>Home   >PC Tips  >This page 

【続】 B級なTigerMPの研究
 

2003/02/16 1st issue
2004/03/05 update
               

2001年5月から2002年10月までの間にコツコツとパーツを仕入れ、1年半越しでようやくAthlon利用者となった私なのですが、その間多くの先人達のとても有用なページを拝読しておりました。 そうしてやっと入手したAthlonXP(CPUID680)をTigerMPで使うにあたり、大きな問題があること※1)に気付きましたため、先達のページの続編を書いてみようと思い立ったわけです。

その問題とはオンボード電源部の弱さです。 CPUにコア電圧を供給するVRM部と、DDRメモリ及びAMD762に供給する2.5V生成部がともに貧弱です。 TigerMP突然死の話を結構聞きますし、ヤフオクでも突然死TigerMPがよく出品されていますが、起動不能となる原因はこれらオンボード電源部の設計に理由があるかもしれません。 

※1;当記事で取り上げている「問題」とは、「AthlonXPをTigerMPで利用する」という、メーカの製品仕様規定から逸脱した使用方法に於いて発生する問題である事を当記事公開当初よりお断りしております。
従いまして、当記事内容をもって「Tyan=ダメ」という短絡的な誤認識をなさらないようご注意ください。

参考までに私が入手したTigerMPは2枚ともボードRev1.03です。

※FETの交換も含めたVRMの高性能化改造はpartIIをご覧下さい

・基板リビジョンの差

TyanはTigerMPのボードデザインにて、主としてVRM周りで苦労しているのが見て取れます。Tyanのサイトに出ていた製品写真はES品と思われるデザインのもので、このデザインと同じ物は市場ではまったく見かけません。
市場に流通しているのは下図の右側2種類のみのようなのですが、ES品、Rev1.00、Rev1.03でVRM周りだけが大きく変更されているのが判ります。 BIOS ROMに貼られているシールに「2460 V102」やら「2460 V103」だの書かれていると思いますが、それは基板リビジョンではなく、「工場出荷時に書き込まれたBIOSのバージョン」の事ですのでお間違いなく。

Tyanサイトにupされていた写真 Rev1.00 Rev1.03

・案外プアなTigerMPのVRM

VRMの回路構成は5V入力型の2相同期整流バックコンバータです。 コンバータコントローラにはHIP6301、HIP6302のどちらでも使えるようなパターンが引かれています。FETドライバはHIP6603、PowerMOS FETはUpper側Lower側とも、Rev1.00ではFDB6030L、Rev1.03ではIRL3103Sが使われており、約232KHz(実測値)でスイッチされています。 某Spiceシミュレータで回路構成をRev1.03とほぼ同じように組んだもので変換効率を調べてみると、37.5A負荷にて変換効率は78〜79%となる事が判りました。

VRM入力側ケミコンはRubyconのZLで10V1000μF、出力側は同じくZLで6.3V2200μFです。
また、ケミコンの使用個数がCPU1側とCPU2側で異なります。下表の通りです。

ES品 Rev1.00 Rev1.03 搭載ケミコンZLの諸元(1個の値)
リップル許容値 ESR
入力側 CPU1 6個? 4個 4個 10V1000μF
1430mA rms.
(105℃, 100kHz)
38mΩ
CPU2 4個? 3個 3個
出力側 CPU1 6個? 7個 7個 6.3V2200μF
2150mA rms.
(105℃, 100kHz)
22mΩ
CPU2 6個? 7個 7個

RubyconのZLは超低ESR長寿命品で、TigerMPに採用されているサイズの品は動作環境温度105℃にてLifeTime4000時間が保証されている高性能ケミコンではありますが、TigerMPのVRMの構成ではAthlonでも高消費電力なものを載せると、入力側ケミコンに流れるリップル電流が大きくなり過ぎて、ケミコンの許容値を超えてしまい、寿命を劇的に短くしてしまう事になります。
過大リップルを喰らい続けるとケミコンは静電容量低下(特性劣化)が進みます
すると平滑能力が激減しますので、電源回路ではそのケミコンの平滑をあてにして
いるスイッチ素子(トランジスタ、FET)は自己損失がどんどん大きくなって(=どん
どん発熱が増える)しまいます。
こうして最後にはスイッチ素子が溶ける/焼けるという事になってしまいます。

2相同期整流によって入力側出力側ともリップル電流は通常のバックコンバータと比べて1/2以上程度相殺されますし、ケミコン以外にもチップセラコンが多数パラで付けられており一応の対策がされていますが、それでも特にTigerMPのCPU2用VRM入力側ケミコンは3個しか並列されておらず、これではおおよそですがCPUコア電流のTyp値で32〜33A前後にて入力側ケミコンZLのリップル耐量上限を超えてしまう事となりそうです。

つまりVRMの設計という観点からTigerMP(新品)に搭載しても安心なCPUを、AMDのデータシートで各モデルの消費電流Typical値を睨みつつ長期安定動作を期待できるギリギリのレベルを考えますと、

表1 XP
(L5改造でMP化したXP含む)
MP
Thunderbird 1133MHzまで
Palomino 1700+まで 全モデルOK
Thoroughbred (680) 1900+まで 2200+まで
Thoroughbred (681) 1800+まで 2400+まで
Barton データシートを見るとTyp値とMax値の乖離が激しいため、モデルナンバーではなくTigerMP上での実動作周波数1800MHz強程度までが目安と推定 2800+まで
MPモデルの場合、実動作周波数では2200MHz程度までが目安と推定

と、上表のように考えることが出来そうです。(これはTyanの発表とは異なります)
各種CPUのTDP一覧のページ
はブックマークしておくと重宝します。

厄介なのはXPとMPが「漏れ電流の少ないコアを選別して、ブリッジを変えてXPとMPに作り分けている」だけだと思われる点です。 つまり具合良く均質に回路形成のできた半導体ウェハーからは出来の良いコア(=漏れ電流が少ない)が多く採れるので、MPモデル並に消費電力が低いXPだってロットによってはあり得る訳です。(当たりCPUですね)
従って上表はあくまでも目安だとお考え下さい。 何しろTigerMP側にも当たり外れがありますので。

BartonXPの場合はFSB333もしくはFSB400のCPUなのでデフォルトでの逓倍率が低目(x11〜x13)です。 一方、TigerMPはFSB266システムですのでBartonXPの実動作周波数が1800MHzを超える事がないため、BartonXPもTigerMPも無改造の定格で動かすぶんにはVRMの能力的には問題なく動作させられるでしょう。 倍率変更改造/CPUFSBなどで実動作周波数を上げる場合の目安を表に入れておきました。
BartonはコアアーキテクチャがPalominoから変更されていませんので、TigerMPでも動作します。(@BIOS 1.05)

誤解する人が必ず出てくるので、くどいのですが念のため、
上表を超える実動作周波数のAthlonがTigerMPでは動かないと言っているのではありません。 そういったAthlonでも動くだろうけれど、使い続ければTigerMPが動作不安定や起動不能となる確率が飛躍的に高くなる、或いはケミコンが破裂/液漏れしたりFETが焼けたりする確率が飛躍的に高くなる
という事です。
実際に私はL5改造でMP化した680ThoroughbredXP2200+(いわゆる偽皿)を無改造TigerMPにDual載せして、後述するDIMMの問題は出たものの、ちゃんと動く事を確認していますし、そのまま700時間連続の高負荷運転試験(RC5-72)も完走しました。
ただ、この運転後に基板各部を点検したところ、3箇所のケミコン(意外にもVRM部ではありません)に頂部膨張の兆候が認められました。(いずれもHERMEIの安物ケミコン^^;; ったく、コレだからブツブツ・・・
  
とりあえずサウス(AMD766)の両側にある膨張HERMEIは手持ちの関係でOS-CONに換装しました。

 

 

・VRMの強化

まずは安易かつ上表1で挙げたCPUを定格でバリバリ動かしてもTigerMPがへばらない程度を考えます。
強化ポイントについてですが、からのアドバイスでは「VRM入力側ケミコンに大容量の積層セラミックなどをパラで追加する事で、ケミコンに流れるリップル電流を軽減するのが(・∀・)ノイイ! 悪い事言わないからそうシトケ」との事でした。 Spiceシミュレータ上で10μF積セラを追加して試してみると、確かに入力側ケミコンに流れるリップル電流は15%程度低減できることが確認できます。 複数個の積セラを入れる事で30%低減も可能でしょう。

用意した積セラ(リップル耐量増加が目的ですから耐圧50V品を選びます)と実装例です。
   
実装する時は低電圧大電流電源回路の鉄則である「太く短く」を徹底して下さい。写真のように最短距離での実装をします。
ところで、CPUクーラー等を取り付けるためにCPUソケット周辺のケミコンを倒して実装し直す改造がされているを見受けます。「もっと冷やしたい」という欲求は非常に良く理解できますが、あれでは最近の大電力消費型CPUの電源回路にとってはハッキリ言って改悪です。 1mmでも短くしたいケミコンのリード線が元の何倍にも延ばされています。 あれをやると何が起こるかというと、あの倒されたケミコンは仕事をサボりがちになるのです。
何故なら、電気は水と同じで流れ易い方に流れが偏るからです。 倒されたことでサボられた平滑の仕事は他のケミコンが肩代わりさせられる事になりますので、ベンチマークの時だけ電源を入れるPCならともかく、常用するPCですと恐らく2〜3ヶ月で、倒さなかったケミコンのほうが液漏れ/破裂という結果に繋がる可能性が何十倍も高くなるのです。 常用PCであんな事をしてはいけません。

ちなみに積セラ追加によってCPUコア電圧はTyanモニター上で平均0.04Vほど下がりました。
 (1.63V〜1.7V出ていたのが1.58V〜1.66Vへと下がった)
恐らく、、1.58V〜1.66Vの電圧でCPUが必要とする電流を充分供給できるようになったためだと思われます。

もっとも、更に高クロックなAthlonの使用を念頭に置くと、この積セラ追加で100%安心とは言えないのですが、積セラ追加をしておけば、たとえBartonMPを実動作周波数2.13GHzで駆動しても四六時中リップル電流過多な状態になってしまう事は避けられると思われます。 ほぼOK状態という事です。 万全を考えれば入力側ケミコンは三洋OS-CON(周囲温度65℃でもリップル許容値がRubycon ZLの2倍以上)に換えてしまうのが良いと思います。
三洋以外ですと、入手困難でしょうが富士通の機能性高分子個体電解コンデンサFPCAP REシリーズ、日本ケミコン(マルコン)のOS-CONやNP CAP PSシリーズなども極めて効果的です。 そういえば富士通のは高級マザーボードで、日ケミのはビデオカードで最近採用例を結構見るようになってきましたね。

既に動作不安定もしくは起動不能となってしまったTigerMPに積セラ追加を実施して使用継続するのは極めて危険です。 そういったTigerMPの動作不安定原因が、静電容量低下(特性劣化)の進んだVRM入力側ケミコンに起因するものだった場合は、積セラ追加ではなくケミコン交換にしないと、幸いにも燃え出す前に動かなくなってくれたTigerMPを燃やしてしまう事になりかねないからです。

・VRMの強化(徹底編) 2003/12/27 追記

倍率強制変更回路の付加などをして、とにかくCPUの耐性限界までブン回したい・・・
しかし実際にはBartonXPを2GHz超で動かそうとしても動かないらしい・・・
ならば各CPUに50Aくらい喰わせられる強靭なVRMに強化したい・・・
いつの間にやらBulkのBartonXP2500+が1万円を割るようになっているのを見て、このような改造意欲が
湧いてきました。 徹底編では本当の意味での強化改造についてを書いてみます。

 

・2.5V系生成もプアなTigerMP

TigerMPにThoroughbredXP2200+をDual載せすると、DIMM(Micron製RegDIMM)はECCをBIOSで無効にしなければ認識できず、しかも1〜2枚しか使えなくなるという現象を確認しています。 この現象にはマザーの個体差がある事(DIMM1枚しか認識しないor2枚までなら認識する)も確認しました。 この不具合は、DIMM2枚認識できるTigerMPでも、搭載するビデオカードが電気大喰らいなものだと1枚しか認識できなくなる事から、やはり電源系統に原因がありそうです。

DDR DIMMの電源電圧は2.5〜2.6Vで、AMD762のコア電源電圧も2.5Vです。 TigerMPの回路を調べると、これらの2.5VはATX電源の12V系から生成されています。 回路構成は単相同期整流バックコンバータで、コンバータコントローラにはHIP6004、FETはFairchild製でupperにFDD6690A、lowerにFDD6670Aが使われており、約194KHz(実測値)でスイッチされています。
入力側ケミコンはRubyconYXG 25V470μFx2、出力側ケミコンは三洋CA 6.3V1000μFx3となっています。 変換効率は、負荷が動的にかなり変動しますので80%〜87%を行ったり来たり、程度と考えておきましょう。

さて、この2.5V系ですが、CPUほどではないにしてもかなりの負荷を見込んでおかなくてはなりません。 なにしろAMD762が最大2.25A、DDR DIMMは128Mbit品18チップ搭載の256Mbytes Registered ECC型でアクティブ動作時に1枚で最大3.8A(Micron MT18VDDT3272G-265の場合のデータシート記載値より)は見ておかなければならないからです。 
(DIMMをn本搭載時に3.8A x nとはならない事に注意!)
 
OS上で扱うデータのサイズと、メモリにロードされたデータの位置によって各DIMMの動作状態は変わってきますが、典型的な電力消費状態を想定してみましょう。
 1.DIMMを4枚挿してある
 2.物理アドレス上でたまたま2枚のDIMMにデータがまたがってロードされている、
   もしくは4枚全てのDIMMにデータがまたがるような巨大データを扱っている
という状態です。
この場合は2枚が同時にアクティブ動作状態になって、残り2枚はスタンバイ状態になっているはずなので、下記の合計値が想定すべき典型的な電力消費値と考えればOKだと思います。
 ・4枚中の1枚はBurst Read Current 2250mA
 ・残り3枚中の1枚はAuto Refresh Current 3780mA
 ・残り2枚はActive Standby Current 810mA X 2 = 1620mA
    計 7650mA

私はMT18VDDT3272G-265を4本搭載している環境で、最も電力消費の激しい状態の時は概算で9810mAと見積もっています。 誤解しないで戴きたいのは、これらの大電流が常に消費されている訳ではない、という点です。
DIMM4枚挿していても、マウスに触れずアプリを何も起動させていない状態でWindowsデスクトップが表示されているだけの時は1000mA以下の電力消費状態になっている瞬間もあるのです。 
メモリは、チップセットのメモリコントローラによって、Active←→Idleという状態変更が繰り返されているのです。

  ※ここで話しているのはAMD760MP/MPXの話で、nForce/nForce2の場合はDIMM0/1とDIMM2が
  ※常に同時アクティブになっていると思います。

三洋のサイトに「設計支援ツール」というページがありますので、そこでバックコンバータに使うコンデンサの簡易選定ができます。 このページで2.5V12.5Aという負荷条件(インダクタは1μHとした)にて選定させると、入力側ケミコンにはトータル5076mArmsのリップル電流が流れる という計算結果が出てきます。
(12.5Aとは「前出MicronDIMMを4枚フル搭載」を想定して厳しく見た数値です)
この計算結果には愕然としてもらわねばなりません。 入力側ケミコンYXGは2個ですのでリップル許容値は計2420mArms。
搭載するDIMMはせいぜい2枚にしておいたほうが安定しそうだという事です。
出力側ケミコンにも問題があります。ここは三洋のCAが3個並列になっていますから合成ESRは50mΩです。 遙か彼方に三洋のAX 6.3V 1500μFが1個だけ居ますのでこれも含めて考えても合成ESRは23.4mΩ。 12V入力を200KHzスイッチングで2.5Vに降圧する設計ならば、23.4mΩのESRから期待できる出力リップル電圧は110mV。つまり0.11Vの出力電圧変動が残る設計で、レギュレーションの良い設計とは言えません。 どう考えてもこの2.5V系生成部はVRM部よりもお粗末といえます。

2.5V系 ケミコン個数 搭載ケミコンの諸元(1個の値)
リップル許容値 ESR
入力側
Rubycon YXG
2個 25V470μF
1210mA rms.
(105℃, 100kHz)
60mΩ
出力側
三洋 CA
3個 6.3V1000μF
560mA rms.
(105℃, 100kHz)
150mΩ

VRMはCPUメーカから回路構成と部品選定にまで言及したデザインガイドが出されていますので、その通りに作ればあまり大きな失敗(=実情に合わない部品選定)はせずに済むでしょう。
しかしこの2.5V系のような「その他周辺回路」はVRMのように詳細なデザインガイドが出されていませんので、各マザーベンダーの電源設計スキル(アナログ回路設計のスキル)が物を言う事になると思います。 私は回路設計は勿論アマチュアの素人なのですが、それでも回路シミュレータや前出設計支援ツールなどを利用すれば、このTigerMPの各電源部の弱さが暴けます。
価格を抑えるために妥協したのか、電源回路(アナログ回路)を軽んじているのか、未熟なエンジニアが設計したからなのか判りませんが、あぁTyanよ、双璧だと思っていたSuperMicrとは実は随分と差をつけられてしまったのだね、と思わずにはいられません。 Thunder2500には泣かされたし・・・
200$超の製品価格帯でSuperMicrにこんな安普請な設計の製品はまず見られないので、この二社を比較すれば私はSuperMicr●に軍配を上げます。(P3DMEはIntelの責任ですので)

・2.5V系の強化

DIMM4枚搭載で延々とAVIエンコ/RC5-72という用途を想定すると、VRM強化のところで書いた「積セラ追加」程度では厳しそうです。また、TigerMPの12VラインはATX電源コネクタからマザー外周を延々と引き延ばされた(しかもあまり太いとは言えない)パターンが2.5V系生成部まで引かれており、いくら12VだとはいえAMD762とDIMMフル搭載時の合わせて40W近く(コンバータ変換効率80%で換算)を賄うには心許ない気もします。  そこでまずは、

1.入力側ケミコンは三洋OS-CONのSAシリーズ20V100μFx2に換装
   
2.出力側ケミコンも三洋OS-CONのSPシリーズ4V560μFx3に換装

という対策を考えました。
※本当はFETも最新型(RDSオンが低く、ゲート入力容量が小さく、on-offが共に速い)に張り替えたいところです。  また、12Vラインの引き回しについては検討中です。

対策1、2によってリップル耐量の確保と平滑力の向上ができますので、FETの自己損失を減らすこととなり、変換効率改善が期待できます。 更にレギュレーションの改善と高速バックアップ能力の強化も実現できます。

VRM強化は後回しにしてとりあえず2.5V系強化だけを試したところ、XP2200+Dual搭載時で安定動作できるDIMM搭載可能枚数が2枚→3枚へと1枚増えました。
とはいえDIMMフル搭載では、やはり高負荷時に安定せず、OSごと落ちることしばしばです。 そこでVRM強化も実施したところ、今度は4枚1Gbytes搭載でも安定するようになりました。
構成
CPU:偽皿XP2200+ Dual
Mem:Crucial 256MB PC2100 Registered ECC *4本
HDD:Seagate ST318452LC *3台
AGP:Xabre600
PCI2:Elite1600(64MB Cache)
PCI5:NIC(i82558)
PCI6:Sound(AudioPCI)
電源:EZI-Systems Premium 450

換装現状

※注 YXG取り外しのときに誤って側のチップセラコンを砕いてしまったため、代替の積セラ(小さな青い部品)を付けてあります。

 

・その他電源部

2.5V系生成部のすぐ隣にはDDR BUSのターミネート電源供給用のコンバータがあります。
コンバータコントローラ にはIntersil製ISL6520、FETはすぐ隣にFairchild製FDS6912A(SO-8のDualFET)が使われています。  ここはさほど大きな電力供給力が必要ありませんので搭載されている回路でも充分だと思われます。 ここのソースは5V系です。

AGPスロット右横(AMD762の下)にポツンと居るFET(IRL3103S)はAGP4Xで使われる1.5Vシグナリング用の1.5V生成に使われています。これをスイッチしているのはUnisemのUS3033で、3.3V系がソースとなっています。

TigerMPボードレイアウト上に各電源部のグループを示した図を用意しましたのでご参照ください。