Estos son los pasos de cómo se fabrica una tarjeta gráfica

Como ya hicimos con los procesadores, en este otro artículo vamos a ver cómo se fabrica una tarjeta gráfica, tanto la GPU como la PCB que la compone. Así podrás conocer más sobre estos elementos tan cruciales para los ordenadores actuales, y que son tan complejos y fuera del alcance de la comprensión para algunos usuarios que son nuevos en esto.

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Diseño de la PCB y GPU

Para fabricar una tarjeta gráfica, lo primero es diseñar por un lado la GPU, de la que se encargará la fabless como AMD, NVIDIA, etc., o el IDM como el caso de Intel, y por otro lado, estarán los fabricantes de la PCB, que también diseñarán su propia placa de circuito, que no es más que una «mini» placa base, pero en vez de una CPU usa una GPU, y en vez de una RAM usa la VRAM, así como un BIOS gráfico en vez del clásico BIOS/UEFI…

Aunque lo he obviado, evidentemente, también habrá que diseñar y fabricar otros elementos, como los chips de VRAM por parte de compañías como Micron, Samsung, SK Hynix, etc., otros chips controladores que son necesarios para el funcionamiento de la tarjeta y que pueden estar creados por muy diversas compañías, así como los elementos electrónicos (condensadores, resistencias,…).

GPU

Para diseñar la GPU, se debe comenzar por describir los objetivos que se deben alcanzar de rendimiento, consumo, etc., y en función de ellos, comenzar a diseñar la arquitectura. En este caso, a diferencia de la CPU, se trata de una arquitectura masivamente paralela, con cientos o miles de núcleos muy simples llamados shaders. Cada uno de esos núcleos contendrá unidades de texturas, rasterizado, y ALUs o FPUs, entre otras.

Sin embargo, quitando estas diferencias, el diseño se hace exactamente igual que el de la CPU. De hecho, aunque no se habla de ella con frecuencia, la GPU también tiene su propia ISA o repertorio de instrucciones, pero especialmente diseñado para el procesamiento gráfico, y que funciona gracias a los drivers o controladores y a las APIs gráficas como OpenGL, Vulkan, DirectX, o las APIs OpenCL, CUDA, etc. si se trabaja en modo GPGPU, traduciendo los cálculos necesarios que hay que generar en una serie de comandos o instrucciones que la GPU irá procesando. Por tanto, si el diseñador se atiene a dar soporte a estas APIs, funcionarán correctamente con cualquier sistema, independientemente de que la ISA sea diferente.

Por ejemplo, si un software hace una solicitud para dibujar un gráfico en pantalla, dicha solicitud irá a la API gráfica, que traducirá dicha solicitud en un lenguaje apropiado para que lo entienda la GPU. Una vez la GPU lo ha procesado, la API devuelve la respuesta al software que la solicitó. Es decir, gracias a la API gráfica se abstrae la complejidad del hardware de la GPU, permitiendo que distintas GPUs muy diferentes en cuanto a su ISA y arquitectura, funcionen bien en un mismo sistema.

Por supuesto, para que esta ISA pueda ser procesada, también se tiene que diseñar la microarquitectura, es decir, la implementación física capaz de procesar las instrucciones y datos definidos por la ISA de tal forma que lo haga de forma más rápida y eficiente posible.

Después de eso, se usará un entorno EDA y lenguajes HDL, al igual que ocurría con la CPU, para describir la microarquitectura y circuito, además de realizar pruebas mediante simulación, verificación, etc., y terminando por traducir el código HDL en celdas básicas, enrutando éstas y obteniendo el layout final con el que se podrán crear las máscaras para la fabricación del chip en la foundry…

Diseño de la PCB

Por otro lado, empresas como MSI, Gigabyte, ASRock, ASUS, Sapphire, Zotac, PNY, PowerColor, EVGA, Biostar, etc., serán las encargadas de crear sus propias PCBs, que pueden ser diferentes. No obstante, todas deben ser compatibles con el chip de la GPU, por supuesto. Para ello, AMD, NVIDIA, Intel, etc., enviará una serie de documentación para que puedan conocer bien los contactos del chip gráfico y sus funciones (datos, reloj, voltaje, GND,…).

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Durante el diseño de un PCB o placa de circuito impreso, lo primero es tener presente lo que se necesita crear, para hacer un listado de los componentes electrónicos necesarios (chips, condensadores, resistencias, puertos…), y así determinar cómo se interconectan todos para que funcionen adecuadamente.

Para el diseño, se emplean herramientas de software de diseño esquemático como KiCAD, Eagle, Altium Designer, etc., aunque algunas de las empresas citadas pueden tener incluso soluciones desarrolladas por ellos mismos. Sea como sea, el esquema incluirá una serie de símbolos y líneas de conexión que representarán el circuito. Dicho de otro modo, el software permite colocar los componentes en la placa, definir las pistas de cobre que conectan los componentes, crear capas de cobre adicionales para señales de alimentación y tierra, y añadir orificios para el montaje de la placa.

Una vez creado el esquema, se realiza la captura de esquemas para vincularlo con el diseño de la PCB. Esto implica asociar cada símbolo del esquema con su correspondiente componente físico en la PCB. Además, se definirán una serie de reglas o restricciones físicas para el diseño, como los anchos de pistas, la distancia entre ellas, el tamaño de los orificios, el espacio que se puede ocupar, etc.

Se deben realizar verificaciones de diseño para detectar errores en el diseño de la PCB, como cortocircuitos, pistas abiertas y violaciones de las reglas de diseño. Para ello se usan herramientas de software de verificación de diseño (DRC) para realizar estas comprobaciones. Finalmente se podrá pasar el layout a una serie de plantillas que se usarán para la fabricación de la placa…

Fabricación de la PCB

Fabricar una placa PCB para la tarjeta gráfica, te recomiendo leer los pasos en un artículo que ya hicimos sobre la fabricación de un PCB.

Fabricación del chip GPU

Como ya describimos el procedimiento de fabricación del chip en este otro tutorial, te recomiendo leerlo para conocer paso a paso cómo se hace, ya que el chip de la GPU se fabrica exáctamente igual que el de una CPU, tan solo cambiarán los diseños o máscaras…

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