Com'è fatta una scheda video? Dai VRM alla VRAM, anatomia di una GPU

Uno sguardo sotto la scocca delle moderne schede video da gaming per imparare a scegliere quella ideale per il nostro PC.

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Prima di lanciarci in quella che per molti rappresenta la sfida più difficile nel mondo dell'assemblaggio, ovvero la scelta dei componenti, è necessario fare un passo indietro e provare ad acquisire gli strumenti necessari per saper "leggere" la scheda tecnica di una scheda video.
Nel mercato delle GPU esiste infatti una fortissima eterogeneità che però ci consente, con le dovute accortezze, di riuscire davvero a scegliere quella giusta per le nostre tasche e la nostra configurazione.
Spesso si sente parlare di "schede video per il FullHD a 60 FPS" o di "GPU per i 30 FPS in 4K", delle estreme semplificazioni che però rendono abbastanza bene il concetto. Ogni scheda video attualmente in commercio ha infatti delle specifiche che le rendono più o meno adeguate a svolgere un determinato tipo di lavoro.

GPU e scheda video sono la stessa cosa?

Il primo aspetto da approfondire riguarda proprio questo acronimo, usato molto spesso impropriamente per intendere qualcosa che non è. Per intenderci, la GPU non è una scheda video così come una CPU non è un computer. Come accennato in un nostro precedente approfondimento, la GPU è il cuore pulsante di una scheda video ma non ne costituisce l'insieme. Una scheda video è infatti un piccolo sistema, separato e separabile da un computer, che ospita al suo interno una serie di componenti fondamentali in grado di comunicare fra loro per riuscire a ottenere un output, o segnale video.
La GPU è il cuore pulsante della scheda video, costituita nel suo insieme da un circuito stampato, un processore grafico, la VRAM, i VRM e l'alimentazione vera e propria, oltre alle uscite video e a un canale di comunicazione con il PC costituito dalla porta PCI Express.

La GPU

La GPU, o Graphics Processing Unit, è per la scheda video ciò che per un PC è il processore. Ma occorre una certa dose di cautela prima di avventurarsi in paragoni tanto facili quanto distanti. CPU e GPU sono profondamente differenti nell'architettura, nella funzione e nelle potenzialità.
La differenza fondamentale risiede appunto nell'architettura. Una CPU è un calcolatore estremamente performante, in grado di ospitare un limitato numero di Core, costituiti a loro volta da miliardi di transistor. I Core di una processore sono limitati nel numero ma in grado di eseguire delle istruzioni estremamente complesse in serie. Il potenziale di una CPU si estrinseca infatti nella profonda eterogeneità di task complessi in grado di compiere e non nella quantità di calcoli che è in grado di compiere simultaneamente. Questo è invece ciò che caratterizza la GPU.

Un processore grafico differisce da una CPU per via di un innumerevole quantitativo di minuscoli Core. Nelle moderne GPU la scala più adeguata è quella di svariate migliaia di Core, in grado di svolgere calcoli semplici e ripetitivi, in parallelo e a velocità elevatissime. Nelle GPU NVIDIA delle ultime generazioni questi piccoli calcolatori prendono il nome di CUDA Core. Nei processori grafici AMD invece, le unità di calcolo sono dette Stream Processor. I due termini però non sono intercambiabili e paragonabili.

Risulterà quindi abbastanza inutile paragonare il numero e la frequenza degli Stream Processor di una GPU AMD con i CUDA Core di NVIDIA, perchè differiscono completamente nell'architettura. Per questo motivo negli ultimi anni le case produttrici hanno iniziato a utilizzare, e a volte abusare, di un'altra unità di misura, certamente più funzionale allo scopo, ma che non rappresenta necessariamente una cartina al tornasole: stiamo parlando dei FLOPS, ovvero il quantitativo di operazioni in virgola mobile al secondo (FLOPS) di cui è capace un processore.

La VRAM

Effettuare moltissimi calcoli al secondo è quindi la ragion d'essere di un processore grafico, che necessita di questa particolare specializzazione per animare ogni singolo pixel dei nostri monitor con centinaia di fotogrammi.
Per rendere l'esperienza visiva quanto più fluida e al contempo complessa però, la GPU necessita di uno spazio dove allocare temporaneamente una parte dei calcoli che è in grado di eseguire.
Per questo motivo una scheda video è corredata da un ammontare variabile di memoria VRAM, la quale ha molteplici scopi. Primo fra tutti è proprio quello di framebuffer, ovvero una zona di transito in cui vengono memorizzate delle informazioni già elaborate e destinate all'uscita video.
L'altra essenziale funzione della VRAM è quella di precaricare porzioni del materiale grafico utile all'elaborazione finale, come ad esempio le texture di un gioco.

La domanda a questo punto vien da sè: è possibile affermare che sia la VRAM e non la GPU a influenzare le prestazioni della scheda video? La risposta è ovviamente no. Nel corso degli anni si è fatto della VRAM un vero e proprio cavallo di battaglia nelle campagne di marketing. In realtà questo valore, per essere utile in maniera coerente con le sue potenzialità, ha bisogno di una capacità di calcolo che le sia solidale. Nella maggior parte dei casi infatti, è il produttore stesso a inserire un quantitativo di memoria VRAM adeguato alle capacità della GPU.

I VRM

Acronimo di Voltage Regulator Module, i VRM sono dei piccoli sistemi di alimentazione che limitano e stabilizzano il flusso di corrente proveniente dall'alimentatore principale, in modo da non danneggiare la scheda video.

I VRM sono costituiti da tre strutture differenti, che cooperano fra loro per ottenere il risultato finale. I MOSFET sono il primo elemento in questa "cascata". Essi si interpongono fra l'alimentazione principale e il resto delle componenti della scheda e hanno il compito di erogare la corrente alla tensione richiesta dalla GPU. I Chokes a loro volta hanno lo scopo di stabilizzare la corrente in uscita e infine ci sono i condensatori, piccole strutture cilindriche deputate alla raccolta della corrente, come dei piccoli serbatoi, e alla successiva immissione finale nel circuito, in modo da eliminare o limitare il più possibile eventuali sbalzi di tensione.

Comunicazione in ingresso e in uscita

Completate tutte le operazioni di rendering e di rasterizzazione, l'immagine viene spedita alla periferica finale, il monitor. Per questo motivo nella porzione che affaccia verso l'esterno del case troveremo una pletora di uscite video. Nelle schede grafiche moderne troveremo principalmente una combinazione di uscite HDMI e DisplayPort.

La scheda video è un dispositivo che permette l'esternalizzazione di alcuni specifici calcoli al di fuori del processore principale. Le attuali tecnologie consentono una comunicazione rapida ed efficiente con il resto del sistema grazie allo standard PCI Express.
Arrivati attualmente all'iterazione 4.0, le differenze intergenerazionali riguardano la velocità di trasferimento dei dati e la larghezza della banda passante. Per fornirvi un esempio, lo standard PCI Express 3.0 supporta una velocità di trasferimento di 8 GB/s e una larghezza di banda di 32 GB/s, mentre i moderni canali 4.0 arrivano a 16 GB/s di velocità e 64 GB/s di banda.

Per quanto possano sembrare cifre astronomiche, in realtà sono estremamente pochi i device in grado di accontentarsi di un singolo canale di comunicazione, come ad esempio alcune schede audio. Su tutte le schede madri sono presenti numerosi ingressi PCI Express di dimensioni differenti. Ogni slot PCI Express metterà in comunicazione una periferica con il chipset della scheda madre o direttamente con la CPU con un determinato numero di canali PCIe. In particolare, le schede video moderne comunicheranno attraverso uno slot x16, cioè costituito da sedici canali PCIe.

Il sistema di dissipazione

L'artificio estetico, si sa, è a totale discrezione dell'utente. Molte volte però è bene cercare di non farsi indorare la pillola da una scocca particolarmente aggressiva o da una manciata di LED. Occorre infatti prestare particolare attenzione a cosa si cela dietro al sistema di dissipazione.
Alcuni produttori aggiungono alle loro lineup anche delle schede video dissipate a liquido con sistemi all-in-one oppure con waterblock da inserire all'interno di un Custom Loop. Le prestazioni di queste soluzioni sono notoriamente eccellenti.

La stragrande maggioranza delle schede video invece dispone di un raffreddamento ad aria di tipo tradizionale. Anche in questo settore occorre operare una distinzione. Esistono infatti dissipatori di tipo Blower, sempre meno presenti sul mercato, e dissipatori Open-Air.
Le schede video di tipo Blower presentano una singola ventola tangenziale, collocata all'estremità opposta della board rispetto alle uscite video, poichè la sua funzione è quella di catturare aria dall'ambiente circostante e spingerla longitudinalmente attraverso i canali di dissipazione metallici, per raffreddarli e consentire all'aria ormai riscaldata di fuoriuscire attraverso dei fori appositi situati vicino alle porte HDMI e DisplayPort. L'utilità di questi sistemi risiede nel fatto che, in condizioni di airflow limitato, non immettono calore all'interno del case oppure lo fanno in maniera limitata. L'altra faccia della medaglia è che risulteranno lievemente più "calde" dei sistemi Open-Air.

La maggior parte delle schede video custom, ma ormai anche le schede reference di AMD e NVIDIA, presentano un sistema di raffreddamento di tipo aperto, riconoscibile per via della presenza di molteplici ventole sulla scocca, la cui funzione è quella di immettere nel dissipatore volumi maggiori di aria fresca, per una dissipazione migliore, disperdendo però il calore nell'ambiente circostante. Nel complesso si potrebbe osservare un leggero incremento nelle temperature del sistema, ma con un buon airflow non si dovrebbero riscontrare particolari limitazioni. Al contrario dei sistemi blower, il maggior volume di aria in questo caso permette alla GPU di lavorare a temperature decisamente inferiori.

Una scelta ponderata

La scelta delle componenti ideali richiede delle basi teoriche imprescindibili. Riuscire a comprendere il sistema che si vuole assemblare può essere un nodo particolarmente complesso da sciogliere, ma se sapremo scegliere la giusta scheda video, accordare il resto dei componenti in maniera sinergica sarà un gioco da ragazzi.
Al contrario, se abbiamo già a disposizione un monitor e un sistema parzialmente configurato, saper scegliere la giusta scheda video per il nostro sistema ci permetterà di investire il giusto capitale, soprattutto in un contesto come quello attuale, in cui le forniture sono estremamente limitate, oppure se si ha a disposizione un budget ridotto.