Un análisis acerca de los cristales de reloj oscilantes, transistores Mosfet, obturadores, el módulo regulador de voltaje y otros componentes de la placa base determinantes

Las placas bases son uno de los componentes más curiosos en el mundo del hardware para PC, ya que todas o la gran mayoría se parecen entre sí, y a partir de una hoja de especificaciones, parece que no hay mucho que distinga una de otra.

Parte de esto se debe a que las compañías Intel y AMD han extrapolado varios controladores al microprocesador, en parte porque los diferencias más profundas sobre las comparativas entre la calidad y el rendimiento normalmente no se detallaban en la hoja de especificaciones de la placa.

En este artículo se busca explorar las distintas secciones de los componentes de la placa base, o lo que comprende cada parte de forma individual de la totalidad del PCB.

Aquí se explorará cómo funciona un Módulo Regulador de Voltaje (VRM), qué función cumple un chipset como también la funcionalidad del bus PCI Express.

Parte de este análisis responde a la pregunta de ¿Qué es un transistor Mosfet?, incluido también información adicional sobre obturadores, condensadores y la composición de un módulo regulador de voltaje.

componentes de la placa base


Componentes de la placa base: Definición de una placa para overclockear y jugar

¿Qué es un VRM? El obturador, el transistor MOSFET y el condensador

En un nivel superior, un Módulo Regulador de Voltaje (y sus componentes como respaldo) son responsables de limpiar la potencia / voltaje entregada a los diferentes componentes eléctricos. Veamos específicamente cómo interactúa un VRM con un microprocesador y una placa base.

El microprocesador promedio tiene un voltaje operativo específico en el rango de 1.1v – 1.3v +/-, una cuarta parte que permite hacer overclocking y underclocking. Mayor a 1.3v como promedio, la CPU comienza a amenazar la resistencia del silicio, pero mejora la estabilidad a corto plazo bajo los overclocks extremos.

La fuente de poder entrega 12v de potencia a la placa base para su uso con la CPU, pero para que esta fuente de energía pueda utilizarse, la placa deberá disminuir la tensión suministrada a una salida más útil para el procesador (por ejemplo 1.2v – 1.3v). Esto se hace mediante la puesta en fase de la potencia.

En el proceso de reducir el voltaje, las fases a través de las cuales pasa la energía, ayudarán a limpiar el suministro, reduciendo las posibilidades de vDroop (caídas de voltaje)

Una caída de voltaje ocurre cuando la tensión cae por debajo de la configuración vCore especificada por el usuario; si ocurre un vDroop cuando se overclockea a frecuencias que amenazan la estabilidad, el sistema puede presentar BSOD u otros bloqueos y errores de desactivación.

Por lo tanto al limpiar la energía más veces (enviándola a través de más fases), se puede reducir el riesgo de vDroop y mejorar la estabilidad general a frecuencias extremas.

Los módulos del regulador de voltaje no son específicos de la computadora, ya que se pueden encontrar en cualquier dispositivo electrónico equipado con un microprocesador que se ocupe de la eliminación de tensión y la eliminación del voltaje (radios, televisores, automóviles)

La composición de un VRM sigue siendo la misma en todas estas aplicaciones, como se explica a continuación.

¿Qué compone un módulo regulador de voltaje?

Hay una idea errónea de que el VRM es un componente autónomo e independiente en la placa base o en un dispositivo adaptador host.

En realidad, VRM es un término utilizado para describir colectivamente la composición de los transistores Mosfet (y los circuitos integrados de los controladores), condensadores y obturadores, que se utilizan al unísono para lograr los objetivos de eliminación de potencia. Un VRM se compone de:

  • Mosfets (y controlador IC), generalmente se encuentran debajo del disipador de calor
  • Condensadores
  • Obturadores (chokes)

Los MOSFET o Transistores de Efecto de Campo Semiconductor Óxido Metálico, son responsables de la amplificación y conmutación de las señales y ayudan en la identificación del voltaje cuando se comunican con la CPU.

La CPU le dice al MOSFET el voltaje solicitado, y este transistor utiliza una serie de compuertas lógicas para ayudar a entregar ese voltaje (del suministro de 12v)

Existen muchas variaciones con los transistores MOSFET de gama alta para el overclocking, pero la mayoría de ellos funcionan de manera similar. Aquí hay una imagen que muestra la versión moderna de los transistores MOSFET:

Transistor MOSFET

Como se muestra arriba, la mayoría de los fabricantes de placas base (al menos con placas de gama alta) ahora montan el controlador IC y dos MOSFET en un solo chip. Esto reduce el área de superficie general utilizada en la placa y tiene ventajas térmicas y de potencia.

Esta imagen muestra la EPU de ASUS en acción, que es otra versión de los transistores MOSFET del controlador. Como puedes notar, la EPU se comunica con la CPU para lograr un VID (ID de voltaje), que luego se utiliza para alcanzar el voltaje correcto durante el proceso de ajuste de fase.

Sistema de ahorro energético EPU ASUS

¿Cómo funciona un VRM y cómo trabaja?

Un VRM reduce físicamente el suministro de alta tensión a un voltaje utilizable para la CPU. La potencia suministrada a través del conector de alimentación de 8/4 pines en la placa base alimenta la CPU. Esta potencia se alimenta a través de las fases de la placa hasta que finalmente llega al procesador, que la recibe a una tensión estable y baja.

Si tienes 8 fases de CPU en la placa base, la energía se verificará con un voltaje ocho veces antes de ser suministrada a la CPU (la potencia pasa al voltaje correcto en cada fase, luego se verifica); de manera similar, una placa base de 12 fases reducirá la potencia a la misma tensión, pero como estamos pasando la alimentación a través de más fases, las caídas de tensión pueden controlarse más gradualmente, creando así un suministro de energía más limpio a la CPU siendo más estable.

Cuando compres placas bases, probablemente encontrarás la terminología de diseño de potencia de fase en los textos técnicos. Esta es la especificación que describe el número de fases dedicadas en general y para todos los componentes. El diseño de potencia de fase se enumera generalmente como 4+1, 6+2, 8+3, etc.

El número que precede al signo más (4, 6 y 8 en esos ejemplos) es indicativo del número de fases dedicadas a la CPU, por lo tanto, un diseño de potencia de 6+2 fases dedicará 6 fases a la limpieza de la potencia de la CPU. El número después del más es para otros componentes, normalmente con la RAM o HT (HyperTransport) para AMD.

Al igual que con la CPU, más fases de RAM ayudarán a controlar el suministro de voltaje y permitirán un mayor overclocking, pero las fases de la RAM son significativamente menos impactantes que las fases de la CPU.

Como regla general, puedes contar la cantidad de obturadores que flanquean el zócalo para determinar las fases de alimentación de la CPU. Ocho obturadores, en el caso de la placa MSI, corresponden al diseño de potencia de fase 8+X.

¿Cuál es la mejor solución del módulo regulador de voltaje? ¿Qué hay que buscar?

Cuando observamos estrictamente el módulo regulador de voltaje, se ignoran todos los demás componentes de la placa base, donde se buscan principalmente tapas, bobinas y disipadores de calor de alta calidad para los MOSFET.

Si no estás interesado en el overclocking, no necesitarás preocuparte por la cantidad de fases o del mismo nivel de componentes de calidad que utilizan los verdaderos overclockers. Podrás estar bien con diseños de potencias de fases más simples y con componentes de menor calidad, ya que no los someterás a tanta exigencia.

En cuanto a las tapas, es importante optar por condensadores resistentes a las fugas. Generalmente, estos se denominan ‘Condensadores o capacitores japoneses’, ‘Condensadores oscuros’, ‘Condensadores sólidos’, ‘Tapas Hi-C’ o ‘Componentes de clase militar’.

Los capacitores electrolíticos son responsables de contener la potencia (una capacitancia), y a medida que el capacitor envejece, se vuelve propenso al envejecimiento y a la descomposición.

A medida que el capacitor se descompone, pierde su capacidad de retener energía y finalmente, introduce inestabilidad en el sistema o inutiliza el dispositivo adaptador host. Los condensadores se pueden reemplazar fácilmente en una placa en caso de fallas.

Con los condensadores resistentes a las fugas, es altamente plausible que la vida útil del sistema se agote antes de que el mismo deba ser reemplazado. Esto mejora la longevidad del sistema y su capacidad para soportar una gran carga.

Entonces tenemos obturadores o chokes. Hay diferentes estilos de obturadores, pero cuando se busca una placa base lista para manejar overclocks altos, es una buena idea buscar SFC (Obturadores de Super Ferrita), Obturadores de Aleación Premium u otros obturadores de alta calidad.

Un SFC mejora la eficiencia energética y es más estable con cargas más altas, lo que mejora la capacidad de la placa base de reducir la potencia cuando se trata de sobrevoltaje y overclocking.

Los transistores MOSFET y los disipadores de calor van de la mano. Los MOSFET normalmente se encuentran debajo de los disipadores térmicos que flanquean el zócalo de la CPU, dada su propensión a aumentar rápidamente la salida térmica a medida que el MOSFET continúa reduciendo gradualmente el voltaje.

Cuando se trata de cualquier tipo de conversión de potencia, el producto térmico significativo es el subproducto de la conversión (la energía tiene que ir a alguna parte). Para continuar operando bajo carga, necesitamos disipar ese calor rápidamente, esto se hace con disipadores de calor de cobre.

El transistor MOSFET en sí mismo también es importante. Hay diferentes tipos de MOSFET, y probablemente hayas notado que muchas placas base de gama alta como ASRock, MSI, ASUS y Gigabyte, utilizan terminologías diferentes para su uso.

DrMOS (Driver MOSFET) es utilizado por MSI y ASRock, ASUS utiliza una EPU (Unidad de Procesamiento de Energía) y Gigabyte utiliza PowerMOS / DES MOS y otras soluciones.

Al final del día, todo se reduce a qué tan bien la solución MOSFET puede disipar el calor y funcionar bajo cargas intensas. Todas estas soluciones son buenas en diferentes aspectos de la preservación de la energía o del overclocking, así que investiga un poco por tu cuenta antes de tomar una decisión.

Si solo estás comprando para un equipo de gama media y no estás demasiado preocupado por el overclocking (pero podrías hacer uso de los videojuegos), la elección no valdrá la pena dedicar una gran cantidad de tiempo a la investigación. Los OC extremos son más volátiles, por lo que se debe tener precaución al comprar.

El PCH / Chipset / Puentes (Bridges) ¿Qué función cumple un Chipset?

El Chipset es efectivamente la médula espinal de la computadora. Sirve como el centro de casi todas las transacciones e interacciones entre componentes, incluidas las E/S, algunas funciones de gestión de gráficos, comunicaciones y firmware avanzado a través del BIOS. Citamos una frase de Jim Vincent:

“El conjunto de chips es como una médula espinal que controla la mayoría de los dispositivos responsables de la comunicación con el mundo exterior: la CPU puede considerarse como un cerebro incorpóreo, ya que necesita que el chipset sea completamente funcional.

Todas las E/S de la CPU pasa a través de los canales hacia el chipset, que luego transmite o recibe información de otros órganos vitales, tales como las tarjetas de video, periféricos, unidades de almacenamiento, audio, USB, etc.

En las PC originales, todo solía colgar de un bus (incluida la memoria RAM). En estos días, la computadora consiste en sistemas por separado. El bus de memoria (canales DDR3, de los cuales normalmente hay más de uno en los sistemas modernos), el bus a los chipset puente (chipset – northbridge / southbridge, hypertransport o QPI) buses SATA, PCI Express (tarjetas de video), buses USB , los buses heredados (PS2, RS-232, puertos paralelos) son todas entidades separadas que se comunican a través de pistas y canales, todos retroalimentan a la CPU para ayudar a organizar y administrar las instrucciones de manera eficiente e interrumpir las solicitudes.

Hubo muchos cambios terminológicos en la historia del chipset. Actualmente, Intel se refiere a su configuración de puente como PCH (Plataforma Controladora Hub), mientras que AMD aún utiliza la terminología más tradicional del northbridge y southbridge. Tanto AMD como Intel han unificado su conjunto de chips.

La selección de chips afectará directamente la capacidad del sistema para utilizar diferentes funciones, como el overclocking, configuraciones multi-GPU (a través de la dedicación del carril PCIe) y RAID.

Tanto Intel como AMD publican diagramas de bloques que muestran las diferencias del chipset. Si el chipset se encuentra entre los conjuntos de chips, consulta los diagramas y verifica si las funciones que realmente utilizarás están presentes en una y no en la otra.

Carriles PCI Express, ranuras, chips PLX / PEX e información general

Con la muerte de la interfaz AGP y el aumento de PCI Express hace aproximadamente más de una década, se han visto nuevos límites máximos de ancho de banda teóricos que superaron en gran medida el rendimiento del dispositivo en ese momento. Incluso hoy en día, ninguna tarjeta de video del consumidor puede saturar por completo el ancho de banda PCI-e 3.0 x16.

Se ha llevado a cabo la prueba x8 / x8 contra la x16 / x16 varias veces, y en las comprobaciones se ha descubierto un delta de un 2% (como máximo) entre las dos configuraciones. La versión corta de esto es no preocuparse por las configuraciones de la tarjeta de video dual x16 contra la dual x8.

Debido a que el ancho de banda máximo teórico es tan alto, y debido a que el rendimiento raramente (si es que lo hace) satura ese ancho de banda, el cuello de botella nunca se convierte en una preocupación. Especialmente en los escenarios del mundo real, donde los juegos no están optimizados para poner una GPU con un 100% de carga.

Cuando conectes los dispositivos de tu tarjeta de video o intentes discernir la legitimidad sobre los reclamos de marketing, puedes evaluar las diferencias entre x8 / x16 observando físicamente los pines en la ranura PCIe.

Una ranura x16 tendrá el doble de pines presentes que una ranura x8 (que tendrá la mitad de la ranura llena). Una ranura x4 tendrá una cuarta parte de los pines de una ranura x16, pero obviamente tendrá el mismo tamaño de interfaz.

La cantidad de pistas dedicadas a los dispositivos PCIe depende tanto de la CPU como del conjunto de chips. En las CPU Haswell, una serie de pistas están dedicadas al PCI-e 3.0 directamente desde la CPU; el chipset (como se ve en el diagrama anterior de los bloques) también asigna pistas a las interfaces PCI-e 2.x.

Un dispositivo PCI-e x16 consumirá 16 carriles PCIe (desde la CPU o del conjunto de chips), por lo que si has seleccionado una combinación de CPU / chipset que (por motivos de ejemplo y facilidad) solo tiene 16 pistas totales, entonces habrías saturado por completo todas las pistas disponibles con una tarjeta de video.

Las CPU Haswell de Intel tienen 16 carriles nativos PCIe en su chip, Z87 ofrece 8 carriles PCIe 2.x adicionales. AMD tiene una configuración de carriles PCIe más avanzada, con el 990FX que ofrece 38 carriles PCIe 2.x y el 990X y 970 ofrecen 22 carriles PCIe 2.x.

Todo este debate sobre los carriles o pistas, especialmente con la configuración de la Haswell PCIe de bajo conteo, es posible que te preguntes cómo algunas placas pueden ejecutar matrices GPU triples o cuádruples.

La forma en que esto se hace normalmente es con un multiplexor, que puede procesar los carriles de manera efectiva dos veces para aumentar artificialmente el recuento de carriles a costa de la latencia agregada.

Las placas bases de gama alta hacen esto con un chip PEX (hecho por PLX), una solución especial onboard que generalmente se encuentra cerca del bus PCI-e x16.

Si estás tratando de “estirar” los carriles disponibles desde la CPU o desde el conjunto de chips, vale la pena buscar placas que cuenten con algún tipo de multiplexor, como un chip PLX.


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