Подготовка тестового стенда
Тестирование графических карт на открытом тестовом стенде сильно экономит время, но полученные таким образом результаты почти всегда отличаются от результатов в закрытом корпусе, на что не раз жаловались наши читатели. Есть какое-то универсальное решение, которое устроило бы обе стороны?
За последние полгода мы разработали новую концепцию для нашей лаборатории, которая позволяет сочетать удобство открытой тестовой установки (быстрый доступ к железу) и более точные данные, полученные в закрытом корпусе. Но чтобы провести измерения в инфракрасном спектре и тесты потребления энергии нам потребовался ряд дополнительных компонентов.
Далее нам нужно было связаться с производителями на Computex 2016, там мы нашли партнёра в лице Lian Li. Компания действительно прислушивается к желаниям авторов и тестировщиков.
Оригинальный корпус PC-T70, показанный выше, представляет собой классический открытый тестовый стенд, имеющий ряд проблем. Поэтому, мы начертили вариант модификации, которая соответствует нашим требованиям.
Сборка и модернизация корпуса Lian Li PC-T70
Чтобы сделать из этого корпуса закрытый вариант, был предусмотрен дополнительный набор боковых панелей, задняя панель, соответствующая панели стандартного корпуса компьютера (включая щиток ввода-вывода) и акриловые крышки.
Каждая боковая панель изготовлена из жёсткой стали с чёрным покрытием и поддерживает до двух 120-миллиметровых или 140-миллиметровых вентиляторов. Кроме того они оснащены пылевым фильтром с магнитными фиксаторами. Хотя Lian Li обычно использует алюминиевую конструкцию, мы специально попросили изготовить корпус из стали, поскольку она дешевле и практичнее.
Чтобы полностью закрыть внутренности, нам нужна крышка, но она должна быть прозрачной, поэтому мы выбрали акрил. Крышка крепится на магнитных полосках. Мы специально отказались от петель, поскольку в открытом виде крышка занимала бы слишком много места.
 |
Нажмите на картинку для увеличения
 |
Нажмите на картинку для увеличения
Далее будут перечислены компоненты, которые могут быть доступны не всем. Кроме того необходима глубокая настройка и подгонка компонентов, прежде чем мы сможем в полной мере использовать наше оборудование.
Для начала, у нас есть инфракрасная камера высокого разрешения Optris PI640, которая не может делать измерения в закрытом корпусе. Нам не нужны сразу все вентиляторы, поэтому вместо них мы можем установить две дополнительных боковых панели. Они устанавливаются друг на друга, а между ними лежит специальная плёнка с известным коэффициентом пропуская инфракрасных волн.
Так мы убиваем сразу двух зайцев: инфракрасное излучение выходит наружу, а тёплой воздух остаётся внутри. Именно этого мы и добивались.
Новые показатели должны соответствовать предыдущим измерениям, поэтому новый стенд и текущая тестовая система имеют похожее железо. К сожалению, наша старая системная плата была повреждена электростатическим разрядом, поэтому мы всерьёз задумалась о переходе с непроводящего тестового стенда из акрила на заземлённый корпус. Вместо MSI X99S XPower AC мы установили плату MSI X99S XPower Gaming Titanium. Конфигурация ОЗУ имеет четыре модуля Corsair Vengeance DDR4-3200. Однако они работают на скорости 2400 МГц, как в старой системе. Таким образом с точки зрения производительности ничего не изменилось.
Мы заменили модули ОЗУ, потому что комплект Crucial Ballistix оснащён радиаторами с отражающим покрытием, которые в некоторых тестах немного влияли на результаты ИК-измерений.
Водяное охлаждение
В нашем случае применение воздушного охлаждения по ряду причин является нецелесообразным. Во-первых, большой радиатор ЦП будет блокировать обзор ИК-камеры. Во-вторых, в таком маленьком корпусе кулер будет рассеивать так много тепла, что видеокарты с низким тепловым пакетом будут подвержены перегреву, а это негативно скажется на точности результатов. Система водяного охлаждения помогает решить обе проблемы.
Мы использовали классическую систему с незамкнутым контуром охлаждения, составленную из отдельных компонентов. Помпа (Alphacool Eispumpe VPP755) отделена и смонтирована в нижней части системы и упирается во вспененный материал. К помпе подключён 360 мм медный радиатор Alphacool NexXxoS UT60 толщиной 6 см с тремя ШИМ-регулируемыми вентиляторами be quiet! Silent Wings 2, толкающими воздух через радиатор.
Резервуар установлен в легкодоступном месте сбоку от корпуса. Так мы можем в любой момент долить охлаждающую жидкость через заливную горловину с резьбой в крышке.
Благодаря фиксирующим магнитным полоскам мы можем быстро открыть крышку корпуса и устанавливать водоблок, например на видеокарту. Lian Li даже предусмотрела для этих целей прорези, они видны на фотографиях ниже.
 |
Нажмите на картинку для увеличения
 |
Нажмите на картинку для увеличения
Вентиляторы, датчики и другие компоненты
Отдельно мы добавили внутрь be quiet!’s Silent Base 800 систему “средняя башня”, имеющую очень похожую платформу. Она регистрирует изменения температуры горячей видеокарты Asus Radeon R9 290X StriX. Показатели воздуха, GPU и температуры системной платы являются базовой для настройки скорости вентиляторов новой машины.
Мы моделируем поток воздуха в стандартном компьютерном корпусе с помощью вентилятора на вытяжке, а также вентилятора с регулируемой скоростью вращения на противоположной стороне, который обеспечивает приток свежего воздуха. Задний вытяжной вентилятор вращается на фиксированной скорости 700 об/мин, а передний на 800 об/мин. При необходимости боковой вентилятор можно снять и поставить вместо него заглушку.
 |
Нажмите на картинку для увеличения
 |
Нажмите на картинку для увеличения
Справа можно заметить маленький, алюминиевый радиатор. Он находится в самом тёплом месте закрытого корпуса и имеет температурный датчик. Но о нём чуть позже. Под музыка процесс тестирования протекает веселее, поэтому мы подключили два маленьких USB-динамика, они стоят в самом низу за лицевой панелью.
Модифицированный блок питания be quiet! Dark Power Pro 11 850W скрывается под полом корпуса. Нам пришлось немного изменить модульные кабели под зажимы осциллоскопа, чтобы получить максимально устойчивые показатели напряжения. Сам корпус заземлён, для этого мы сделали несколько соединений.
Прежде, чем мы перейдём к методикам тестирования, давайте рассмотрим технические характеристики установки:
| Технические характеристики | |
| Аппаратное обеспечение | ЦП: Intel Core i7-5930K @ 4,2 ГГц Матплата: MSI X99S XPower Gaming Titanium ОЗУ: Corsair Vengeance DDR4-3200 @ 2400 MT/s SSD: 1x 1 Тбайт Toshiba RD400 (M.2) Хранилище: 2x 960 Гбайт Toshiba TR150 БП: be quiet! Dark Power Pro 11, 850 Вт ОС: Windows 10 Pro (со всеми обновлениями) |
| Система водяного охлаждения | Alphacool Eispumpe VPP755 Alphacool NexXxoS UT60 Full Copper 360 мм Alphacool Cape Corp. Coolplex Pro 10 LT |
| Корпус | Lian Li PC-T70 с комплектом расширения и модификациями |
Измерение температуры воздуха и воды
Наша установка может регистрировать температуру воздуха и охлаждающей жидкости внутри закрытого корпуса. Хотя эти значения не связаны с тестируемым железом напрямую, они помогут интерпретировать результаты, поэтому являются важным дополнением.
Температура хладагента измеряется в том месте, где нагретая жидкость возвращается в радиатор (самое горячее место). Температура воздуха тоже измеряется в самой горячей точке внутри корпуса. Благодаря рёбрам небольшой алюминиевый радиатор имеет большую площадь поверхности и адаптируется к изменениям окружающей температуры. Мы установили датчик в нижней части радиатора так, чтобы между ними был прямой контакт.
Показания снимаются в передней части системы, с помощью двух цифровых дисплеев. Таким образом нам проще рассматривать данные измерений в контексте. Это хорошо проиллюстрировано ниже на примере Gigabyte GTX 1070 G1 Gaming:
| Вода | Воздух | GPU | FPS | |
| Metro Last Light Открытый тестовый стенд |
30,6°C | 28,3°C | 64°C | 47,28 |
| Metro Last Light Закрытый тестовый стенд |
31,9°C | 41,2°C | 66°C | 47,15 |
| FurMark Открытый тестовый стенд |
29,4°C | 26,1°C | 67°C | 52 |
| FurMark Закрытый тестовый стенд |
29,8°C | 39,2°C | 69°C | 51 |
Эти измерения показывают лишь часть общей картины. Также необходимо обратить внимание на показания температуры на уровне компонента. В таких инструментах как GPU-Z они иногда отображаются как температура VRM или VRM1/VRM2. Но это неверно! Показания снимаются с контроллеров ШИМ, которые физические далеко находятся от стабилизаторов напряжения.
Чтобы узнать температуру стабилизаторов напряжения нужно измерить её напрямую. Именно поэтому мы используем инфракрасную камеру Optris PI640. Дополнительные сведения о том, как мы используем это устройство, можно найти в статье “Measurement Science: Taking Accurate IR Thermal Readings”.
ПК содержат много объектов, которые излучают тепло, включая патрубки системы охлаждения, модули памяти, накопители, ЦП и многое другое. Нам не нужно, чтобы эти компоненты попали на изображения в инфракрасном спектре, поэтому тестируем графические карты на плате-переходнике, позволяющей увеличить расстояние между видеокартой и системной платой.
Если всё сделать правильно, то можно измерить нагрев только одной карты в закрытом корпусе.
Насколько нам известно, пока никто не добивался таких точных измерений, поскольку аналогичных систем для тестирования в свободном доступе попросту нет. Разница между работой видеокарты Gigabyte GTX 1070 G1 Gaming в закрытом и открытом корпусе хорошо видна на снимках ниже:
Нагрев видеокарты в открытом тестовом стенде
Судя по результатам, разница составляет приблизительно два градуса Цельсия – такое мы уже наблюдали в эталонном закрытом корпусе. Конечно, в зависимости от конфигурации и системы охлаждения она может быть и больше.
Нагрев видеокарты в закрытом тестовом стенде
В закрытом корпусе скорость вентилятора под влиянием более высоких температур повышается, что естественно приводит к повышенному шумовыделению.
| Измерения в инфракрасном спектре | |
| Технология измерения | Технология формирования теплового изображения: Инфракрасная камера Optris PI640 Программа для анализа PI Connect с различными профилями Датчики: |
| Методика измерений | Мониторинг и запись видео и изображений инфракрасной видеокамерой в реальном времени Калибровка с помощью простого ИК-калибратора Запись показаний с датчиков (цифровой дисплей) |
Измерение энергопотребления и уровня шума
Измерение энергопотребления
Мы тратим очень много времени на точное измерение потребляемой мощности видеокарты, но результат того стоит. Подробности можно найти в статье “The Math Behind GPU Power Consumption And PSUs” (англ.).
Начнём с малого. Не у каждой видеокарты есть вспомогательный разъём питания. Некоторым моделям достаточно питания от системной платы, поступающего по шинам 3,3 В и 12 В. Мы измеряем потребляемую мощность на этих шинах с проводов между видеокартой и системной платой на переходной плате.
 |
Нажмите на картинку для увеличения
 |
Нажмите на картинку для увеличения
Показатели напряжения также измеряются на 24-контактном ATX-разъёме системной платы, отсюда шины начинают свой путь к слоту видеокарты.
Также необходимо узнать показатели на вспомогательных шести и восьмиконтактных разъёмах питания. Их можно получить только через соответствующие кабели, там, где они подключаются к карте. Поскольку некоторые видеокарты имеют по несколько разъёмов, чтобы управлять различными фазами питания, иногда необходимо использовать по два зажима и зонда. В итоге нам приходится контролировать и записывать восемь аналоговых каналов одновременно.
Все действия контролируются двумя осциллографами (в конфигурации ведущее/ведомое устройство), которые работают как один восьмиканальный прибор. Чтобы минимизировать эффекты искажения и шум от помех показания проходят активный фильтр нижних частот при самой высокой частоте выборки.
Какая степень детализации данных нам необходима?
Это хороший вопрос, к сожалению, на него трудно ответить. Иногда мы подвергаемся критике за способ предоставления полученных результатов, иногда небезосновательно. Не имея углублённых знаний по материалу, читатель легко может пропустить некоторые детали или неверно их истолковать.
Чтобы читателям было легче воспринимать большие объёмы собранных данных, мы увеличили интервалы измерений и представили новую программу, которая умеет анализировать короткие скачки нагрузки (или падения) и проверять их на достоверность. В итоге кривые получаются гораздо более плоскими и их легче интерпретировать. Конечно, нам важно знать, когда и где происходят скачки, но их можно опустить, если при этом остальные данные станут понятнее.
| Энергопотребление | |
| Метод тестирования | Бесконтактное измерение тока на слоте PCIe (с помощью карты-переходника) Бесконтактное измерение тока на внешнем кабеле питания БП Прямое измерение напряжения на блоке питания |
| Оборудование для тестирования | 2 x Rohde & Schwarz HMO 3054, 500 МГц (четырёхканальный осциллограф с функцией записи данных) 4 x Rohde & Schwarz HZO50 (токовые клещи) 4 x Rohde & Schwarz HZ355 (осциллографический пробник 10:1, 500 МГц) 1 x Rohde & Schwarz HMC 8012 (мультиметр с функцией записи данных) |
Измерение уровня шума
За пределами нашей немецкой лаборатории у нас есть ещё одна комната, которую мы используем для измерения уровня шума. Фактически это комната в комнате, которая хорошо защищена от вибраций и структурного шума (низкочастотные колебания, передаваемые через пол).
Обычные приборы для измерения уровня звукового давления дают лишь приблизительную оценку, особенно когда дело касается измерения шума тихих видеокарт. В зависимости от времени суток и активности на улице, наша камера позволяет зарегистрировать очень низкие значения, вплоть до 20 дБ (A).
Эталонная система предыдущего поколения служит основой для измерения уровня звука. Она установлена на открытом тестовом стенде, который мы сделали ещё более тихим: без видеокарты и блока питания её уровень шума не превышает 23 дБ (A) на расстоянии 50 см.
Ход испытания можно отслеживать из отдельной диспетчерской. Все устройства на этаже питаются от сети питания постоянного тока.
Нас часто спрашивают, почему мы представляем результаты в дБ (A), а не в Сонах. Причина проста: определение так называемой громкости в Сонах основано на определении уровня громкости. Синусоидальная волна частотой 1 кГц при 40 дБ (децибелах) соответствует уровню громкости 40 фон, которые в свою очередь определяются как один сон. Когда человек воспринимает звуковую волну, которая в два раза громче – это называют двумя сонами. Такой подход кажется практичным, логичным и достаточно удобным. Однако с практической точки зрения его трудно применять.
Сон показывает громкость события, которую может субъективно воспринимать средний человек. По сути, это ещё один пример проблематики психоакустики, и он ничем лучше дБ (A). Ведь не существует менее точного инструмента, чем субъективное восприятие. Почему? Проверьте себя сами.
- Возьмите радиоприёмник и запомните значение регулировки громкости
- Затем, не глядя на шкалу, на слух увеличьте громкость в два раза.
- Теперь на слух (снова не глядя на шкалу) верните регулировку к исходному значению.
- А теперь сравните получившееся значение громкости на шкале с исходным. Если вы не обладаете исключительным музыкальным слухом, результат, скорее всего, вас удивит.
Единственный действительно надёжный метод определения громкости с помощью сонов описан Э. Цвикером (реализован в стандарте DIN 45631:1991-03). Однако этот метод несколько сложен и не точен для звукового давления ниже одного фона (приблизительно 40 дБ). Измерение в невзвешенных децибелах представляет фактический уровень звукового давления. Это реальное измеренное значение, а не какое-то событие, взвешенное с помощью формул. Кстати, поэтому в данной области обычно используют дБ в качестве основной единицы измерения. К сожалению, значение в дБ в нашем случае, тоже не применимо.
Используя А-взвешенные значения децибел, мы получаем отфильтрованные результаты в децибелах, которые должны представлять субъективное физиологическое восприятие звука. Как ни странно, мы возвращаемся туда, откуда начинали. Сон и дБ (А) – это интерпретации, которые показывают не реальные измеренные значения, а основаны на предположениях. Результат в дБ (А) – это А-взвешенный уровень звукового давления на основе порога слышимости 0 дБ = 20 мкПа. Данное значение позволяет учитывать другие факторы, например временную коррекцию (быстро или медленно), чтобы результат был немного ближе к реальности. Какой можно сделать вывод?
Вопрос не закрыт: что конкретно должно быть измерено на практике? Взвешенный уровень звукового давления (A) или громкость? Сегодня мы используем первый вариант, поскольку его легче сравнивать и воспроизводить. Также стоит упомянуть, что используемое для испытаний оборудование должно регулярно проходить профессиональную калибровку, иначе могут возникать отклонения и, как следствие, сомнения в точности полученных результатов.
Контрольные измерения
Мы можем выполнить контрольные измерения в лаборатории на разном расстоянии от объекта. Конечно, с точки зрения точности результатов они не заменят измерения в специальной комнате, несмотря на калиброванный микрофон, хорошее экранирование и похожую программу для анализа данных. Тем не менее, такие измерения дают общее представление о характеристиках железа.
| Конфигурация тестовой системы | |
| Микрофон | NTI Audio M2211 (с файлом калибровки, фильтр верхних частот на 50 Гц) |
| Усилитель | Steinberg UR12 (с Phantom Power для микрофонов) Creative X7 |
| ПО | Smaart v.7 |
| Помещение для измерений | Наша собственная камера для измерений с заглушающими поверхностями, габариты 3,5×1,8×2,2 м (ДxШxВ) |
| Способ измерения | Измерения по оси перпендикулярной к центру источника звука на расстоянии 50 см |
| Результаты | Уровень шума в дБ(A) (медленно), анализатор частотных характеристик в реальном времени (RTA) Графический спектр частот шума |
Производительность и заключение
Измерения производительности
Как уже говорилось, чтобы получить объективные измерения производительности, нужно прогреть карту в закрытом корпусе, воспроизвести условия окружающей среды и тактовые частоты, с которыми карта сталкивается при повседневном использовании. Остальные факторы подвергается изменению в процессе нагрева испытуемого устройства. Мы более подробно обсуждали тестирование производительности в статье “PresentMon: Performance in DirectX, OpenGL, and Vulkan” (англ.)
Помимо FCAT у нас есть инструмент, который мы разработали на основе PresentMon. Если коротко, он позволяет хранить популярные игры с соответствующими профилями, которые можно создать всего один раз и в любое время отредактировать. Профили определяют множество параметров PresentMon, когда обнаруживается сохранённое приложение.
Также мы предусмотрели для PresentMon конфигурируемую систему горячих клавиш, позволяющую запустить тест, настроить время и параметры записи и вручную выйти из PresentMon, не закрывая игру. Система оповестит нас, когда действие выполнено или не выполнено. По принципу действия наша программа похожа на AMD OCAT.
Вся записанная информация собирается в огромную кучу двоичных данных, которые нужно обработать. Для этого мы используем ещё один инструмент, который собирает лог-файлы и выполняет вычисления. Обработать в Excel их почти невозможно.
Третье поколение нашего интерпретатора лог-файлов выполняет эти вычисления почти мгновенно, и при необходимости, даже позволяет создавать новые методы анализа.
Заключение
Данные наших измерения стало проще собирать, расширилась их применимость и они стали более объективными. Развивать этот проект нам помогала компания Lian Li и возможность тестирования в закрытом корпусе позволяет делать более реалистичные выводы.
Какой смысл в тестах на открытом стенде, если в закрытом и более теплом корпусе карта ведёт себя по-другому? Кроме того, измерения в закрытом корпусе позволяют раскрыть слабые места в конструкции видеокарт. В любом случае, всё перечисленное в данной статье, было сделано для того чтобы вы получили как можно больше информации о продукте.
