在普通玩家的认知中,默认显卡就是跟一个灯泡一样的纯电阻元件,通电功耗相对固定。然而由于显卡的GPU由大量的晶体管组成,晶体管工作就会产生功耗,晶体管越多,渲染的画面越复杂,功耗波动越剧烈,而且远比GPU-Z显示的波动剧烈。AC功率计或者是板卡的传感器都有局限性,显卡的真实功耗往往不为人知。
而且有一个很奇怪的现象,买了6、7千甚至上万元显卡的玩家,大都不舍得买一个输出质量优秀的大功率电源,大部分电源可比显卡便宜得多了。
为了体现人文关怀,太长不看的读者看到这里即可,目前的现状是硬件行业隔行如隔山,媒体行业知识结构欠缺,玩家群体错误的认知先入为主难以纠正。普通用户不需要了解显卡和电源的技术细节,依旧遵循去年的文章结论,电源买自己买得起的最大瓦数最新设计来避免重启问题。
困了就要睡觉,饿了就要吃饭,显卡功率过大就会触发电源保护,这是多么简单的道理。
如果有兴趣往下看的读者,我将会从芯片的基本构成、芯片的电源管理、显卡PCIE规范、电源设计、CPU、显卡功率实测等方面的内容来介绍目前CPU、显卡两大核心配件的功耗情况以及电源的选购注意事项。
文章目录:
0、太长不看版
1、功耗爆炸之源
1-1、电路基础
1-2、万恶之源
1-3、芯片电源管理机制
2、显卡
2-1、显卡方面的功率标识
2-2、显卡厂商对电源的要求
2-3、PCIe规范
3、电源
3-1、额定功率和超载
3-2、OCP保护机制
3-3、动态响应特性
3-4、接口承载能力
3-5、12V多路、单路设计
4、实测
4-1、为什么说AC插座功率计是玩具
4-2、媒体的测试方法
4-3、F站的测试:CPU功耗
4-4、F站的测试:显卡功耗
4-4-1、AMD Vega 56 功耗
4-4-2、NVIDIA RTX2080Ti 功耗
4-5、花絮:显卡啸叫问题
5、总结以及购买指南
1、功耗爆炸之源
我们从组成CPU的晶体管开始讲起。
1-1、电路基础
每个晶体管 (Transistor) 由源极 (Source)、漏极 (Drain)和它们中间的栅极 (Gate)组成,栅极起到控制电流通断的作用。我们常说的xx nm的制造工艺,其实就是指的栅极宽度。由掺入的材料不同,晶体管分为NMOS和PMOS两种类型。
从逻辑电路层次看,组成CPU的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 互补式金属氧化物半导体电路即是将NMOS晶体管和PMOS晶体管连接起来配对使用。下图为一个 CMOS反相器示意图,CMOS电路可以理解为是一个开关模型。
CMOS电路的功耗主要来自两部分,分别是动态功耗P_dynamic和静态功耗P_static,总的功耗构成即为:
Power = ∑(P_dynamic + P_static) = ∑(CV²αf + V*I_dq)
其中,C为负载电容的容值,V为工作电压,α为当前频率下的翻转率,f为工作频率,I_dq 为漏电流。
CV²αf 为晶体管的动态功耗 P_dynamic,来源于驱动门电路翻转产生的功耗,与电压、频率、负载电容、电路设计相关。
V*I_dq 为晶体管的静态功耗 P_static,来源于逻辑门电路没有翻转时由于绝缘不足无法完全关闭的静态能量损耗,只要电路工作就会漏电。
1-2、万恶之源
芯片制造业为了塞下更多的晶体管,力求用更先进的工艺制造更窄的栅长,用于绝缘的栅极二氧化硅绝缘层会变得越来越薄,在深亚微米工艺下,漏电功耗占到功耗的很大一部分,随着工艺发展到纳米级,漏电情况会加剧,静态功耗比例继续加大。
同时,芯片制造的过程中有着Backgate掺杂的概念,掺杂高的材料需要的单元门翻转阈值电压高,但它的漏电功耗低,门延迟长,也就是速度慢。反过来,掺杂低的材料所需要的翻转阈值电压低,但漏电功耗高,门延迟低,速度高。芯片制造有着高性能以及高性能功耗比两种不同的工艺路线,高性能路线使用的材料是偏向于漏电功耗高这一类。
总结下来目前高端芯片费电的原因无非是以下两个:
一是规模巨大。
ATi (AMD) R300 是第一颗晶体管数量超过1亿的 GPU,在这之后,GPU 的晶体管数量不断增加。
NVIDIA RTX2080Ti (TU102 Turing)塞了186亿个晶体管,AMD Vega 64 (Vega 10)塞了125亿个晶体管。Intel Core i9-9900K塞了多少个晶体管还是个迷。可以想象拥有数十亿晶体管电路的芯片,在工作时逻辑门电路被不断翻转,而且由于工作频率达到以GHz计算,它消耗的能量就相当可观。
按A/N两家提供的TDP功耗值和芯片面积可以算出TU102 Turing的功率密度是34.5W/cm²,Vega 10是61W/cm²,超过了电炉的10W/cm²,Vega 20达到了90.6W/cm²,已经很接近核反应堆的100W/cm²,如果都按峰值功率算的话,那超过了核反应堆,直追火箭尾焰。
二是桌面级的 CPU/GPU倾向于高性能路线,静态功耗所占的比值不低。虽然还能在性能功耗比的优化上做做文章,也就是下面我们需要谈的内容。
1-3、芯片电源管理机制
CPU/GPU晶体管规模巨大、功耗巨大,为了控制功耗,芯片厂家都会想尽办法。
我们从1-1给出的动态功耗公式来分析:
P_dynamic = CV²αf
其中负载电容C是和制程工艺相关,出厂即固定,V是工作电压,α是当前门电路的翻转率,f是工作频率,由此得知,要降低处理器的动态功耗,只有降低工作电压、减少翻转的门电路数量或者降低工作频率。
门级电路的功耗优化(Gate Level Power Optimization)、DVFS机制 (Dynamic Voltage and Frequency Scaling)在一定程度上降低了芯片的平均功耗,但同时又带来功耗大幅度频繁波动的现象。
Intel官网提供了较多技术资料,Intel的智能降频技术EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology)即是一种DVFS机制,够对CPU的工作电压、频率进行智能调节从而降低CPU的功耗。
EIST技术中包含的不同频率、电压状态在ACPI定义的CPU的C0 (CPU Power States)下的各种P-States (CPU Performance States)下体现出来。
有了降频同时也会有超频,Intel的Turbo Boost Technology睿频技术是Intel的官方超频技术,对应P-States P0中的最大工作频率。Intel Turbo Boost Technology 2.0允许CPU在短暂的时间将功耗提高到超过TDP的PL2值。
有了电源管理就有相应的功耗状态,Intel的Package Power Control封装功率管理就是对CPU的几种PL (Power Limit)状态进行介绍。
Intel的功率极限(Power Limit)一共有4档,功率从小到大依次是PL1、PL2、PL3、PL4。
PL1即平均功率,Intel建议不超过或者设置为TDP功率,CPU可以一直在这个功率上运行;
PL2即超过PL1之后的功率极限,对应Turbo Boost 2.0状态下的功率,CPU可以保持在PL2长达100s;
PL3是一个更高的功率极限,超过PL2的时候可以在PL3的状态保持峰值功率最长10ms;
PL4就是一个不可逾越的硬帽。PL3和PL4默认情况下是禁用的。
AMD的CPU也有类似的电源管理机制,限于篇幅不展开详细讲解。
2、显卡
2-1、显卡方面的功率标识
GPU方面可以得到的技术文档不多没找到资料可以介绍电源管理啊,而显卡方面的电源管理和功率标识比CPU的还要更遮遮掩掩。A/N两家把这一任务交给公关公司,公关公司再交给媒体,媒体再传播给KOL,KOL再传播给普通玩家。嗯,普通玩家吃的是第N手的资讯。
NVIDIA官网要找半天才能看到2080Ti的功率,简单写着“Graphics Card Power 260W”,也不知道是典型功耗还是峰值功耗,推荐电源功率为650W。
AMD官网Radeon VII的页面则是写着“典型板卡功率(台式机)300 W”、“电源功率:750W”。
2-2、显卡厂商对电源的要求
板卡厂商对电源的推荐功率有点心虚,板卡功耗在300W不到,推荐了两倍以上功率的电源。我寻思板卡厂商其实也知道板卡的真实功率,但就没有说透,给板卡留下了一定的余量。
其次,相应的电源推荐列表和工具更新滞后。NV官网有一个页面提供了电源需求计算器,但是页面只提供一个跳转到华硕官网电源计算器的链接,这个页面是2007年更新的,以NV驱动界面几十年如一日华硕网站的更新速度,跳转过去并不能找到对应页面。
同时在NV官网还能看到SLI认证电源列表,可惜上面的电源都是诸如Antec CP-1000这样的上古型号。
提问,一张2080Ti需要一个650W电源,那么两张2080Ti SLI需要一个多大的电源?NVIDIA没讲,AMD也没有。
2-3、PCIe规范
相反,PCI-SIG有更多可用的信息。PCI-SIG(Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)全称为“PCI特殊行业集团”,于1992年成立,为的是更好地帮助电脑厂商落实Intel的规范,目前有800多家成员公司。
从『PCI Express Card Electromechanical Specification Revision 3.0』技术规范可以看到其对PCIE插槽、PCIE电源接头的供电需求都有明确的规定。
比如PCIE插槽提供的75W,有66W是来自12V,其余9.9W由3.3V提供。6+2Pin接口提供的是150W,6Pin提供75W。这几个值指的都是持续的最大传输值或者说持续的最大平均值。