RTX 5090 FE 版本硬件设计与散热设计介绍

科技 2025-01-14 11:45 北京

1 RTX 5090 FE的硬件架构

新旗舰 RTX 5090 Founders Edition 看起来非常纤薄，PCB 尺寸减小，巧妙的新冷却器有助于将其厚度减小到只有两个插槽。该卡的尺寸为 304mm x 137mm x 48mm，并采用双插槽冷却解决方案。

该显卡已与其他 RTX 50 系列游戏 GPU（如 RTX 5080）一起被添加到 Nvidia 的小型 PC 构建 SFF-Ready 认证列表中。

PCB 分成3个部分：1块主 PCB 、1块 IO 板和1块 PCIe 连接板，共计3块。

其中主PCB为该卡的核心，PCB的背面有两个2连接器，用于链接PCIE连接板和IO板。

主PCB和PCIE连接板通过连接器直接对扣安装，主板PCB和IO板的连接通过柔性PCB连接，柔性PCB立着安装，可以做到最大程度节省安装空间，给风扇提供足够的散热通道。

2 主板PCB介绍

RTX 5090 FE 主板PCB的尺寸很小，可以握在手掌中。其独特的紧凑型和高功率PCB 设计标志着 GPU 工程迈出了重要一步。

“高密度”主板PCB，上面搭载了拥有 920 亿个晶体管的 GB202 图形处理单元 GB202 GPU、32GB 三星 GDDR7 内存（使用 16 个标记为 K4VAF3257C-SC28 的封装）以及一个 30 相电压调节模块(VRM)。与早期型号的 23 相设计不同，可确保电力输送的高稳定性和效率。14mm x 12mm 内存芯片封装展示了 PCB 占用空间的减少，展示了设计优化如何在不牺牲性能的情况下实现更紧凑、更高效的硬件。

GPU芯片占据了PCB约三分之一的面积，NVIDIA 采用了高密度 PCB 工程，没有浪费 PCB 两侧的任何空间。电感器和 DRMOS（由 MPS 制造）位于正面，三面环绕 GPU，电容位于反面。

下图是更大尺寸的 RTX 4090的PCB，RTX 5090采用与之相同的主芯片封装（14mm x 12mm）尺寸，两者相对比下来，5090的PCB尺寸确实小了很多。

主板背面有一个相对较大的高密度板对板 (夹层) 连接器 (标记为 J806)，通常用于紧凑型电子设备以将两个电路板连接在一起，该连接器用于PCIE板的连接。还有一个较小的夹层连接器，标记为 J805，该连接器用于IO板的连接。此外，还有两个用于风扇的 ZIF 连接器。

在GPU 正下方有两个弹簧触点（POGO 引脚），通常用作测试或编程触点，这表明可能不是 PCB 的最终版本。

主板PCB的顶部边缘有一个 12V-2x6 的电源连接器，可提供高达 55A 的电流，用于整卡的供电，这是 575W 总板级功率额定值所必需的。

3 RTX 5090散热设计

1）风扇及风道

RTX 5090 PCB 虽然比其前代产品 GeForce RTX 4090 尺寸更小，但设计功耗高达 575W。改卡主要特点之一是其比前代产品更薄，仅占用2个插槽的宽度，这与我们通常看到的大型高端显卡相去甚远。

虽然前几代显卡在一侧使用进气风扇，吹向 PCB，背板尾端的另一个风扇将空气通过散热器并从背面吹出，但 RTX 5090 FE 采用了“Double Flow Through”的设计，即“双气流通过”设计：有两个大风扇，它们都将冷空气吹过散热器，并从显卡背面吹出。

RTX 50 系列 FE 版本延续并改进了自 RTX 30 系列开始采用的“Flow Through（气流通过）”散热设计。该设计理念是通过风扇将气流从显卡正面吹向背面，从而最大化散热器的效率。Flow Through 设计并非 FE 独享，许多 AIC 合作伙伴的显卡也采用了类似的方案。

然而，NVIDIA 在 RTX 50 系列 FE 中更进一步，推出了“Double Flow Through（双气流通过）”设计。与 RTX 30/40 系列仅在显卡后部风扇采用 Flow Through 结构不同，RTX 5090 FE 在前后两个风扇都应用了此技术。

RTX 5090 FE 主板PCB 板仅占据显卡中部约三分之一的空间，GPU 和 VRM（电压调节模块）产生的热量被传导至两侧的散热鳍片。由于两侧散热器均采用 Flow Through 设计，冷却效率得以显著提升。在传统设计中，显卡前部风扇的气流会被 PCB 板阻挡，并向上、下或背板方向排出。而 Double Flow Through 设计则使整个显卡如同一个“抽风机”，将机箱内部的空气从底部向上推动。

2）散热器设计

RTX 5090 FE散热器设计也非常值得关注。两侧散热器对称设计，中间散热器与两侧不同。另外，两侧的散热器，如下图黄色框区域内的翅片均有不同程度的凹槽设计，靠近散热中心区域，凹槽深度越大，目的是为了更好的组织气流和散热效果。这些设计无疑增加了量产模具的数量和加工的复杂度，但这也侧面也反映出英伟达为了更好的产品性能和散热效果，所做的工程投入式很大的。

散热器采用了3D VC的结构形式，该方式的核心在与VC和热管的设计，能够将热量迅速且均匀的扩散出去。

3）界面材料（TIM）

简单的计算，不考虑其他散热部件，RTX 5090 FE 上的GPU芯片的热流密度达到了：575W/(1.4cm*1.2cm)=342W/cm2。如此高的热流密度，常规的导热硅脂很难有效地将热量传导出去。为了实现这一目标，RTX 5090 FE版本创新地使用了液态金属材料散热（TIM）。

如今，只有华硕在高性能笔记本电脑和显卡中广泛使用液态金属 TIM ；其他制造商则趋于谨慎。宏碁和 Alienware 的一些系统也使用 TIM。TIM 最常用的应用可能是索尼的PlayStation 5游戏机，它在其定制的 AMD 处理器和散热器之间使用了业态金属材料 TIM。

液态金属 TIM 通常由具有出色导热性的镓合金（例如镓铟锡）制成。和硅脂相比，液态金属的优势主要有哪些呢？

一般来说，有以下四个方面：

1、更高的导热性：液态金属通常具有比硅脂更高的导热系数，这意味着它能够更快地将热量从发热源传导到散热装置上，从而实现更高效的冷却。液态金属的导热系数通常在73W/m·K左右，而硅脂的导热系数最高只能达到11W/m·K。

2、更好的填充性：液态金属在室温下是液态的，这使得它可以更好地填充发热元件与散热器之间的微小空隙，减少空气间隙，提高接触面的平整度，进而提升热传导效果.

3、耐久性和稳定性：高质量的液态金属可以在较宽的工作温度范围内保持稳定，并且不会像一些硅脂那样随着时间推移而干化或失去效能。

4、可重复使用：由于液态金属的流动性，如果需要更换散热器或调整位置，可以更容易地重新分布，而不必担心材料会像某些类型的硅脂一样变硬或者残留过多难以清理。

当然，液态金属也有一些劣势：

1、成本较高：液态金属的成本普遍高于传统的硅脂，这不仅包括材料本身的费用，还包括可能增加的安装复杂度所带来的额外人工成本。

2、应用难度大：正确应用液态金属需要更多的技巧和经验，因为错误的应用可能导致材料溢出，造成电路板上的短路风险。

3、潜在的安全隐患：液态金属是导电的，如果处理不当，可能会导致主板或其他电子组件短路。此外，一些液态金属对铝等特定金属具有腐蚀性，因此必须小心选择搭配使用的材料。

4、维护要求：虽然液态金属理论上不需要频繁更换，但是一旦出现问题，如偏移或泄漏，则修复起来会更加困难，有时甚至需要专业人员介入。

5、长期可靠性问题：尽管大多数情况下液态金属表现良好，但在极端条件下（例如温度剧烈变化），仍有可能出现流动或偏移的问题，影响长期的可靠性。

4 RTX 5090液冷方案的思考

目前，根据官方及网站的消息，没有看到关于液冷方案的介绍，本文对液冷方案做一个思考：

由于PCB采用的是3块PCB，且每块的尺寸不大，仅有主PCB需要进行散热，因此采用冷板方案的话，冷板的核心散热区域不会很大。冷板的核心区域可以考虑采用VC+冷板的方案，也可以采用双相冷板的方案。整个冷板的尺寸也可以减小，将后部风扇对应的空旷区域取消掉，基本可以减短约三分之一的尺寸。3块PCB依靠结构件进行安装固定，冷板的结构本身可以提供相应的结构支撑。整个卡的结构尺寸可以做到更小，甚至可以做到单槽位宽度的尺寸。

总的说来，RTX 5090FE版本的冷板式液冷设计方案可以发挥的空间比较大。

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