Эти кристаллы доживают последние деньки — почему мощные процессоры и видеокарты середины нулевых умирают?

2023-10-24 в 8:01, admin, рубрики: timeweb_статьи

Думаю, многие мои читатели встречались с таким неприятным явлением, как отвал чипа. Эта поломка свойственна многим топовым и околотоповым гаджетам из нулевых: ноутбуки с «отваливающимися» видеочипами и мостами, первые ревизии Xbox 360 (три красных огня) и PlayStation 3 (жёлтый огонёк и моментальное выключение), телефоны-«ударники» и другие девайсы с достаточно горячими чипами. Недавно я листал барахолки на предмет интересных девайсов «за копейки» и наткнулся на топовый игровой ноутбук 2007 года выпуска всего за 1.000 рублей (~10$) — Toshiba <модель>, с просто дичайшими характеристиками для тех лет: GeForce GTS 7900 Go, Core Duo Txxx, 1гб DDR2 ОЗУ и аудиоподготовкой от Harman-Kardon.

Сегодня мы с вами узнаем: почему отваливаются чипы и как продлить жизнь старому топовому железу, «дунем» на видеочип, «воскресим» его на некоторое время и посмотрим, что же крутого было в топовых ноутбуках тех лет. Интересно? Тогда добро пожаловать под кат!

❯ Почему чипы «отваливаются»?

В мире производства электроники и плат есть несколько различных видов монтажа чипов на платы. Все они зависят от корпусировки того или иного элемента. Обычно, сложные микросхемы выпускаются в нескольких различных корпусах, которые отличаются маркировкой и иногда функциональностью. В современном мире принято использовать несколько самых распространенных типов корпусов:

DIP — один из самых старых и тем не менее, до сих пор распространенных видов корпусов для чипов. Для таких микросхем сверлятся отверстия в плате, а затем чипы вставляются в отверстия и припаиваются, благодаря чему чип надежно держится на плате. Плюсов у такого способа довольно много: удобство пайки, возможность лёгкой установки чипа в сокет и быстрой его замены (привет Arduino и чипы памяти с BIOS на старых материнских платах), большая надежность соединения, и вероятно, простота производства. Минусов у такого способа тоже хватает: невозможность сделать микросхему с очень большим количеством пинов, громоздкость чипа, без фена чипы с большим количеством ножек выпаять проблематично. Известные примеры: сдвиговые регистры, МК AVR, Z80, MOS6502.

QFP/QFN/SOIC — современный способ монтажа чипов с большим количество пинов на плату. По принципу все они похожи: по разным сторонам микросхемы есть выводы, которыми можно припаять чип к плате. Однако у QFP ножки «торчат» наружу, что даёт возможность легко припаять их к плате, а у QFN контакты спрятаны под пузом самого чипа, из-за чего их можно припаять только феном (если чип достаточно мал — можно попробовать паяльником). Плюсы: надежность пайки, относительная простота монтажа и демонтажа (дунул и чип слетел). Минусы: для таких чипов практически нет сокетов (на самом деле есть, но особо никакой унификации нет — чаще всего сокеты можно встретить в материнских платах и программаторах у ремонтников).
SOIC немного другой тип монтажа, поскольку там ножки выводятся только по бокам чипа (как у DIP), но я не стал выносить его в отдельный типаж.

LGA/PGA/SMT — кристалл или кристаллы (пример — процессорное ядро и отдельно кэш-память на старых процессорах) распаяны на специальной небольшой плате, которая называются подложкой. Такие микросхемы обычно предназначаются для установки в сокет (процессоры), либо для пайки платы на плату (SIM800L). Даташит на SIM800C называет свою корпусировку как SMT, поэтому я отнесу его и различные системы на модуле («процессорные» платы с ОЗУ и ПЗУ) к LGA. Один раз я видел PGA-процессор AMD Geode, который запаивали напрямую штырями в плату — но может, меня обманывает память.

BGA — основной тип корпуса для сложных и компактных микросхем таких как SoC или видеочипы. Его суть проста: на плате и на нижней стороны чипа есть маленькие пятачки круглой формы (их размер отличается в зависимости от числа пинов, но стандартизирован), благодаря которым микросхема припаивается к плате. Такой корпус позволяет компактно вывести довольно большое количество пинов — например, SoC MediaTek MT6572 поставляется в корпусе аж с 428-шариками! С завода чипы приходят с уже накатанными шарами, в то время как работнику или машине остаётся их только припаять на плату. Несмотря на большое количество крошечных пинов, при наличии сноровки и должном оборудовании, пайка микросхем очень простая: физика всё сделает за вас и сама «притянет» чип к нужным пятачкам на плате. Это один из самых распространенных корпусов для микросхем и один из самых проблемных. Но почему? Давайте разбираться!

Отвал BGA-чипов далеко не всегда связан с термическим воздействием, как принято считать в широких кругах (от чего и идут советы по типу «погрей видяху в духовке»). Шарики достаточно сильно подвержены влиянию множества внешних факторов: попадание воды — в таком случае, шарики окисляются и со временем могут отгнить вместе с пятачками, падениям — такие устройства называются «ударниками» и шары могут дать микротрещину, что уже может сказаться на нестабильной работе устройства, и в немалой степени — термическому воздействию. Причём здесь мнение делится на два лагеря и сильно зависит от самого устройства.

Отвалы на смартфонах/планшетах в основном являются следствием неудачного падения и лечатся перекаткой уже установленного процессора, иногда — заменой на точно такой же «донорский» и с идентичной маркировкой (да, среди SoC бывают свои «подверсии»). Реже бывает срывает пятачки — тогда опытные мастера ковыряют плату и ставят перемычки вместо отвалившихся шаров (моё почтение вам!). В последнее время замена отдельных чипов на мобильных устройствах сильно затруднена: у девайсов есть жёсткая привязка между ID-процессора (прожжен на заводе в SoC), ID-процессора, записанного в флэш-памяти устройства (в специальном RPMB-разделе, доступный только для чтения, используется для Secure Boot, просчета ключей, шифрования и т. п.) и привязки к модему (насчет Android-устройств точно не могу сказать, но у iPhone такая привязка есть ещё с начала 10х годов: в один момент, после очередного апдейта iOS, многие девайсы с замененной NAND или процессором без замены всех трех чипов, висели на «сбое активации» — и в официальном сервисе такой аппарат не принимали), из-за чего при замене процессора или флэш памяти, придётся менять вообще всю пару на оный с донорского аппарата (а в случае iPhone — еще и не привязанный к iCloud).

Нормальные мастера обычно именно перекатывают чипы, т. е. снимают старые шары и накатывают с помощью трафарета новые, поскольку прогрев может поднять устройство, но это не ремонт, а лишь диагностика — такое устройство может в любой момент «отвалиться». Правда, есть и исключения.

Другой вопрос — отвалы чипов на ноутбуках и десктопах. На десктопных материнских платах отвал — не очень частое явление, поскольку отваливались обычно «горячие» северные мосты по типу nForce (которые славились довольно неплохими интегрированными GPU — тут уж попробуй не нагрейся при очень слабеньком пассивном охлаждении). Сейчас «северник» переместился в процессор, поэтому свежим десктопным материнкам это почти не грозит, однако другое дело — ноутбуки.

Система охлаждения на ноутбуках частенько подразумевает расположение ЦПУ и чипсета (а иногда и GPU) на одной теплотрубке, из-за чего тепло отводится заметно менее эффективно. А особенно ситуация плохая на тех девайсах, которые никто не чистит. И если процессор ещё может начать троттлить (занижать частоты) для того, чтобы понизить температуру ниже определенного порога — то что делать чипсету? После пары лет работы в таком режиме, девайсы внезапно начинают виснуть посередине работы, перезагружаться, выключаться или выдавать непонятные артефакты. Тем же самым когда-то страдала печально известная первая ревизия Xbox 360 — Xenon, которая выдавала три красных огня. Не обошла проблема и PS3 — вспоминаем желтые глазки и выключение устройства.

Даже если взять пример с Xbox 360, когда игрок нёс устройство в неофициальный СЦ, ему перекатывали горячий GPU от ATI (отваливался именно он) и снова припаивали к плате, включили — устройство работает и выдали обратно игроку. Игрок приходит довольный домой, играет день, месяц или даже год и… сталкивается с той же самой проблемой! Снова три красных огня, хотя девайс вроде бы чистый, шуба пыли из него не торчит, а при разборке оказывается, что система охлаждения визуально в норме и кулер работает… в чём же тогда дело?

Всё дело в том, как припаивается кристалл процессора или GPU к плате-подложке. По сути, подложка может быть любой, хоть LGA, хоть BGA: китайские умельцы как-то приноровились делать десктопные подложки для мобильных процессоров в BGA-корпусах. Но сам кристалл припаивается к подложке с помощью точно таких же BGA-шариков, как и подложка к плате, только гораздо меньших размеров. Перекатать такие шары дома невозможно, это можно сделать только в заводских условиях. Но поскольку сами кристаллы залиты компаундом (как раз таки с целью предотвратить внешнее влияние, в том числе и термическое — иначе кристаллы сдувались бы только так), а шарики достаточно маленькие — при прогреве устройства феном, в духовке (популярный когда-то метод), или даже перекатке шаров на подложке, из-за термического воздействия контакт между кристаллом и подложкой на время восстанавливался. Однако поскольку GPU Xbox 360, который я привожу в пример, очень и очень горячий сам по себе, вне зависимости от того, как хорошо от него отводится тепло, со временем контакт кристалла с подложкой снова нарушался и устройство переставало работать…

Происходило это по причине выбора неправильного типа припоя: в целях сохранения природы, использовался не совсем верный состав. Однако зная о проблеме, производители продолжали использовать его примерно до середины 2010-х годов: насколько мне известно, GeForce 1xxx серии и выше не страдают отвалами GPU вообще (но там своих болячек хватает — как минимум, те же банки памяти). Почему так происходило? Вероятнее всего, это изначально закладывание ресурса в технику. И если бюджетные ноутбуки со встроенной графикой и Celeron'ами от этого особо не страдали (их до сих пор очень много на юлито, живеньких и вполне рабочих), то топовые и дорогие устройства с горячими видеочипами отваливались только так…

Прогрев — это исключительно диагностический способ, им можно пользоваться либо в домашних условиях «для себя», либо для того, чтобы выявить неисправность одного из элементов устройства. Брать деньги за прогрев — прямой обман, но если делать просто «для себя», ради того, чтобы немного продлить жизнь крутому девайсу из прошлого — почему бы и нет? Предлагаю в практической части нашей статьи глянуть на топовый ноутбук 2007 года от Toshiba, который я купил всего за 1.000 рублей (~10$). Девайс сам по себе очень крут, однако страдал отвалом GPU, который мы на время «вылечим»!

❯ Практическая часть статьи

Сегодняшнего подопытного продавала женщина на запчасти. Состояние было неизвестным: я не спрашивал её ни о симптомах поломки, ни о том, включается ли ноутбук вообще. Я списался с продавцом, договорился об условиях доставке и зарезервировал девайс себе. Через несколько дней ноутбук наконец-то приехал ко мне и я решив не медлить, сразу полез его диагностировать:

Внешне девайс очень симпатичный и сейчас — самое время его включить! Единственный нюанс: проприетарный трапецевидный разъем зарядки. Не беда: до этого я брал другой тошибовский ноутбук за… 300 рублей, который тоже оказался вполне живым, но у него были сломаны петли ( к буку за 3 доллара шёл и родной БП, который уже кто-то ремонтировал на скрутках, но он всё ещё оставался рабочим).

Включаем девайс, прощелкиваем нумпадом и видим, что реакция на него есть, однако изображения нет! Это значит, что ноутбук нормально проходит POST и висит на «CMOS Error, F1 to Continue», однако отсутствие картинки было для меня первым звоночком винить видеочип. Поскольку POST ноутбук проходил, то и реагировал на хоткей смены матрица/VGA: подключаем внешний монитор и видим…

Да, это самый классический отвал GPU. Ну а что вы хотели, GeForce 7900 это вам не шутки! Поскольку это ноутбук с дискреткой 7 серии, ни о каком UMA и речи не идет: отключить GPU и направить вывод на встроенный адаптер не получится. Вернее теоретическая возможность то есть, но линии LVDS/VGA идут с GPU, а не с хаба, как это происходит в современных ноутбуках. Девайс то может и включится, но никакой картинки вообще не будет — если устройство вообще пройдет POST.

Самое время разобрать красавца. Делается это не особо сложно: классическая разборка «с клавиатуры». Для обслуживания системы охлаждения придётся разбирать ноутбук полностью (в том числе снимать матрицу), но никаких особых проблем с этим не возникает: девайс хорошо продуман. При разборке выяснялась причина отсутствия изо на LVDS — матрицу банально отключили. Девайс явно обслуживали до меня и чистили, видимо в надежде что всё «оживет». А может и грели уже, кто его знает? :)

Да, «охлад» здесь и правда довольно серьезный: круче я видел только в ноутбуке с дискреткой ATI и… десктопным Pentium 4!

На ноутбуках тех лет частенько практиковались по настоящему съемные видеокарты. Помимо стандарта MXM (его сейчас вроде только Clevo как-то поддерживает), который предусматривает замену видеокарты в ноутбуке, некоторые вендоры придумывали свои коннекторы а-ля PCI-E. Наш девайс как раз из таких: видеокарту, при желании, можно было заменить на идентичную (возможно и какие-то другие от младших «тошиб» подходили, но мне это неизвестно).

Снимаем массивную систему охлаждения, которая отводит тепло и от GPU, и от чипов памяти и приступаем к прогреву. Для прогрева подойдет фен от паяльной станции, или даже регулируемый строительный фен (с ним осторожнее, есть шанс угреть чип). Для наглядности «дриставрации», я буду пользоваться именно строительным «интерсколом». Ставим температуру ~250 градусов (в случае строительных фенов — это погода на луне или попугаи, ну или средний режим) и осторожно греем кристалл по периметру. Для временного оживления чипа хватит дунуть секунд 15-30. Дольше не стоит — могут повылазить шары. Никаких утюгов и духовок — это кощунство!

Подсобираем ноутбук и включаем его. Ура, в биосе изображение есть и на первый взгляд всё нормально. Однако, после такой «дриставрации», проблемы могут вылезти где угодно: ошибка 43, артефакты в 3D-режиме, самопроизвольные ребуты и зависания системы. Самое время накатить систему и проверить это.

И таки да, они вылезли практически сразу, причём совершенно с неожиданной стороны. Девайс начал самопроизвольно отключаться в определенные моменты времени (обычно при старте Windows и игр), причём вне зависимости от подключения БП (отметаем версию, что АКБ не держит нагрузку) и заряда аккумулятора (отметаем, что не хватает мощности БП), а температуры судя по датчикам — в норме. Вероятнее всего, проблема в питальниках на GPU/CPU.

К сожалению, нормальные тесты при таких условиях сделать не получится — девайс нужно диагностировать дальше, но делать это с отвальным видеочипом такое себе. Но Proof of Concept есть: многие чипы вполне реагируют на прогрев и могут даже поработать какое-то время. Надолго ли?

❯ Заключение

Данный материал писался в эдаком «научпоп» стиле. Для опытных ремонтников, написанный текст отнюдь не станет каким-то откровением, но полагаю, было всё же интересно почитать о том, почему их любимые девайсы из нулевых «помирают».