẫn dày. Giải pháp của Nvidia là tăng số lớp của bo mạch PCB và tối ưu đường đi của các dây dẫn in trên mạch. Ngoài ra, Nvidia cũng đã thiết kế cổng 12-pin MicroFit thay cho cổng ATX 8 pin hay 8 + 8 pin kiểu cũ để tiết kiệm không gian trên bo mạch trong khi vẫn có thể cho dòng điện vào lớn hơn.
Theo lời các kỹ sư và đội ngũ thiết kế của Nvidia thì khi thiết kế card đồ họa, một trong những thách thức lớn luôn là thiết kế tản nhiệt (thermal design). Thử tưởng tượng nếu GPU hoạt động mà không có heatsink, không có quạt thì nhiệt độ của nó sẽ lên đến 760 độ C, nóng hơn 100 độ C so với nhiệt độ nóng chảy của nhôm. Anh David Haley cho biết yếu tố cốt lõi đó là vận dụng định luật thứ 1 về nhiệt động học - chính là định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không được tạo ra hay mất đi bên trong một hệ thống đóng kín. Card đồ họa có thể được xem là một hệ thống đóng kín bởi năng lượng được đưa vào card đồ họa dưới dạng điện năng > điện năng được vi xử lý đồ họa chuyển đổi thành nhiệt năng > nhiệt năng này được giải phóng qua hệ thống tản nhiệt. Cũng trong video thì Nvidia đã lần lượt các bước điện chuyển đổi thành nhiệt và nhiệt được giải phóng như thế nào. Về cơ bản thì thiết kế của card đồ họa tới bây giờ vẫn dùng giải pháp tản nhiệt gồm ống đồng (bên trong có chất lỏng dưới nhiệt độ cao sẽ hóa hơi và khi lạnh trở lại dạng lỏng) > các vây (fin) với bề mặt tản nhiệt lớn và quạt để khuếch tán nhiệt.
Để đạt được hiệu quả tản nhiệt cao hơn thì bài toán đặt ra là phải làm sao đưa được luồng gió lớn hơn đi qua các vây trên heatsink từ đó có thể giải phóng nhiệt nóng nhanh hơn. Nvidia đã dùng đến các công cụ mô phỏng dòng chảy của vật chất trên máy tính để xác định cách dòng khí "chảy" qua hệ thống tản nhiệt của card đồ họa. Kết quả là Nvidia đã thiết kế lại quạt và vị trí đặt quạt, phần mềm điều khiển quạt và heatsink để có được luồng khí tối ưu. Nvidia đêm qua đã nói cụ thể về thiết kế này: quạt ở đầu card sẽ lấy khí mát > thổi vào heatsink > luồng khí nóng được đẩy lên trên thay vì đẩy vào backplate và tán ra xung quanh như thiết kế tản nhiệt open air của "bếp gas" RTX 20 series. Luồng khí nóng này sẽ được hút ra ngoài bởi quạt sau thùng máy (anh em có lẽ sẽ cần quạt sau thùng có airflow lớn để giải phóng nhanh dòng khí nóng này). Quạt ở đuôi card sẽ hút khí mát thổi qua heatsink nhưng khí nóng sẽ được đẩy vào backplate và thổi ra sau giống như thiết kế tản nhiệt lồng sóc của card Founders đời trước. Như vậy nhiệt sẽ được khuếch tán và đưa ra ngoài nhanh hơn.
Việc thay đổi thiết kế quạt và heatsink cũng dẫn đến việc thay đổi thiết kế của bo mạch card và những thành phần khác, bo mạch của RTX 30 series cũng có hình như cờ đuôi nheo thay vì hình chữ nhật truyền thống.
Andrew Bell - phó chủ tịch bộ phận thiết kế sản phẩm của Nvidia cho biết thiết kế của một chiếc card cũng phải đảm bảo tính có thể sản xuất được và sản xuất ở số lượng lớn. Ông đề cập đến một cải tiến thú vị mà Nvidia đã thực hiện trên dòng RTX 30 series - cơ chế ốc lò xo bắt tản nhiệt với GPU đã được cải tiến bằng khung đàn hồi. Thiết kế này giúp giảm đi độ dày của hệ thống bracket bắt heatsink, tối ưu không gian cho heatsink từ đó tăng diện tích khuếch tán nhiệt.
Ở khía cạnh hiệu năng, Nvidia muốn tăng cường hiệu năng GPU với dòng điện vào lớn hơn, bằng chứng là hãng trang bị dàn điện đến 18 phase cho RTX 3080 để GPU đạt xung nhịp Boost cao hơn. Tuy nhiên, một thách thức lớn theo giám đốc kỹ thuật hệ thống của Nvidia - Gabriele Gorla đó là bảo toàn chất lượng tín hiệu hay khử nhiễu crosstalk - hiện tượng xảy ra khi các đường dây điện trên mạch PCB nằm quá sát nhau vì diện tích bo không lớn, mật độ dây dẫn dày. Giải pháp của Nvidia là tăng số lớp của bo mạch PCB và tối ưu đường đi của các dây dẫn in trên mạch. Ngoài ra, Nvidia cũng đã thiết kế cổng 12-pin MicroFit thay cho cổng ATX 8 pin hay 8 + 8 pin kiểu cũ để tiết kiệm không gian trên bo mạch trong khi vẫn có thể cho dòng điện vào lớn hơn.
