Alle Modelle (Notebooks) Notebook-Hardware im Detail (VRM, Chokes, PCH, DIE)

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Auf der Suche nach der Ursache von Fehlern oder Problemen wie Rucklern/Freezes bei Spielen oder Spulenfiepen wird sich oft über VRM, Powerstages, MOSFETs, VRAM, Chokes usw. unterhalten. Nicht jeder weiß was diese Begriffe bedeuten und vor allem, wo sie auf dem Board sitzen und was sie eigentlich für Aufgaben haben. Gerade für Besitzer eines Gaming-Notebooks, die ihr System besser verstehen wollen, könnte der Thread eine gute Hilfe sein. Da ich mich gerne mit der Hardware (und Kühlung) beschäftige, habe ich mir gedacht, dass ich mir die Mühe mache und einen ausführlichen Beitrag zu dem Thema erstelle. Zusätzlich wollte ich noch ein paar Begriffe erläutern, die hier oft in den Beiträgen erwähnt werden. Gerade für Neulinge, die sich noch nicht lange mit dem Thema beschäftigen, kann das Fach-Chinesisch eine Herausforderung sein. So hat man gleich den Vorteil, dass man in zukünftigen Beiträgen nicht alles erklären braucht, sondern einfach auf den Thread hier verlinkt.

Eine Sache gleich vorweg. Ich weiß auch nicht alles, versuche aber das was ich weiß, so richtig wie möglich zu beschreiben. Nehmt's mir also nicht übel, wenn vielleicht die ein oder andere Info nicht richtig ist. Gerade im Bezug auf das Mainboard sind offizielle Informationen kaum vorhanden. Dazu später aber noch mal mehr. Manchmal sind meine Quellen auch nicht immer richtig. Wenn jemand also etwas richtig stellen möchte, freue mich natürlich über Kritik. Schließlich lernt man davon nur. Über positives Feedback freue ich mich natürlich auch^^.

 

PCB

Dieser Begriff steht für "Printed Circuit Board". Im Grunde beschreibt es einfach die Platine auf dem die Chips und die anderen Komponenten sitzen. Also jede Grafikkarte, jedes Mainboard, RAM-Riegel ist/ hat ein PCB. Unser Notebook-Mainboard ist ein sogenanntes Multi-Layer PCB. Das bedeutet, das die Leiterbahnen nicht nur ober- und unterhalb auf dem Board liegen, sondern auch da zwischen auf mehreren Schichten. Aus wie viel Schichten genau das AW-Board besteht, konnte ich leider nicht rausfinden. Ich nehme an, dass es zwischen 10 und 20 Schichten liegen müsste. Aktuelle High-Rnf Grafikkarten liegen bei 15 Layern und mehr. (Link Wikipedia)

 

BGA

Auch ein Begriff, der hier öfter fällt. BGA steht für "Ball Grid Array" und beschreibt das Verfahren wie Chips (GPU, CPU, VRAM, etc) aufs PCB gebracht werden. In Forenkreises meint man mit einem BGA-Notebook, dass die wichtigsten Komponenten wie CPU und GPU festgelötet und somit nicht austauschbar sind. Zumindest nicht so einfach. Es hat jedoch den Vorteil, dass sich ein besonders flaches PCB realisieren lässt und somit auch die super flachen Notebooks. Als Beispiel: vor der Montage sieht ein GDDR5 Speicher-Chip und ein Intel Core i7-7820HK wie folgt aus:

Wie die Kügelchen auf den Chip kommen, kann man hier in dem Video sehen. (Link Wikipedia BGA)

 

DIE

Als DIE bezeichnet man die Oberfläche eines Chips. In den meisten Fällen meint man damit die Oberfläche (Diffursionsschicht/ -sperre) von CPU, GPU oder PCH. Also meist das, was so schön spiegelt. Besonders oft fällt dieser Begriff in Kühlungsthemen, wo es darum geht wie der Kühlkörper (Heatsink) auf dem DIE aufliegt. Bitte nicht verwechseln mit einem IHS (Intergradet Heatspreader). Dieser ist z. B. bei Intel-Desktop CPUs auf dem DIE geklebt. Bei unseren AW-Notebooks ist der Heatspreader die große Kupferplatte auf dem Kühlkörper. (Link Wikipedia Heatspreader)

 

Komponenten des Mainboards

Die Erläuterungen der Komponenten habe ich anhand meines AW17 R5 Mainboards gemacht. Jedoch lassen sich die Sachen auch auf andere Notebooks wie beispielsweise dem Area51m übertragen, da sich in der Grundstruktur nicht so viel verändert. Ich werde nicht all zu tief ins Detail gehen, da ich sonst wahrscheinlich drei Tage für diesen Beitrag brauche. Also nur kurz und knapp und warum sie da sind und was sie machen. Ich fange mit der Spannungsversorgung von CPU und GPU an.

 

Da CPU und GPU die leistungsstärksten Komponenten auf dem Board sind, benötigen sie dementsprechend eine speziell starke Spannungsversorgung. Das Schaubild ist zwar mehr auf einen Desktop-PC bezogen, funktioniert aber relativ gleich im Notebook. Die "Chokes", auch "Coils" oder in deutsch "Spulen" heißen richtigerweise Induktor. Der Begriff "Spule" kommt tatsächlich davon, dass sich im Inneren eine spulenähnliche Konstruktion (siehe Bild) befindet. Auch das Problem mit dem Spulenfiepen kommt genau aus diesem Bauteil. Sie können, je nach Modell und Last, in einer Frequenz takten, wo sie das menschliche Ohr hören kann. Zusammen mit dem Voltage-Controller, Doublern, MOSFETs und den Kondensatoren füttern sie die CPU/ GPU mit ausreichend Strom.

VRM = Voltage Regulator Modul, bezeichnet die gesamte Einheit von Anfang bis Ende.

 

 

Das nächste Bild beschreibt die Begriffe PCH, VRM, VRAM und wo diese auf dem Board liegen.

 

Angefangen bei der GPU. Die Spannungsversorgung für den GTX 1080 Chip, ist Vcore GPU. Der Video-RAM (auch VRAM) hat seine eigene Spannungsversorgung, abgekürzt Vmem. Der Video-RAM beträgt 8 GB GDDR5X. Der Speicher kommt von Micron und das X steht einfach für einen etwas schnelleren Speicher. Guckt man sich die Bereiche zur Spannungsversorgung an, ist auch genau das der Bereich, den die Heatsink abdeckt (siehe Bild mit HS). Gerade die MOSFETs können sehr warm werden und es wirklich wichtig, dass die Bauteile gekühlt werden. Zwar werden Sie nur passiv und mit einem Wärmeleitpad gekühlt, aber das reicht schon für einen normalen Betrieb unter Last aus. Werden die Komponenten nicht richtig gekühlt und werden zu heiß, greift eine Schutzabschaltung ein, ähnlich wie bei der CPU. Meist macht sich das mit (dauerhaftes Intervall) kleinen Rucklern oder Freezes bemerkbar. Die Spannungsversorgung der CPU ist allgemein auf den gesamten Chip bezogen. Wahrscheinlich sind die beiden äußeren Induktoren rein für die iGPU. Der Rest wie Audio Controller usw. sollte klar sein. Der LAN Controller hat noch eine galvanische Trennung. Guckt man sich mit den Infos jetzt ein Area 51m PCB an, findet man viele Komponenten wieder.

 

 

Mainboard von meinem alten AW17 R4:

 

Anschlüsse auf dem AW17 R5 Board:

 

Noch ein paar ergänzende Sachen. Viele Chips besitzen in einer der Ecken eine Markierung. Bei CPU und GPU sind das ein Dreieck bzw. ein Pfeil und bei den anderen Chips ein Punkt. Ich habe mal ein paar markiert.

 

 

Von der CPU kennen das sicherlich viele. Die Markierungen sind dazu da den Chip richtig rum einzubauen. In einigen Schaltplänen ist die Markierung ebenfalls zu sehen.

 

 

Falls es jemanden interessiert wie so ein Schaltplan im Einzelnen aussieht, einen Schaltplan vom M17x R4 hätte ich da: AW Schematics Document  Was Aktuelles wird man leider nicht so einfach bekommen.

Ich lade in den nächsten Tagen noch zwei High-Resolution Bilder vom R5 Mainboard hoch. Dann kann sich jeder einen besseren Blick vom PCB verschaffen.

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Schon fast vergessen. Hier noch mal beide Bilder in High Resolution als Download. Da kann man sich jeden Chip und Stecker noch mal im Detail angucken. Am besten die Bilder über den Button "Herunterladen --> Direkter Download" speichern. Über Rechtsklick -> Grafik speichern unter... komprimiert er deutlich die Qualität.

AW17 R5 Mainboard High Resolution

 

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Da das Thema in der Community scheinbar gut angekommen ist, habe ich mir gedacht, dass man vielleicht noch etwas tiefer in die Materie einsteigen kann. Schadet ja nicht, wenn man bisschen mehr über sein Notebook weiß.  Als Thema will ich heute das VRM der CPU etwas genauer betrachten, denn schließlich wird Leistung nicht nur durch Hardware allein definiert, sondern die Powerlimits spielen ebenso eine wichtige Rolle und entscheiden was sich die Hardware "gönnen" darf. Oftmals reicht schon ein Blick auf's Netzteil um zu erahnen, wo wahrscheinlich eine höhere Leistung zu erwarten ist.  Es ist schon ein Unterschied ob die CPU, also in dem Beispiel der i9-8950HK, in einem schmalen Notebook mit'm 75-120w Netzteil eingebaut ist oder in einem Gaming-Notebook mit'm 330w Netezteil. Natürlich sind Kühlung usw. auch ein wesentlicher Faktor, aber hier soll erstmal primär über die (strom-) technische Voraussetzung von der Leistung der CPU/ GPU gehen.

Was VRM betrifft, einfach bisschen hoch scrollen, dort steht grob alles zum VRM und welche Komponenten es umfasst. Als Beispiel nehme ich ein Mainboard vom m15 R1. In dem Beispiel ist ein i9-8950Hk zu sehen, wobei der i7-8750H die gleichen VRM Komponenten hat. Wenn man sich das Powerlimit beider CPUs im m15 R1 anguckt, verwundert es einen auch nicht. Der i7-8750H hat ein Powerlimit von 75w/ 90w und der i9-8950HK von 78w/ 90w. Für 3 Watt wird man sicher kein anderes VRM-Layout benötigen, zumal die 90w im PL2 ohnehin identisch sind. Für 210w, wie es im Area51m zu finden ist, dagegen schon eher. Dazu komme ich ebenfalls später.

Betrachten wir erstmal die Spannungsversorgung der CPU vom m15 R1:

 

Bei dem Voltage/ Phase-Controller handelt es sich um den "NCP 81215"  und bei den MOSFETs "FDPC 5018SG" von ON Semiconductor. Ich habe euch mal das technische Datenblatt zu den beiden Komponenten hochgeladen. Reinschauen lohnt ?

 

 

 

Die Arbeitsweise des Voltage-Controllers veranschaulicht folgendes Beispiel ganz gut:

 

Die MOSFETs (die viereckigen schwarzen Dinger) sind im Inneren mit verschiedenen Komponenten aufgebaut. Neben dem Driver, findet sich ein High- und ein Low-FET. Der High-FET ist für die hohe Spannung (12/ 5V) verantwortlich und der Low-FET für die niedrige (CPU-typische) Spannung (0,8xx - 1,xxV). Zusammen mit dem Induktor (Spulen-Symbol im Schaubild) ergibt das eine Phase. Die Phasen versorgen die CPU genau mit der Spannung, die sie für den Betrieb benötigt.

 

 

Auf dem PCB schaut das ganze so aus:

 

Man kann den Bereich der Phasen in zwei Bereiche teilen. Als Vcore habe ich hier alle Phasen gekennzeichnet, die rein für die CPU benötigt werden. Dieser Bereich ist auch am stärksten ausgebaut, weil die CPU hier besonders stromhungrig werden kann, wenn sie in den Boost geht oder übertaktet wird. Man kann grob behaupten, dass diese Phasen die eigentliche Leistung der CPU versorgen. Nun läuft die CPU aber mit unterschiedlichen Spannungen, weil die CPU im Inneren verschiedenen Komponenten hat, die verschiedene Aufgaben erledigen. Als Beispiel wäre hier die iGPU, SystemAgent, IMC usw. zu nennen. Im DIE-Shot ist die Unterteilung gut zu erkennen:

 

 

Deswegen gibt es im Bereich der Phasen noch einen zweiten Block, der sich auch optisch unterscheidet. Grundsätzlich kann aber sagen, dass dieser Aufbau auf sehr vielen PC- und (Gaming) Notebook zu finden ist. Das sieht beim Area51m nicht viel anders aus. Wobei die Vcore-Seite hier massiv ausgebaut ist. Gut, ein Powerlimit von 210w und ne Desktop-CPU bis hoch zum 9900K muss bei 5,0 GHz nun mal versorgt werden.

 

 

Wie immer hoffe ich, dass ich euch das Thema halbwegs verständlich rüber bringen konnte. Bitte beachtet, dass nicht alle hier genannten Informationen zwingend richtig sein müssen. Man findet, speziell Notebooks betrifft, nur sehr wenige Informationen. Ich versuche das aber bestmöglich von der Desktop-Welt auf die Notebook-PCBs zu abstrahieren, da es technisch gesehen nicht anders funktioniert, nur halt mit anderen Restriktionen.

 

Quellangaben:

- CPU DIE Shots

- ON Semiconductor

- Buildzoid's Channel

 

MOSFET FDPC5018SG.pdf VC_BRD8025-D-1381870.pdf

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Wie einige sicherlich mitbekommen haben, war vor kurzem der User @Silentfan bei mir. Da ich für den Palmrest-Tausch das gesamte Board inkl. aller Anbauteile ausbauen musste, habe ich bei der Gelegenheit gleich einige Bilder von dem Mainboard gemacht. Insbesondere von der Rückseite des Mainboards gibt's so gut wie gar keine Bilder. An der Stelle noch mal dickes Dankeschön an Silentfan für die Gelegenheit. Da ich weiß, dass der Area51m ein beliebtes Notebook in der Community ist, wollte ich diesbezüglich ein kleines Area51m-PCB-Special machen. Schließlich kann es nie schaden, immer etwas dazu zu lernen.

Ich gehe jetzt hier nicht auf jede einzelne Komponente ein, aber zumindest auf das Wichtigste und auf das, was öfter mal gefragt wird. Zunächst erstmal das Mobo von beiden Seiten:

 

 

Vcore - Dieser Bereich versorgt die CPU, genauer gesagt "die Leistung der CPU" und kann dementsprechend im OC sehr stark beansprucht werden und logischerweise auch sehr heiß werden. Vielen sagt sicherlich Core VID was. Diese wird hier passend in die CPU eingespeist.

iGPU/ SA - iGPU und SA (System Agent) sind zwar in der CPU integriert, stehen jedoch stromtechnisch zunächst für sich alleine, weswegen sie eigenständig versorgt werden. Deswegen auch der separate Voltage-Bereich. Auch in XTU oder ThrottleStop kann man diese Bereiche separat von einander einstellen.

(PWM) Voltage-Controller - Ohne ihn geht nichts. Reguliert den Strom der CPU über die Phasen.

GPU*/ DC in/ PWR PCIe/ Battery* - Oft werde ich (meistens beim Repaste) gefragt, was diese ganzen Bauteile auf dem Mainboard sollen. Der Größtteil ist tatsächlich für die Spannungsversorgung verschiedener Komponenten da. Die Netzteile geben eine Eingangsspannung von 19,5V in das Notebook. Damit kann das Board erstmal nichts anfangen und muss zwingend die 19,5V Eingangsspannung für Board-typische Dimensionen runter transformieren. Das "Problem" dabei, man braucht wenig Volt, aber eine hohe Stärke. Deswegen sind viele MOSFETs und Induktoren (graue Vierecke) auf dem Board zu erkennen. Sie erfüllen mehrere stromtechnische Aufgaben. Nur um ein paar Beispiele zu nennen: Spannung passend transformieren, Spannung glätten/ filtern, Spannungsabfälle ausgleichen etc. Wobei man anmerken muss, dass die Kondensatoren, egal ob Tantalum oder Aluminium-Polymer, einen wesentlichen Teil dabei beitragen.

Wenn das Thema interessant ist oder es Fragen aufwirft, so plane ich Zukunft zu MOSFETs und Induktoren einen eigenen Beitrag zu machen, da diese Themen, wenn auch indirekt, doch immer wieder im Forum erwähnt werden. Stichwort Spulenfiepen (Coil-Whining).

Connector - Oft finden sich auf den Board unbelegte Anschlüsse. Entweder für Testzwecke (in Produktion) oder weil man für zukünftige Änderungen oder Upgrades dies im ersten Layout/ Revision mit eingeplant hat. Auf dem Mainboard werden Anschlüsse immer beginnend mit "J" deklariert. Beispielsweise für den Power-Knopf mit JPWR oder JKBBL, was für J-(Connector) KB-(KeyBoard) BL-(BackLight) steht.

ENE Super I/O - Hin und wieder werde auf diesen, sehr offensichtlichen, großen Chip angesprochen. Man kann ihn praktisch als zweiten Mainboard-Controller ansehen, neben dem Intel Chipsatz. Anders als der Intel QM370 Chipsatz, regelt dieser Chip viele hardware-typischen Aufgaben. Keyboard- und Trackpad-Eingaben, Audio, LED-Bling-Bling, Hardware-Verwaltung usw. Wen das Service-Manual interessiert, kann ja gerne einen Blick reinwerfern, ist aber sehr technisch.

Intel Chipset QM370 - Beim AW17 R5 kam der HM370 Chipsatz zum Einsatz. Beim Area51m wird eine etwas upgedatete Version verwendet, der jedoch nicht viel anders arbeitet. Chipsatz-typisch verwaltet dieser Chip wichtige Kommunktionsverbindungen wie PCIe-Lanes oder die Anbindung von CPU und PCIe-Steckplätze (SSD, WLAN) oder Arbeitsspeicher/ RAM. Übrigens wird der PCH (Platfrom Controller Hub) mal ausnahmsweise bei Alienware gekühlt. Der Chip befindet sich zwar auf der Unterseite, ist jedoch mit einem Wärmeleitpad an der Tastatur-Backplate verbunden.

LAN Controller - Die hatte ich bereits im Vorgängermodell AW17 R5 erwähnt. Im Grunde ändert sich da nicht viel. Wollte sie aber zumindest selektieren.

Abschließend noch zwei Bilder von der GPU: Nvidia RTX 2080 (200w-180w):

 

Wirklich viel zu erzählen kann ich nicht, da da meiste abgeklebt ist. Man sieht ein paar Anschlüsse, die VRAM-Chips und einige Spannungskomponenten wie Induktoren von Vmem und Vcore. Vollständigkeitshalber wollte ich es aber mit aufführen, da es dazu gehört und schon irgendwo beeindruckend ist, wie viel Leistung aus so ein bisschen PCB kommt. 😏

[Robman]

Danke auch nochmal dir für deine Zeit!

Sk0b0ld hat mir auf jeden Fall die "Angst" genommen, das Area 51m komplett zu zu zerlegen. Ich hatte es zuvor schon mehrmals halb auseinander (Repaste usw.).

Im Nachhinein sehr einfach, ist wirklich dafür gedacht, alles selbst tauschen zu können. Ich hatte es jetzt nach dem Treffen wegen der Netzteil-Geschichte wieder fast komplett auseinander (Mainboard raus inkl. alle Leiterbahnen ab usw.).

Abschließend noch folgende nützliche Hinweise:

• es gibt online von Dell eine ausführliche Anleitung das Area 51m auseinanderzubauen. Oftmals sind aber nicht alle Schritte notwendig
• grundsätzlich empfiehlt sich stets nur das Nötigste auszubauen bzw. abzuklemmen (sagt Sk0b0old ja auch an verschiedensten Stellen), umso weniger kann kaputt gehen
• sehr behutsam vorgehen, wenn man es richtig macht, geht alles ohne Gewalt (sagt Sk0b0ld ebenfalls an verschiedenen Stellen)
• das Mainboard kann inkl. Heatpipes entnommen werden, man muss also nicht immer repasten, um das Mainboard auszubauen (z.B. notwendig um sauber an die power jacks zu kommen = Netzteil-Geschichte)

 

Bearbeitet 25. Mai 2020 von Silentfan