Мы все знаем репутацию Intel как производителя стабильных материнских плат. Мы также знаем, что компания пытается утвердиться в сфере материнских плат. Но сочетать стабильность с экстремальным разгоном отнюдь не просто, и далеко не все знают, насколько глубоко Intel вовлечена в процесс дизайна и редизайна компонентов. Здесь, в кампусе Hawthorn Farms в Хиллсборо (штат Орегон) инженеры Intel пристально изучают практически каждую деталь дизайна материнских плат. Когда вы в следующий раз будете покупать новенькую материнскую плату, подумайте о том количестве человеко-часов, которые потратили инженеры Intel, чтобы довести материнскую плату до совершенства, насколько это было возможно. Довелось как то с оказией:) побывать на данном предприятии, поэтому давайте виртуально оценим те усилия по исследованиям и разработке, которые Intel прилагает к своим продуктам.
Если вы обеспокоены тем, что излучение сотового телефона поджаривает мозг, то вам понравится первый этап в нашей экскурсии по комплексу Intel. Эта камера предназначена для тестирования электромагнитного излучения персонального компьютера. Тесты проводятся как в сценариях с открытым, так и с закрытым корпусом. Подобные тесты необходимы для сертификации FCC и CE, которая обязательна для электронного оборудования в США и Евросоюзе, соответственно. Чтобы подстраховаться, Intel создаёт свои платформы с уровнем на 4 дБ меньше допусков FCC.
С такой штукой вы сможете принимать HD-видео даже в квартире соседа? Возможно. Эта антенна, в частности, замеряет излучение на частотах от 32 МГц до 2 ГГц. Intel также использует рупорную антенну, способную тестировать частоты до 18 ГГц. Расстояние от антенны до системы в данной конфигурации составляет три метра.
Каждый уважающий себя энтузиаст не будет работать или играть без полного набора самой разнообразной периферии. Если вы планируете протестировать излучение в реальных условиях, то нужно добавить акустику 5.1, пару игровых контроллеров и несколько внешних жёстких дисков. Что интересно, в тестовой системе работает бета-версия обновлённой Smackover – одной из первых материнских плат, производимых с нулевым количеством галогенов.
Следующий шаг: акустическое тестирование
За следующей дверью располагается комната тестирования акустики. Когда дверь закрыта, то уровень фонового шума в комнате снижается до всего 20 дБ, создавая потустороннее ощущение и вызывая чувство клаустрофобии. Используется массив из 10 микрофонов, расположенных по полусфере вокруг тестовой камеры. Последняя находится точно в центре комнаты. И каждый микрофон удалён от центра точно на один метр.
Инженер Intel Джон Блеир (John Blair) объяснил, что ещё лет десять назад большая часть акустических измерений проводилась для определения звукового давления, то есть изменения давления в воздухе, которое зависит от силы источника, а также от факторов окружения, включая расстояние от источника до приёмника. Один из производителей вентиляторов может заявлять для своего продукта звуковое давление 30 дБ на расстоянии один метр. А конкурент может заявлять о звуковом давлении 29 дБ, замалчивая тот факт, что тестирование проводилось на расстоянии двух метров. По этой причине современные тесты определяют мощность звука, то есть абсолютное значение акустической энергии, излучённой источником, независимо от факторов окружения. Однако для получения акустической мощности необходим массив микрофонов подобно приведенной конфигурации.
Исследования и разработки в области акустики
Приведённая на фотографии камера служит для измерения шума от вентиляторов в ноутбуках или небольших ПК. Она содержит автоматизированную планку, которая позволяет менять уровень противодавления для вентилятора. Значения уровня затем учитываются при измерениях звукового давления и потока в CFM (кубические футы в минуту). Анализируя все данные, инженеры могут оптимизировать скорости вентиляторов для любого тестируемого продукта. Кроме того, они могут проводить исследования, чтобы разработать новые акустические технологии – например, расположить листовой металл вокруг вентилятора ноутбука, чтобы снизить уровень шума.
Звуковое давление и акустическая мощность не раскрывают картины шума целиком. Это физические измерения, подобно температуры или электрического напряжения, в весьма субъективной области звука. Человеческое ухо воспринимает некоторые частоты “громче”, чем другие. “Качество звука” – это третье измерение, которое регулирует упомянутые “громкие” частоты, оценивая также тональность, резкость и неравномерность звука. Акустическая измерительная система Intel в виде головы оценивает качество звука подобно вашим ушам. На фотографии не видна пластиковая струбцина, которая позволяет расположить голову на нужном расстоянии от ноутбука.
Кстати, акустическая комната служит не только для измерения шума вентиляторов. Находки, которые здесь могут обнаружить инженеры Intel, иногда влияют на фундаментальную конструкцию материнской платы. Например, дизайнеры могут оптимизировать раскладку резисторов и конденсаторов на материнской платы, в зависимости от потребностей в питании. Но сигналы, которые проходят через плату, могут привести к слышимой вибрации – и тогда плату нужно переделывать. Схожим примером можно назвать “поющие катушки”, как их называют инженеры Intel. Когда вы разгоняете систему или сильнее нагружаете катушки индуктивности, у них тоже может появиться вибрация, иногда слышимая. Инженеры Intel находят эти слабые места во время своих тестов, после чего часто проводится работа с поставщиками деталей, чтобы они использовали лучшие изоляторы, без выявленных недостатков.
Тесты в экстремальных условиях
Эти громадины от Thermotron – камеры стрессового тестирования, которые позволяют измерять производительность под экстремальными значениями температуры и влажности. Каждая камера содержит полезный объём 1,7 кубических метра (куб со стороной около 1,2 м). Влажность можно менять от 20% до мокрых 95%, а температуры – от -73°C до +177°C. Для информации, минимальная температура, которая наблюдалась на Земле в естественных условиях, составляет -89°C, а при температуре 177°C уже можно тушить мясо. Впрочем, вы вряд ли захотите ждать, поскольку скорость изменения температуры Thermotron составляет всего 5 градусов в минуту. В любом случае, эти установки облегчают создание материнской платы, которая не будет сбоить в холодной Арктике или в жарких и влажных джунглях Гондураса.
Добро пожаловать в комнату, где “железо” можно подвергать ударам и вибрации, а отвечает за всё инженер-технолог Майк Вильямс (Mike Williams). Цель комнаты заключается в тестировании материнских плат, чтобы посмотреть, какие физические воздействия они могут вынести. Если вы когда-нибудь роняли ноутбук со стола, нечаянно опрокидывали на бок корпус-“башню”, либо ваша система работала, когда пол ходил ходуном во время домашней дискотеки, то именно эта комната отвечает за то, чтобы ваш драгоценный компьютер продолжил функционировать после всех этих “истязаний”.
Верите или нет, но “монстру” перед вами около 25 лет. По сути, он представляет собой гигантский монофонический динамик. Стол весит около 180 килограммов, а стенд позволяет достигать нагрузки до 2,7 т, что даёт от 20 до 25 G. Вильямс вспомнил своё посещение завода в Китае, где есть схожий стенд, так для его переноса через комнату потребовались усилия шести человек. Именно поэтому Intel установила сверху кран. Чёрная труба, заметная справа, подводится к вентилятору мощностью в три лошадиные силы на крыше, который засасывает воздух и продувает его через катушку “динамика”, чтобы её охлаждать. В соседней комнате есть схожая машина с удвоенной мощностью, хотя оба стенда хорошо справляются со своими задачами.
Данный стенд предназначен для тестов материнских плат без защитной упаковки, чтобы посмотреть, выдержат ли они перевозку по дороге с ухабами и выбоинами, будучи установленными в корпус. “Жертвы” монтируются к пластине толщиной один дюйм (2,54 см), на которой располагаются стойки ATX. Пластина, в свою очередь, крепится к столу с помощью нескольких винтов. Материнская плата подвергается 60 минутам вибрации по каждой оси, причём один час такой нагрузки примерно равен перевозке на расстояние 1,5 тысяч километров в грузовике. В конце концов, никакой объём анализа электрических схем и акустических тестов ничего не значит, если плата “умрёт” по пути к вам. Для тестирования ударов и вибрации материнских плат не существует промышленных стандартов, но результаты исследований, которые выйдут из этой комнаты Intel, часто становятся стандартами де-факто.
Тесты удара и вибрации не только показывают, разорвутся ли дорожки. Как вы могли заметить, на некоторых материнских платах конденсаторы иногда паяются так, что болтаются практически свободно. Попытайтесь прогнуть конденсатор в одну-другую сторону несколько десятков раз, и он наверняка отвалится. Тесты удара и вибрации дают схожую нагрузку на компоненты. Вильямс рассказал, что на другом заводе он видел подобную машину, с которой не получилось снять пластину со стола, поскольку все отверстия монтажа были заполнены отвалившимися конденсаторами. Именно такие машины позволяют выявить “слабые места” Z-креплений, которые используются для удержания радиаторов на компонентах, подобных северному мосту. Опять же, у некоторых материнских плат Z-крепление слабое, поэтому можно немного оттянуть радиатор от поверхности чипа. В тестах вибрации радиатор немного отходит от поверхности чипа, потом крепление тянет его обратно, и радиатор начинает ударять по упаковке чипа.
Конечно, материнская плата вряд ли будет работать, если отвалятся установленные на неё комплектующие. Всё это проверяется в данной тестовой камере, которая тоже устанавливается на стол стенда удара и вибрации. Вся камера весит более 35 кг. Материнская плата монтируется в этом импровизированном корпусе на стандартные стойки ATX, а карты устанавливаются точно так же, как в обычный компьютер. Большая толщина корпуса устраняет прогибы, которые наблюдаются у обычного корпуса с листовым железом, пусть даже Вильямс жалуется на недостаточную толщину. В данной тестовой камере шасси подвергается удару 25 G, а одна установленная материнская плата – 50 G.
Перед нами ещё одна машина для тестов удара и вибрации, похожая на предыдущие, но с более тонкими стойками, а струбцины позволяют приподнять или опустить тестовую плату. Если у крупных машин, рассмотренных выше, уровень вибрации составляет около 330 см в секунду, то у данной машины она меняется от 250 до 500 см в секунду. Цель данного стенда – протестировать поведение материнской платы при быстрых прогибах. Тонкие стойки на самом деле отгибаются вбок при ударе, снижая механическую нагрузку на материнскую плату. Кроме того, меняя положение стоек можно регулировать тип прогиба платы.
Одна из конфигураций машины удара и вибрации предусматривает крепление материнской платы по всем четырём углам, что приводит к сферическому прогибу при ударе. Тесты проводятся с материнской платой, расположенной лицевой стороной вниз, чтобы попытаться оторвать компоненты с поверхности платы. После тестирования плата окрашивается, а потом очищается от краски. Затем удаляются компоненты, а плата сканируется с помощью специального детектора. Если он обнаруживает следы краски на припое, то это означает, что до снятия компонентов в нём появились трещины.
Рядом с машиной находятся два инженера, работающие на системе анализа. Кроме сбора тестовых данных, они обеспечивают безопасное проведение тестов. Машина не включится, если дверцы будут открыты. Каждое падение с высоты около 10 см сопровождалось грохотом на всю комнату. Тесты падения призваны симулировать силу, которую будут испытывать компоненты при падении системного блока со стола или при других неприятных событиях.
Наконец, последний элемент тестов удара и вибрации, не менее важный: тесты падения компьютера в упаковке. Они симулируют те инциденты, которые часто происходят в службах доставки. Платформа поднимает коробку, после чего отпускает её, коробка падает. Высоту падения можно менять с шагом 15 см с 30 до 180 см. Тесты включают падение упаковки на все шесть плоскостей, на два угла и на три грани. Инженеры Intel проверяют тесты падения упаковок до 10 килограмм с высоты 90 см. Сервер весом около 50 килограмм будет падать с высоты 45 см. Лёгкие продукты, такие как карманные компьютеры, часто кидают во время доставки, и для этой цели служит другая машина падения, позволяющая давать удар до 3000 G.
Есть помещение с классическими кубиклами, где оптимизируются и модифицируются материнские платы. При входе в это помещение, можно подумать, что персонал находится в отпуске или массового заболел. Отнюдь. В этом месте множество инженеров работают с САПР, а для них гораздо удобнее смотреть на экран без большого количества освещения. Ребята из маркетинга в шутку называют местных инженеров “шампиньонами”, которые тоже выращиваются в темноте.
У ремонтного отдела Intel в распоряжении есть все необходимые инструменты. Инженеры могут производить практически все операции производственного конвейера, включая возможность пайки без свинца и замены всех основных компонентов, таких как чипы BGA и ASIC. Нередко плата после тестов на машинах удара и вибрации поступает в ремонт, после чего её оправляют на следующий цикл “истязаний”.
Инженерам тоже нужно спать
Некоторые черты современных предприятий универсальны. Сегодня Intel обеспечивает бесплатные напитки для своих работников в кафетерии. В ремонтном отделе стоит три корзины со сладостями: шоколад хорошо помогает умственной деятельности.)
На фотографии показана одна из станций экстренного промыва глаз, которые расположены по всему комплексу Hawthorn Farms. Данные станции иногда работают в качестве душа для тех инженеров, которые трудятся всю ночь.
Что случилось со скучным канцелярским стилем Intel 80-х годов? В комплексе Hawthorn Farms есть немало интересного. Похоже, дух моддерства прочно заселился среди передовиков производства high-end материнских плат. Посмотрите на этот кубикл технического руководителя по валидации и просто энтузиаста Юлии Петерсен (Julia Petersen).
Плата, которую нельзя показывать
Теперь осмотрим комнату электрических и температурных тестов. В этом объёмном помещении каждому проходу и пятачку площади было присвоено своё название (например, Intern Alley или Land of VREG). На заднем плане можно видеть инженера, работающего с тепловизором Flir Systems, причём подобные же устройства используют военные. В камере показана поздняя бета-версия материнской платы на новой платформе Intel P55 (Ibex Peak). Инженеры демонстрировали её с гордостью. Один из них заметил, что мы являемся первыми людьми, не работающими в Intel, кто вообще смог посмотреть на плату. Однако нам запретили показывать эти снимки до официального объявления P55.
Правда, которую сложно увидеть
Здесь мы привели фотографию с тепловизора. Плата Intel DX58SO (Smackover) использует 6-фазную систему стабилизации напряжения, и на фотографии видно, как равномерно нагреваются линии подачи питания вокруг сокета CPU. Баланс фаз сделан почти идеально, без выделяющихся горячих участков. Это значит, что плата очень равномерно распределяет ток, позволяя вам выжать больше ампер из стабилизатора напряжения. Инженеры Intel, вероятно, подали на внешние фазы больше тока, где воздух холоднее, что позволило сбалансировать тепловыделение.
Некоторые конкурирующие платы на X58 используют 16-фазный стабилизатор напряжения, который “на бумаге” выглядит впечатляюще. Чем больше, тем лучше, не так ли? Не всегда. Тестирование в этой комнате выявило существенный дисбаланс по нагрузке у конкурирующего продукта, причём две или три фазы переходили в “катастрофические температурные режимы”. Intel подразумевает под “катастрофическим” нагрев до, примерно, 120 градусов Цельсия. При такой температуре может случиться тепловой пробой, например, в контуре обратной связи, что приведёт к “поджарке” компонентов. Реальной опасностью является температура около 150°C, при которой печатная плата начнёт обугливаться. Если плата размещена в корпусе в такой ситуации вертикально, компоненты могут отпаиваться и выскальзывать из своих креплений.
К счастью, у материнской платы Smackover всё распределено равномерно, что позволяет нагружать её сильнее. 6-фазный стабилизатор напряжения может выдержать до 140 А или 200 Вт. Конкурирующий 16-фазный продукт – максимум, 130 А и 180 Вт.
Если вы когда-нибудь искали качественный блок питания, то наверняка знаете важность линий питания и нагрузки, которая на них приходится. На фотографии показана ещё одна тестовая станция, которая измеряет энергопотребление каждой линии, на графике можно наблюдать переход системы из активного состояния в режиме ожидания. Конечно, плоский график в режиме ожидания – это очень хорошо. Если он не был бы плоским, то это бы означало, что BIOS или драйверы обращаются к CPU с ненужными запросами, процессор не может оставаться в режиме бездействия. Тест также показывает, есть ли у платформы существенные утечки питания.
Этот осциллограф Tektronix позволяет определять скачки напряжения, создаваемые кратковременной нагрузкой, которую программы накладывают на CPU. Если добавить нагрузку, напряжение снижается до нижней линии, а когда нагрузка уходит, напряжение должно подняться до уровня, на котором оно должно быть. Чрезмерный подъём выше этого уровня к верхней части экрана осциллографа может привести к проблемам с надёжностью CPU. Падение сигнала ниже этого уровня тоже часто приводит к “синим экранам” и “вылетам”. На экране видна нагрузка в 100 ампер, которые налагается на CPU 1000 раз в секунду, и, как можно заметить, здесь есть довольно существенный допуск повышения уровня мощности для разгона. Данный осциллограф стоит около $12 000 – не так много, поскольку частоты CPU не такие больше. Для шин данных вам нужны более мощные осциллографы, поддерживающие более высокие частоты с ценой вплоть до $50 000.
Возможно, вы уже заметили логотип Intel на рекламе 3D-мультфильма “Монстры против Пришельцев/ Monsters vs. Aliens”. Время было очень ограничено, чтобы расспросить сотрудников о том, какие грани технологий Intel (в отличие от маркетинговых реляций) делают InTru 3D особой или превосходной. Честно говоря, данную возможность можно оценить на эпизоде сериала NBC “Chuck”, который вышел с технологией InTru 3D. Если быть ещё более честным, зачем всем этим электротехникам нужны 3D-очки. Возможно, InTru 3D даёт какую-то другую нагрузку, чем игры, которые обычно запускаются на ЖК-панели Samsung. Или, возможно, PR-отдел не смог устоять, чтобы не прорекламировать InTru 3D под таким углом.
В любом случае, покидая комплекс Hawthorn Farms с новой оценкой того, какое количество научно-исследовательской работы вложено в каждый продукт Intel. Теперь мы намного лучше представляем себе, почему Intel обладает репутацией производителя одних из самых стабильных материнских плат и процессоров в своём бизнесе. Говорят ли все эти инженерные усилия о том, что Intel выпускает самые быстрые продукты? Не всегда. Но, следует помнить, что Intel “одобряет” разгон всего пару лет. Впрочем, даже со сдержанной производительностью компания чувствует себя вполне комфортно. Это дает надежду, что лучшие продукты от Intel ещё впереди.
Есть ли у других производителей подобные комплексы, посвящённые научно-исследовательской работе? Вероятно. Посетить их “за кулисами”, пока не представилось возможным, а данный комплекс всё равно является одним из самых крупных. Некоторые продукты Intel производятся не в США, но огромное количество “мозгов” и “креативщиков” находятся именно в США. Сотни работников Intel размещены и работают в данном корпусе, при этом было разрешено посетить только одно здание из многих строений Intel, разбросанных по Хиллсбро.
