Друзья, привет!
Мои успешные эксперименты по созданию в домашних условиях NVME-райзера для подключения внешней видеокарты привели меня к естественному желанию создать райзер и для полноценной шины PCI-express. Любители задавать странные вопросы наверняка спросят — зачем! Ведь так просто купить готовый!
Это действительно просто! Но, жутко скучно и ни разу не познавательно! А еще это страсть как увлекательно! Поэтому я с чистой совестью продолжаю исследовать, творить и даже немного колхозить!
Итак, изготавливаем райзер интерфейса PCI-express в домашних условиях, тестируем и изучаем технологии. Поехали!..
Из чего будем делать
Самый обычный райзер шины PCI-express – это обычный удлинитель-шлейф, который позволяет размещать видеокарту внутри корпуса наиболее удобным способом.
Райзер состоит из трех основных частей. Прежде всего это штекерная часть, подключающаяся к разъему на материнской плате. Выполнена на печатной плате с позолоченными контактами для защиты от окисления.
С противоположной стороны на райзере расположен разъем PCI-EXPRESS, в который будет устанавливаться видеокарта. Разъем фабричный, также установленный на печатную плату.
И, наконец, шлейф, осуществляющий электрическое соединение линий интерфейса.
С промышленной точки зрения — ничего сложного. Но, можно ли что-то подобное сделать в домашних условиях? Попробуем.
Начнем со штекерной части. Ее я решил сделать из одностороннего стеклотекстолита толщиной 0,8 миллиметра. Чтобы сделать разъем двухсторонним было решено изготовить две части отдельно и сложив их вместе получить требуемую толщину.
Делать сразу из двухстороннего материала я не стал, опасаясь за точность совмещения слоев. Кроме того, при таком способе изготовления появляется возможность создания межслойного экрана для защиты от перекрестных наводок.
Платы были спроектированы самостоятельно и изготовлены на моем домашнем фрезерном станочке, который существенно облегчает задачу получения точных печатных плат.
Предварительно я провел расчет дифференциального импеданса при помощи онлайн-калькулятора. К сожалению, при выбранной толщине стеклотекстолита мы оказываемся на верхней границе допустимого диапазона. Тем не менее, этого должно быть достаточно.
По здравому размышлению я решил не делать полноценный райзер, а ограничиться лишь 8-ю шинами PCI. Во первых, чтобы в случае фиаско не сожалеть о зря проделанной работе, а во-вторых, этого вполне достаточно для подключения моей любимой RTX4060, которая довольствуется именно 8-ю линиями, показывая отличные результаы.
Ответная часть, на которую будет установлен разъем, изготовлена таким же способом. Здесь я решил использовать всю длину интерфейса, чтобы контакты разъема не болтались в воздухе.
Платы покрыты сплавом Розе, за неимением возможности их позолотить!
Разъемы я заказал, как обычно на Али. Обошлись, примерно по 170 рублей за штуку. Обратите внимание, что выводы уже сформованы для установки на печатную плату райзера.
Для передачи сигналов PCI в прошлый раз я использовал вот такие дифференциальные пары, которые извлек из кабеля USB 3-й версии.
В комментариях читатели справедливо заметили, что можно взять пары из кабеля HDMI. Ведь их там больше, а значит расход кабеля будет меньше.
Здесь есть небольшая проблема. Дифференциальный импеданс витой пары HDMI составляет 100 Ом. Тогда как для интерфейса PCI-EXPRESS рекомендованый диапазон составляет от 70 до 100 Ом. То есть работать придется близко к верхней границе импеданса. Но, попробовать можно! Для того он и эксперимент! Тем более, что кабель HDMI 2-й версии можно купить почти даром, рублей за 150.
На всякий случай я заказал по случаю скидки на Али 3-метровый USB-переходник. Дифференциальный импеданс витых пар USB 3.0 составляет 85 Ом, что вообще идеально с точки зрения спецификаций протокола PCI-EXPRESS.
Кстати, при сравнении кабелей USB и купленного HDMI бросается в глаза их отличие в толщине. Хотя витых пар в HDMI больше, он, тем не менее, тоньше по диаметру, что не может не вызвать подозрений.
Изучаем кабели
Начнем анализ подопытных кабелей с HDMI-переходника. Может быть USB и препарировать не придется!
Небольшое предупреждение. Далее в статье присутствуют сцены насилия над электронной техникой, поэтому слабонервным и детям лучше просмотр прекратить!
Отрезаем разъем от кабеля. Я всегда оставляю кусочек провода. Вдруг еще буду что-то подключать.
Отмеряем кусок кабеля длиной около 25 сантиметров. Именно такой длины райзер мы будем делать. Как показывает практика ее вполне хватает для подключения видеокарты внутри корпуса малого форм-фактора.
Внутри разместились провода, но пока ничего не понятно!
Снимаем внешнюю оболочку при помощи острого скальпеля делая продольный разрез. По ощущениям этот кабель гораздо мягче, чем кабель USB.
Извлекаем содержимое.
Первый сюрприз, который нас ждет — отсутствие армирования экрана. Экран представляет собой полимерную металлизированную пленку, обернутую вокруг проводов. Вот и причина мягкости кабеля.
Снимаем внешний экран. Внутри расположился пучок проводов и целых пять экранированных витых пар! Это действительно позволит сократить общую длину использованного кабеля, а значит и себестоимость конечного изделия.
Теперь взглянем на внутренности витой пары. Для этого аккуратно отрезаем кусочек экрана. А вот здесь меня ждал настоящий сюрприз! Внутри проложены только два провода — это собственно витая пара. А вот дренажного провода земли нет. Это очень усложняет подключение экрана к разъемам.
Стоп, а как это делают на производстве? Я решил препарировать и отрезанный ранее разъем HDMI. И тут меня ждал второй сюрприз! Дело в том, что производитель и не думал заморачиваться с подключением экрана! Контакты, предназначенные для этой цели оказались свободными! Производитель попросту сэкономил на экранировании дифференциальных пар.
Для сравнения — вот как должна выглядеть полноценная дифференциальная пара. Она слева.
Ничего не остается как вернуться к уже проверенному кабелю USB. Нарезаем его кусками, длиной в 27 сантиметров. Все же решил немного перестраховаться и сделать пару сантиметров запаса. Всего нам понадобится 9 отрезков из которых нам нужно извлечь 17 витых пар. Две пары на каждую из 8 линий PCI (одна на прием, вторая на передачу). И еще одна пара для передачи синхросигнала 100 МГц.
Приступаем к потрошению кабеля USB.
Видно, что экран кабеля армирован дополнительной оплеткой сквозь которую проходит дренажный провод облегчающий ее подключение к земле.
Снимаем экран. Внутри обнаруживаются красный и черный провода питания, неэкранированная витая пара для передачи сигналов по интерфейсу 2.0 и две экранированные витые пары сигнальных линий USB 3-й версии.
После зачистки всех отрезков кабеля получается вот такой пучок косичек. Всего 18 штук, 17 из которых мы используем.
А вот внутри каждой косички нас тоже поджидал сюрприз. Помимо витой пары провод земли был также помещен в изоляционную оболочку и не контактировал с оболочкой экрана.
Для подключения экрана к земле я решил оставить земляную шину вдоль всего края печатной платы так, чтобы при подпайке проводников экран естественным образом соприкасался с землей.
Изготовление райзера
Паять линии с шагом 1 миллиметр после полумиллиметрового шага NVME-райзера одно наслаждение. Микроскоп не понадобился. Достаточно монтажной лупы с 2-кратным увеличением. Вот так выглядят первые шаги пайки.
А вот так выглядит конструкция после 2-х часов пайки.
Выравниваю провода в ряд и предохраняю от спутывания специально изготовленным зажимом.
С противоположной стороны выполняю ту же операцию.
Укладки витых пар их можно подравнять до одинаковой длины.
Разъем устанавливается на предварительно соединенные между собой винтами верхнюю и нижнюю части печатной платы. Почти все ножки оказались ровными. Однк-две слегка пришлось подправить пинцетом.
Пайку я делал тоже под увеличительным стеклом. Вот так выглядит результат.
Никаких сложностей не было, за исключением большого количества контактов. С двух сторон их 164. Все запаяны вручную.
При пайке витых пар со стороны разъема я использовал тот-же подход для обеспечения контакта экрана с земляной шиной. После еще 2-х часов пайки конструкция приобрела следующий вид.
По окончании пайки все соседние контакты прозваниваниваются между собой и землей на отсутствие короткого замыкания.
В свою очередь все сигнальные линии контролируются на сопротивление. Здесь значительные отклонения нежелательны. Максимум — сотые доли Ома.
Прозвонка успешно пройдена. Теперь можно придать изделию окончательный облик. Для этого монтажные планки убираются в полиэтиленовые корпуса, напечатанные на 3D-принтере. Они имеют двойное предназначение. Во-первых, защищают контакты от случайных замыканий, а, во-вторых, плотно прижимают оболочку витых пар к земляной шине.
Корпуса фиксируются двумя винтами с каждой стороны. Для эстетики головки винтов и гайки заглублены в пластмассу. Теперь разъмам точно ничего не грозит!
Вот так выглядит законченная конструкция. Надо сказать, что сплав розе с ножевых контактов впоследствии пришлось аккуратно удалить скальпелем, поскольку из-за неравномерности покрытия контактные свойства поверхности значительно ухудшились.
Изделие получилось надежным и немного жестким. Тем не менее, придать ему требуемую форму даже с малым радиусом изгиба вполне возможно.
Тестирование райзера
Испытательный стенд я, как обычно собрал на основе китайской JGINYUE на 610-м чипсете и процессоре Intel Core i3 12100F. В качестве подопытной видеокарты была выбрана компактная версия RTX4060 от компании Palit на которой я недавно собирал мини-ПК в корпусе Braveman.
Сборка, по-умолчанию, была настроена на работу с 3-й версией протокола PCI. Плата запустилась сразу, при загрузке не тормозила, а артефактов на экране не наблюдалось. По косвенным признакам — полет нормальный.
Запускаем диспетчер устройств. Карта определилась правильно. Драйвера подцепились. Ошибок нет.
Запускаем утилиту GPU-Z для проверки фактической скорости работы интерфейса.
Видно, что все 8 линий на местен и работают со скоростью 3-й версии, как и ожидалось. Иногда происходит переключение на 1-ю, но это потому, что компьютер оптимизирует энергопотребление. Запуск встроенного теста возвращает интерфейс к 3-й версии.
Теперь Фурмарк как средство загрузки процессора. ФПС в районе 140 при разрешении FullHD как и в случае прямого подключения видеокарты.
Пока райзер показывает себя неплохо. Можно переходить к игровым тестам. Посмотрим, как райзер поведет себя под высокой нагрузкой в Cyberpunk-2077. Устанавливаем самые высокие настройки с трассировкой лучей в полноэкранном режиме FullHD и запускаем встроенный тест.
Картинка плавная и артефакты отсутствуют напрочь. А счетчик ФПС выдает многообещающие значения.
Результат — более 60-ти кадров в среднем и 30 на минимуме! Точно такие значения мы получали и при прямом подключении видеокарты к разъему PCI. Вдохновляющий результат!
На волне позитива пробуем установить 4-ю версию PCI.
К сожалению, чуда не произошло! GPU-Z показывает, что интерфейс запускается в этом случае, лишь в режиме 1-й версии.
Все-же райзер для 4-й версии требует более тщательного изготовления и более качественных кабелей. Собственно, об этом и говорят и источники, которые мы изучили перед изготовлением нашего райзера.
На всякий случай попробуем еще один эксперимент. О его возможности мы говорили в начале материала. Попробуем добавить слой дополнительной земли между монтажными платами.
С этой целью используем медную фольгу толщиной 50 микрон. Добавление такого слоя должно во-первых, снизить дифференциальный импеданс участка монтажной платы, а во-вторых, уменьшить перекрестные наводки между передающими и приемными парами.
Прокладываем фольгу между слоями.
Контакт с землей будет обеспечен естественным образом, поскольку выступающая со стороны кожуха часть фольги непосредственно соприкасается с экраном витой пары. После обрезки излишков обязательно убедимся, что фольга надежно подключена к земле.
Такую же операцию выполним и с другой стороной разъема.
Устанавливаем 4-ю версию протокола PCI и запускаем систему.
Windows запустилась, собственно, как и прежде. А вот GPU-Z, к сожалению, по прежнему показывает лишь 1-ю версию PCI. Запускаем Furmark – 66 кадров. Что ж, пока удовольствуемся 3-й версией протокола!
Заключение
Ну что ж, будем считать эксперимент удачным в том смысле, что даже в домашних условиях можно сделать стабильный и достаточно производительный райзер-шлейф интерфейса PCI-express.
Да, мне не удалось запустить изделие на 4-й версии протокола, но тут не все так просто, поскольку многие отмечают, что даже фабричные райзеры подчас отказываются работать, например с различными материнскими платами и видеокартами.
Вероятно я еще продолжу эксперименты в этом направлении, а значит нас с вами, друзья, ждет впереди еще много интересного!
Спасибо, что читаете-смотрите Terrabyte! Подписывайтесь, если вам интересна тематика мини-ПК, необычных компьютерных решений и инновационных разработок! Спасибо всем, кто нас смотрит и поддерживает своими комментариями и лайками!
Наша группа ВК: https://vk.com/terrabyte
Наш канал на YouTube: https://www.youtube.com/@TERRABYTE
Вам будет интересно:
Нано-ПК! Мощный компьютер на ладони своими руками на основе платы mini-STX
NVME-райзер для внешней видеокарты своими руками
Разъем USB 3.0 для передней панели компьютера своими руками!