NVIDIA SHIELD TV z roku 2017 mi slúži už takmer desaťročie. Zvonka na ňom jeho vek prakticky nevidieť, no po otvorení krytu sa ukázalo, čo dokáže niekoľko rokov nepretržitej prevádzky.
Zariadenie som preto rozobral, vyčistil, vymenil mu teplovodivú pastu a popritom sa pozrel na to, čo sa vlastne ukrýva v jednej z najzaujímavejších televíznych škatuliek svojej éry.
V predchádzajúcom článku som sa s NVIDIA SHIELD TV do istej miery lúčil. Nie že by prestal fungovať, ale jeho príbeh sa podľa posledných indícií trhu zrejme pomaly blíži ku koncu. Najnovší hardvér rodiny SHIELD pochádza ešte z roku 2019 a žiadny nástupca sa odvtedy z dielne spoločnosti NVIDIA neobjavil. Model, ktorý mám doma, je pritom ešte o dva roky starší.
Napriek tomu naďalej zvláda prehrávanie filmov, streamovacie služby aj úlohu domáceho multimediálneho centra. Po hardvérovej stránke mu toho stále nemožno veľa vytknúť. Pri pohľade dovnútra však bolo jasné, že deväť rokov prevádzky zanechalo svoje stopy.
Kým procesor, pamäte a ostatné čipy nestarnú spôsobom, ktorý by bol viditeľný voľným okom, ventilátor, prieduchy a teplovodivá pasta už svoj vek skryť nedokázali. Nastal teda čas zistiť, ako SHIELD vyzerá zvnútra a či mu možno jednoduchou údržbou predĺžiť život ešte o niekoľko rokov.
Malá škatuľka, veľa techniky
Po odstránení horného krytu sa ukázalo, že vo vnútri nezostáva veľa nevyužitého priestoru. Väčšinu zariadenia zaberá základná doska, aktívne chladenie a niekoľko kovových prvkov. Na prvý pohľad pritom vnútorné usporiadanie pôsobí prekvapivo jednoducho.
NVIDIA navrhla SHIELD TV ako veľmi kompaktné zariadenie. Model z roku 2017 je podstatne menší než jeho predchodca, no naďalej obsahuje výkonný systémový čip, tri gigabajty operačnej pamäte, 16 GB interného úložiska, gigabitový Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth a dvojicu plnohodnotných portov USB.
To všetko musí fungovať v plastovom tele, ktoré nie je výrazne väčšie než približne dve na sebe položené smartfóny. Zároveň musí byť zariadenie dostatočne tiché na to, aby nerušilo ani pri sledovaní najtichších filmových scén. Výrobca preto nemohol použiť veľký ventilátor ani mohutný pasívny chladič.
Vo vnútri sa nachádza malý radiálny ventilátor, ktorý nasáva vzduch cez svoj stred a následne ho vytláča do strany. Vzduch prechádza okolo chladiča a cez otvory v plastovom šasi opúšťa zariadenie. Ide o podobný princíp, aký sa používa v notebookoch, herných konzolách alebo miniatúrnych počítačoch.
Už prvý pohľad však prezradil, že spolu so vzduchom sa do zariadenia celé roky dostával aj prach. Jemná sivá vrstva pokrývala plastové časti, základnú dosku aj kryt ventilátora. V jeho okolí sa navyše nachádzali väčšie chumáče tvorené prachom a textilnými vláknami.
Doska plná súčiastok, ktoré bežne nevidíme
Po odklopení základnej dosky sa najskôr ukázala jej spodná strana. Na rozdiel od vrchnej časti na nej nenájdeme najväčšie čipy, no rozhodne nejde o prázdny kus plošného spoja.
Nachádza sa tu množstvo drobných odporov, kondenzátorov, tranzistorov a ďalších súčiastok, ktoré zabezpečujú napájanie jednotlivých častí zariadenia. Napájací adaptér totiž do SHIELD-u privádza iba jedno vstupné napätie. Základná doska si z neho následne vytvára viacero nižších napájacích vetiev, ktoré potrebujú procesor, pamäte, porty USB, bezdrôtové rozhrania aj ďalšie obvody.
Výraznejšie hranaté komponenty v strednej časti dosky patria k napájacím meničom. Väčšie bloky sú cievky, okolo ktorých sa nachádzajú spínacie tranzistory a kondenzátory. Ich úlohou je premieňať napätie s čo najvyššou účinnosťou a súčasne reagovať na rýchlo sa meniaci odber systémového čipu.
Dlhý strieborný prvok prichytený dvoma skrutkami neplní elektrickú funkciu. Ide o pružnú prítlačnú sponu, ktorá vytvára tlak na chladič umiestnený na opačnej strane dosky. Vďaka nej chladič rovnomerne dosadá na systémový čip a teplovodivá pasta môže vyplniť drobné nerovnosti medzi oboma povrchmi.
Podobné riešenie možno nájsť v notebookoch, konzolách aj grafických kartách. Skrutky a pružná kovová spona zabezpečia dostatočný tlak, no zároveň znižujú riziko, že by sa pri montáži krehký čip poškodil.
Na okrajoch dosky možno vidieť aj medené vodivé obrazce pripomínajúce zvláštne kľukaté cesty. Nejde o dekoráciu ani o nevyužitú časť dosky. Sú to antény vytvorené priamo v plošnom spoji, ktoré SHIELD používa pre svoje bezdrôtové pripojenie.
Takéto riešenie šetrí priestor a eliminuje potrebu samostatných anténnych modulov. Zároveň však kladie vyššie nároky na rozmiestnenie ostatných komponentov. V bezprostrednom okolí antény nemohol výrobca bez rozmyslu umiestniť veľkú kovovú platňu, ktorá by ovplyvňovala šírenie signálu.
Závažie pre pocit luxusu?
V plastovom šasi sa nachádzajú aj dve pomerne masívne kovové platne označené nápisom „UP“. Na prvý pohľad by mohlo ísť o chladiče alebo elektromagnetické tienenie, no s doskou ani systémovým čipom nie sú tepelne spojené.
Ich hlavnou úlohou je preto s veľkou pravdepodobnosťou pridať zariadeniu hmotnosť. Samotný SHIELD je malý a jeho plastová konštrukcia by bez závažia bola veľmi ľahká. Po pripojení tuhého HDMI kábla, ethernetového kábla, napájania a zariadení cez USB by sa mohol po nábytku posúvať alebo nadvihovať.
Označenie „UP“ pravdepodobne pomáhalo pri montáži, aby pracovník alebo výrobný automat vložil platňu do zariadenia správnou stranou. Samotný tvar kovových dielov kopíruje priestor medzi ventilátorom, portmi a stenami šasi.
V hornom kryte sa zároveň nachádza skrútený červený a čierny vodič, ktorý napája zelené osvetlenie na vrchnej strane zariadenia. Skrútenie vodičov pomáha obmedziť elektromagnetické rušenie a súčasne udržiava oba káble pohromade.
Ventilátor, ktorý celé roky pracoval ako vysávač
Najviditeľnejšie známky veku sa nachádzali v okolí ventilátora. Na jeho lopatkách bola súvislá vrstva prachu a v úzkom priestore okolo rotora sa zachytili hrubšie vlákna. Ďalšie nánosy sa nachádzali na plastových stenách, pri prieduchoch aj pod samotným ventilátorom.
Ventilátor prach prirodzene nevytvára. Počas rokov však zariadením pretlačí obrovské množstvo vzduchu z miestnosti. Spolu s ním nasáva odumreté čiastočky kože, textilné vlákna, chlpy, peľ, sadze a ďalšie nečistoty, ktoré sa bežne vznášajú v domácnosti.
Časť z nich zariadením prejde, no časť sa zachytí na hranách, lopatkách a v miestach, kde sa prúdenie vzduchu spomaľuje alebo mení smer. Prach sa postupne spája do väčších nánosov, ktoré už ventilátor nedokáže odfúknuť.
Samotná tenká vrstva na rovnom plastovom povrchu nemusí predstavovať zásadný problém. Oveľa nepríjemnejšie sú nánosy v úzkych prieduchoch a medzi rebrami chladiča. Tie zvyšujú odpor vzduchu a znižujú jeho prietok.
Ventilátor sa potom musí otáčať rýchlejšie, aby cez zariadenie pretlačil rovnaké množstvo vzduchu. Výsledkom môže byť vyššia hlučnosť, vyššia teplota komponentov a rýchlejšie opotrebovanie samotného ventilátora.
Prach nalepený na lopatkách navyše mení ich tvar a aerodynamické vlastnosti. Ak nie je rozložený rovnomerne, môže prispievať aj k drobným vibráciám. Tie sa môžu prenášať do plastového krytu a vytvárať nepríjemné bzučanie alebo rezonovanie.
Ventilátor využíva napájanie 5 V pri maximálnom odbere 0,5 A. Ide o radiálny ventilátor s hydraulickým ložiskom a štvoricou vodičov. Dva vodiče slúžia na napájanie a zvyšné pravdepodobne zabezpečujú informáciu o otáčkach a ich elektronické riadenie. Systém tak môže prispôsobovať rýchlosť ventilátora aktuálnej teplote a za nízkej záťaže ho udržiavať na nižších otáčkach.
Môže prach poškodiť elektroniku?
Prach sa často spája so skratom elektronických zariadení, no realita je o niečo zložitejšia. Bežný suchý domáci prach väčšinou nie je natoľko vodivý, aby okamžite spojil kontakty na doske a zariadenie zničil.
Najväčším problémom je spočiatku práve chladenie. Prach obmedzí prúdenie vzduchu, usadí sa na chladiacich plochách a vytvorí izolačnú vrstvu. Teplo sa potom zo zariadenia odvádza pomalšie a komponenty pracujú pri vyššej teplote.
Situácia sa však môže zhoršiť v prostredí s vysokou vlhkosťou. Prach môže obsahovať soli, sadze, kovové čiastočky alebo iné nečistoty, ktoré dokážu absorbovať vodu. Vzniknutá vlhká vrstva môže mať podstatne nižší elektrický odpor než suchý prach.
V takom prípade sa môžu objaviť slabé únikové prúdy, korózia kontaktov alebo nestabilné správanie elektroniky. Rizikovejšie sú preto kuchyne, fajčiarske domácnosti, dielne alebo priestory s vysokou vlhkosťou.
V prípade môjho SHIELD-u prach nevyzeral ako bezprostredné elektrické nebezpečenstvo. Jeho množstvo v okolí ventilátora však už bolo dostatočné na to, aby citeľne obmedzovalo chladenie.
Srdce celého zariadenia
Po odstránení dosky a chladiča sa ukázal najdôležitejší komponent celého SHIELD-u. Systémový čip NVIDIA Tegra X1 nesie označenie TM670M-A2 a spája v jednom puzdre procesor, grafiku, multimediálne obvody aj ďalšie radiče.
Tegra X1 bola vo svojej dobe mimoriadne ambicióznym čipom. NVIDIA ju navrhla nielen pre multimediálne zariadenia, ale aj pre vývojové dosky, automobilový priemysel a systémy využívajúce strojové učenie.
Čip obsahuje štvoricu procesorových jadier ARM Cortex-A57 a grafickú časť postavenú na architektúre Maxwell. Tá ponúka 256 CUDA jadier, čo bol na televízny prehrávač v čase uvedenia veľmi nezvyčajný výkon.
Nešlo však iba o hrubú výpočtovú silu. Tegra X1 obsahuje aj špecializované hardvérové bloky na spracovanie videa. Práve tie umožňujú efektívne dekódovať obraz vo vysokom rozlíšení bez toho, aby museli všetku prácu vykonávať všeobecné procesorové jadrá.
To je jeden z dôvodov, prečo SHIELD zostal použiteľný tak dlho. Prehrávanie 4K videa, formátu H.265 alebo náročnejších zvukových stôp sa neopiera iba o výkon CPU. Veľkú časť práce vykonávajú účelové obvody navrhnuté priamo na spracovanie multimédií.
SHIELD TV má okrem čipu Tegra X1 aj 3 GB operačnej pamäte. Interné 16 GB úložisko využíva technológiu eMMC a je prispájkované priamo k doske. Nie je teda možné jednoducho ho vymeniť spôsobom, akým možno v počítači vymeniť SSD disk.
Veľká časť týchto komponentov je ukrytá pod striebornými kovovými krytmi. Tie slúžia predovšetkým ako elektromagnetické tienenie. Oddeľujú vysokofrekvenčné signály, bezdrôtové obvody a ďalšie citlivé časti dosky od okolitého rušenia.
Procesor bez kovového krytu
Po odstránení chladiča je na prvý pohľad viditeľné, že Tegra X1 nevyzerá ako bežný procesor zo stolového počítača. Nemá veľký kovový tepelný rozvádzač, na ktorom by bolo vytlačené logo a názov modelu.
Chladič cez tenkú vrstvu teplovodivej pasty dosadá prakticky priamo na odkrytú kremíkovú časť čipu. Takéto riešenie skracuje cestu, ktorou musí teplo prejsť, no zároveň robí čip citlivejším na mechanické poškodenie.
Kremík je krehký materiál. Ak by chladič tlačil iba na jednu hranu alebo by sa skrutky uťahovali veľmi nerovnomerne, čip by sa mohol odštiepiť alebo prasknúť. Práve preto je na zadnej strane dosky pružná kovová spona, ktorá rozkladá tlak.
Okolo čipu sa nachádza množstvo veľmi drobných súčiastok. Ide predovšetkým o kondenzátory a ďalšie prvky napájania a filtrácie. Musia byť umiestnené čo najbližšie k čipu, aby dokázali okamžite reagovať na rýchle zmeny jeho spotreby.
Pri odstraňovaní starej pasty je preto potrebná opatrnosť. Ostrý kovový nástroj by mohol poškodiť nielen samotný kremík, ale aj drobné komponenty v jeho okolí.
Keď pasta prestane vyzerať ako pasta
Stará teplovodivá pasta na čipe aj chladiči už na prvý pohľad pôsobila vysušene. Bola popraskaná, miestami sa oddeľovala v pevných kúskoch a po demontáži si zachovala odtlačok kontaktnej plochy.
Pasta aj v tomto stave ešte do istej miery zjavne plnila svoju úlohu, v opačnom prípade by sa SHIELD po chvíli prevádzky veľmi pravdepodobne vypínal z dôvodu prehrievania. Ideálny stav to však rozhodne nebol a ak vo svojom zariadení nájdete pastu v takomto stave, vedzte, že je už rozhodne čas na výmenu. Čip pod pastou sa vám určite poďakuje.
Teplovodivá pasta totiž časom stráca časť svojich vlastností, vysychá a vplyvom opakovaného zahrievania a chladnutia sa môže postupne presúvať mimo ideálnej kontaktnej plochy. Jej úlohou nie je nahradiť chladič ani vytvoriť hrubú izolačnú vrstvu. Povrch čipu aj chladiča vyzerá voľným okom hladko, no v skutočnosti obsahuje množstvo mikroskopických nerovností.
Ak by sa oba povrchy spojili bez pasty, v drobných medzerách by zostal vzduch. Ten vedie teplo podstatne horšie než kov alebo teplovodivá zmes. Pasta tieto nerovnosti vyplní a vytvorí súvislejšiu cestu medzi čipom a chladičom.
Ideálna vrstva má byť preto čo najtenšia, no zároveň musí pokryť celú plochu čipu. Príliš veľa pasty chladenie nezlepší. Nadbytočný materiál sa pri pritlačení chladiča iba vytlačí do okolia.
Vyčistený Tegra X1
Po odstránení starej pasty sa pod ňou ukázalo označenie samotného čipu. Na jeho povrchu je možné prečítať logo NVIDIA, výrobný kód aj označenie TM670M-A2. Až v tomto momente si možno naplno uvedomiť, aká malá časť zariadenia je zodpovedná za väčšinu jeho schopností. Plocha kremíka je podstatne menšia než chladič, ventilátor alebo kovové kryty okolo neho.
Na tejto malej ploche sa však nachádzajú miliardy tranzistorov. Tie zabezpečujú chod operačného systému, vykresľovanie používateľského prostredia, prehrávanie videa, spracovanie zvuku, komunikáciu s pamäťou aj množstvo ďalších úloh.
Zvyšok zariadenia mu v podstate vytvára podmienky na prácu. Napájacie obvody dodávajú správne napätie, operačná pamäť uchováva aktuálne dáta, úložisko obsahuje systém a aplikácie a chladiaci systém odvádza vznikajúce teplo.
Tegra X1 bola vyrábaná 20 nm výrobným procesom. Z dnešného pohľadu ide o zastaranú technológiu, no v roku 2015 patrila medzi najvýkonnejšie mobilné čipy. Rovnaká rodina čipov sa neskôr objavila aj v ďalších známych zariadeniach.
SHIELD však dokázal jej výkon využiť nezvyčajne dlho. Televízne rozhranie a prehrávanie multimédií sa totiž nevyvíjajú rovnakým tempom ako moderné hry alebo profesionálne aplikácie. Dobre navrhnuté hardvérové dekódovanie videa môže zostať použiteľné mnoho rokov.
Jednoduché chladenie s krátkou tepelnou cestou
Samotný chladiaci systém sa skladá iba z niekoľkých častí. Čip odovzdáva teplo teplovodivej paste, tá ho prenesie do čierneho kovového chladiča a ventilátor následne odvádza ohriaty vzduch mimo zariadenia.
Časť chladiča dosadajúca na čip je rovná a masívnejšia. Na jeho bočnej strane sa nachádzajú rebrá, ktoré zväčšujú povrch vystavený prúdiacemu vzduchu.
Čím väčšia je plocha chladiča, tým viac tepla môže odovzdať okolitému vzduchu. Samotný kov však nestačí. Ak by vzduch okolo neho zostával stáť, postupne by sa zohrial a účinnosť chladenia by klesla.
Ventilátor preto zabezpečuje neustálu výmenu vzduchu. Studenší vzduch z miestnosti nasaje do zariadenia, pretlačí ho okolo chladiča a ohriaty vzduch následne vytlačí von.
Problém nastáva vtedy, keď sa medzi ventilátorom, chladičom a výstupným otvorom nahromadí prach. Aj keď samotný motor ventilátora pracuje správne, cez zanesené prieduchy nedokáže pretlačiť dostatok vzduchu.
Čas na novú pastu
Po dôkladnom vyčistení čipu a kontaktnej plochy chladiča som naniesol novú teplovodivú pastu. Použil som bežnú pastu určenú pre procesory, grafické čipy a ďalšie elektronické súčiastky.
Jej výhodou je, že neobsahuje elektricky vodivé kovové častice. Pri odkrytom čipe obklopenom drobnými kondenzátormi je to praktické, pretože malé množstvo pasty vytlačené mimo kontaktnej plochy by nemalo spôsobiť skrat.
Ani elektricky nevodivú pastu však netreba nanášať vo veľkom množstve. Chladič ju pri montáži rozotrie po povrchu a prebytok vytlačí do strán. Hrubšia vrstva neznamená lepší prenos tepla.
Pred opätovným zložením bolo potrebné vyčistiť aj ventilátor, jeho lopatky, plastový tunel, prieduchy a vnútorné steny zariadenia. Najväčšie chumáče sa dali odstrániť mechanicky, jemnejší prach bolo možné vyfúkať alebo zotrieť.
Pri čistení ventilátora stlačeným vzduchom je vhodné zabrániť tomu, aby sa nekontrolovane roztočil do veľmi vysokých otáčok. Motor ventilátora môže pri ručnom roztočení fungovať ako malý generátor a vysoké otáčky zároveň zbytočne zaťažujú jeho ložisko.
Dôležité je tiež ventilátor nerozoberať viac, než je potrebné. Čistenie prístupných lopatiek a prieduchov obyčajne postačuje. Zásah do ložiska alebo odstránenie výrobného štítku môže narobiť viac škody než úžitku.
Návrat na svoje miesto
Po vyčistení, nanesení novej pasty a kontrole kabeláže sa základná doska vrátila do šasi. Následne bolo potrebné znovu pripojiť ventilátor, správne uložiť vodiče a dotiahnuť prítlačný mechanizmus chladiča.
Pri montáži chladiča je dôležité skrutky uťahovať postupne a rovnomerne. Jedna strana by nemala byť úplne dotiahnutá v čase, keď je druhá ešte voľná. Nerovnomerný tlak by mohol vytlačiť pastu na jednu stranu alebo v horšom prípade mechanicky zaťažiť odkrytý čip.
V rámci tohto rozoberania som nemal k dispozícii spoľahlivý teplomer na odmeranie teplotného rozdielu hardvéru pred a po vyčistení vnútra a nanesení novej pasty. Vyčistený ventilátor, voľné prieduchy a čerstvá pasta však zariadeniu nepochybne umožňujú pracovať v podmienkach bližších tým, v akých opustilo výrobnú linku.
Čo nám rozobratý SHIELD prezradil?
NVIDIA SHIELD TV pôsobí zvonka ako pomerne nenápadná čierna škatuľka. Vo vnútri sa však nachádza hardvér, ktorý bol na pomery televíznych prehrávačov mimoriadne ambiciózny.
Systémový čip Tegra X1, aktívne chladenie, kvalitné sieťové rozhrania a robustná základná doska pomáhajú vysvetliť, prečo je zariadenie použiteľné aj takmer desať rokov po uvedení na trh.
Zároveň sa ukazuje, že ani kvalitný hardvér nie je úplne bezúdržbový. Ventilátor celé roky nasáva vzduch a spolu s ním aj nečistoty. Pasta medzi procesorom a chladičom starne a úzke prieduchy sa postupne zanášajú. Je to prirodzený proces, s ktorým je potrebné počítať pri takmer každom zariadení s podobným typom chladenia.
V čase jeho uvedenia bola NVIDIA úplne inou spoločnosťou a multimediálne centrum predstavovalo segment s veľkým potenciálom. Dnešné televízory už obsahujú vlastné aplikácie, operačné systémy aj pomerne schopný hardvér. Samostatné prehrávače sa preto postupne stali produktom pre užšiu skupinu používateľov.
Po vyčistení sa kryt opäť zatvoril a SHIELD sa vrátil pod televízor. Navonok sa nezmenilo vôbec nič. Vo vnútri však už nemusí bojovať s vrstvou prachu, upchatými prieduchmi a pastou, ktorá za sebou mala takmer desaťročie tepelných cyklov.
Možno ide o jednu z posledných väčších údržieb, ktoré toto zariadenie absolvuje. Rovnako dobre však môže pokračovať v službe ešte niekoľko rokov. Jeho najväčším problémom totiž ani dnes nie je nedostatok výkonu, ale skôr otázka, ako dlho ho budú podporovať aplikácie a samotný operačný systém.
Kým sa tak stane, v jeho útrobách bude naďalej pracovať čip z roku 2015, ktorý odmieta odísť do technologického dôchodku.
