供电需求表格下方还有一句备注写着:
1.The maximum current slew rate for each add-in card shall be no more than 0.1 A/μs.
意思是每张PCIE卡的最大电流摆率不应超过0.1A/μs。按理说,PCIE规范要求的PCIE扩展卡的电流摆率比Intel对电源动态要求的电流摆率还小一个数量级,Intel ATX12V规范要求是1A/μs,怎么电源就翻车了呢?
以我的实测看来目前高端显卡的电流摆率要超过0.1A/μs。比如以下这张显卡的一个负载尖峰摆率达到3A/μs左右,它还只是一张GTX970。而这种负载波动在显卡运行过程中是频繁出现的。这里没有特指显卡的电流摆率过大触发电源OCP保护的意思。
3、电源
本IntelApple核显用户终于回到了我专精的领域,讲一下电源这个长期以来的背锅侠。
3-1、额定功率和超载
电源能够在一定的环境条件下连续地输出功率,且各项技术指标都符合规范,这一功率即为电源的额定功率。
Intel ATX12V规范没有要求超载。
3-2、OCP保护机制
OCP(Over Current protection)过电流保护机制是Intel强制要求的设计,目的是在电源输出电流过大时切断输出维持系统安全,并且接口、线缆和其他组件不应当熔化或者损坏。
对于当前主流中高端的单路12V LLC谐振电源而言,保护是做得相当谨慎的,当12V输出的dI/dt(电流的变化率,也就是上面提到的电流摆率)大于电源设计的过流保护阈值时,电源认为此时已经接近短路,需要判断是否要继续供电还是选择炸机,如果需要保护,便进行保护动作。
目前电源带高端显卡重启的主要原因是由于显卡输入的dI/dt过大,而且频繁重复这样的动作,超过了电源的OCP设计值,电源可不理会是遇到短路还是显卡电流过大,先关断保护了再说。
3-3、动态响应特性
看过极电魔方fcpowerup.com电源评测的读者应该知道本站有一个动态测试项目,用于考验电源在输出大幅度变化时的工作稳定性和输出质量,对应的即是带大功率CPU和高端显卡的使用条件。
在目前CPU和显卡的功耗波动实在太大了,所以这个项目尤其重要,电源没有进入保护状态的情况下,需要了解电源的输出质量到底如何,电压有没有震荡,有没有超出板卡工作的允许值,在扛了大幅度的负载波动之后,电压的恢复时间又如何。
按照Intel ATX12V规范的要求,本站或者是正规电源厂家的动态测试中的电流摆率也应该是1A/μs (甚至更高),测试摆幅根据电源的输出功率来确定,功率越是大的电源,一般能承受的摆幅(动态功耗)也越大。Intel对于带CPU的12V2要求是85%的摆幅,对带PCIE的12V3/V4的要求是80%。电源厂家如果按Intel ATX12V的要求来设计电源,那么能保证输出质量所带的最大电流/功率摆幅是80%左右。
由于电源的动态响应性能都是有上限的,如果带了超出电源动态负载能力之外的设备之后,电源可能进入上面提到的过流保护状态,也可能由于DC输出触发OVP、UVP而保护,也可能PFC Boost电容进入UVP,没有妥善保护机制的电源也可能烧毁。
具体的介绍可以看F站的建站基础文章『是时候表演真正的技术了,我是怎么测电源的v1.2』对应的“4-9.动态测试 Dynamic Test”章节,这里不展开详细介绍。
3-4、接口承载能力
上面谈到接口烧毁,顺带也要提一下接口插件的承载能力。
在动态负载变化极大的情况下,CPU和显卡散热器由于使用了铜吸热底座和大规模的散热鳍片,并且还有强迫风冷,是可以轻松承受瞬变负载的,散热器也只会稍微升高几摄氏度,电源、线材和插件就不同了。
线材方面,按最常用的单芯PVC绝缘电线在30℃环境下,要升温至PVC材料的最大适用温度(熔化),16AWG、18AWG、20AWG和22AWG线径线材所能通过的电流分别为24A、18A、13A和10A。PE、XLPE、Teflon材料的适用温度有所不同,所以能承载的电流也有所差异,这里不展开讲。
而端子方面,板卡使用的Molex Mini-Fit 5556单Pin能承载的约为9A,热集聚效应下3组12V(对应6+2Pin PCIE)削弱到每组可以承载8A左右,也就是3×8=24A/288W,PCIE协议更保守,写的7A/Pin,而且还需要降额使用来避免端子由于机械性能失效导致的烧毁。CPU的4组12V(对应8Pin),可以承载约4×8=32A/384W。
以上数值都为持续传输的承载上限,端子可以承载瞬间的高负载,不过长期高负载使用再加上散热不良就有风险了。PCB板的焊盘、铜箔、元件焊点可能承载能力要更低。所以现在的板卡、电源都配备更多的接口来分摊电流降低风险。
3-5、12V多路、单路设计
Intel在去年的ATX12V v2.52规范中已经把12V多路设计去掉,这一设计明显已经无法应对目前单个配件消耗大量12V的情况,12V分多路设计的电源,使用新的显卡更容易触发单一路的OCP导致重启。
4、实测
讲了这么多,最后当然要上实锤啦。
4-1、为什么说AC插座功率计是玩具
用AC插座来测试电脑功耗是最最普遍的方法。
讲一下简单的原理,AC插座功率计接到市电,工作的流程是对输入电源的正弦波AC交流电进行采样、积分,最终得到了一个电源的AC输入平均功耗,采样的是正弦波,输出的是RMS值,AC插座功率计的采样率不高,显示屏的刷新率也不高,几秒钟一次。加上AC输入端都是经过电源“平滑”之后的输入值,是捕捉不到峰值的。
放一段视频吧,看看在高带宽数字示波器上的抓到的DC值和AC电分析仪上看到的平均值有什么区别。示波器仅抓PCIE外接双6+2Pin的电流值从0到55A之间波动,对应的功率最高可以到660W,AC电分析仪上显示的也只有345W而已,中间的波动都被电源所平滑了。普通的AC插座功率计比起我用的电分析仪采样率低得多,了解AC功率计原理的人,不会拿它测到的数值来指代显卡的DC输入功率。
https://www.ai.cc/upload/video/20190301/5d965b4ae9e05dd1bf0c0399513b20ad.mp4
这实在的60A+峰值电流,是电源扛着的。
4-2、媒体的测试方法
绝大部分媒体都是用AC功率计测试的方法来测整机功耗,所以数值也是不可靠的。
目前有两家媒体用了正确的测试方法,一家是超能网,一家是Tom’s Hardware,两者都是采用直接从DC端测量的方法来获得板卡功率。不过局限性也是有的,两者用的仪器采样率都太低,超能网使用的仪器采样率1Hz,之前A卡480烧插槽的验证测试就用上了。
Tom’s Hardware之前采用的仪器要好一些,最近换的这一套模拟带宽看来更低了,波形失真严重,波峰几乎都被削掉了。德文版Tom’s Hardware(igorlab)的数据仍然是旧的那套设备,电流探头模拟带宽100K,数据还具备参考性。
按德文版Tom’s Hardware之前测得的数据,Vega 64测得峰值420W/0.3ms,2080Ti测得402W/0.1ms。仪器模拟带宽不足限制了他们获取到真实的最高值,但是从他们的数值来看,已经比板卡厂商标称的TDP要高出一大截。Vega 64的官方标称功耗值为300W,实测420W,2080Ti官方标称260W,实测402W。
4-3、F站的测试:CPU功耗
平台及仪器
Intel i9-9900K no OC
ASUS ROG Maximus XI Gene
Galaxy DDR4-4000 8GBx2 Kit
Plextor M5P 128G SSD
Prolimatech A3 Cooler
Samsung 1080P Monitor
Seasonic Focus+550 with No Built-in Capacitor Teflon Cable
AMD Radeon RX Vega 56
NVIDIA RTX2080Ti (TDP 380W Max)
OS: Microsoft Win 10 64bit 1809
NVIDIA Driver:417.35-desktop-win10-64bit-international-whql
AMD Driver:win10-64bit-radeon-software-adrenalin-2019-edition- 18.12.2-dec12
Benchmark:
3DMark
FurMark_1.20.2
AIDA64_Extreme_5994900
Powermax_1.00
Unigine_Heaven-4.0
Prime 95
Oscilloscope: Tektronix MDO3014
Tektronix TCP303 Current Probe 150A DC , Bandwidth 15 MHz
Tektronix TCPA300 Amplifier AC/DC Current Probe , Bandwidth 100 MHz
Voltech PM1000+ Power Analyzer
我们使用Tektronix MDO3014示波器+15MHz高带宽的电流探头来进行测试。
CPU功耗实测Prime 95跑出来的功耗比AIDA64 FPU其他的什么都要高一点,所以下图示波器截图来自Prime 95跑的成绩。
此时CoreTemp读数大概160W多一点,示波器探头钩的主板CPU 12V接口,对应VR供电电路输入,可以看到电流峰值18.4A,RMS值16.1A。VR供电电路输入约200W多一些,CPU输出160W多一些,VR电路效率接近80%,已经是非常高的效率。
按得到的VR电路的效率,可知当9900K跑到PL2 210W时,主板CPU 12V供电接口输入功率应该在262.5W以上,如果VR供电效率更低一些,假设只有70%的话,那么VR供电电路要输入300W的功率才能满足需求,即电源留给CPU的余量要有300W。
从波形分析,Intel应该对CPU的功耗限制得比较紧,加上CPU处理的都是比较单一的任务,没有大幅度波动的情况,比显卡的功耗要平稳得多。
不过相对于前面几代CPU,这代CPU的供电要求是历来最高的,要求线路、铜箔、焊盘、主板插口的端子、电源的接口端子、线材、电源模组接口端子,都要一一满足300W的承载能力。
端子方面,电源CPU 12V供电接口用的Molex Mini-Fit 5556端子,4组每组可以承载8A左右,也就是4×8=32A/384W。可以应对210W的CPU (毕竟实际上要承载300W),余量不大。接多一组4Pin或者4+4Pin会更妥当。有些用户可能会在电源端使用4Pin模组线再转8Pin接到主板的接法,其实这样只有4Pin端子是有效承载电流的,而且接近电流饱和,容易烧端子、接口,不建议这么接。
热成像图,接两组接线,温度并不高。
由于没有AMD测试平台,实际功耗未知,可能会由于处理器的电源管理机制不同,VR电路设计不同而有所不同。
4-4、F站的测试:显卡功耗
显卡的功耗测试比CPU的精彩得多。
4-4-1、AMD Vega 56 功耗
为什么没有测Vega 64/64LC或者Radeon VII呢?因为我没卡。
AMD Vega 56在Wattman中解锁了+50%功耗限制之后可以在两个PCIE 6+2Pin外接接口测到高达57.6A/691.2W的峰值功率,测试24PIN上的12V峰值为 6.3A(对应一部分PCIE插槽电流)。即便不解锁功耗限制,AMD Vega 56也能在两个PCIE 6+2Pin接口测到高达53.6A/643.2W的峰值功率。累加外接6+2Pin PCIE供电接口和PCIE插槽,单卡的瞬时功率可以认为有700W以上。