电源如何选瓦数以及ATX3.0

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前言:

自 2017 年以来,消费级电脑元件的功耗直线上升。一方面,制程升级速度放缓,摩尔定理趋于失效,优化制程来减少功耗的空间大不如前,厂商更多地依赖增加晶体管规模来提升性能,另一方面散热技术的升级使得单位面积上能够接受更多的热量,允许厂商制作功耗更高的产品。

在实际使用过程中,CPU 和 GPU 的电流会呈现出脉冲的变化,一个标为 125wTDP 的处理器允许的峰值高达 355w,而 RTX3090 的瞬间功耗能达到 900w 以上,这也对电源的瞬态输出步长等能力提出了更高要求。

今年上半年,英特尔推出了 ATX3.0 电源标准,带来了全新的 600w 12VHPWR 接口。12、13 代酷睿功耗屡创新高,zen4 规格表也提高了 TDP,功耗大跃进的 40 系显卡、Radeon7000 系列即将到来,如何确定电源瓦数来确保电老虎和核弹们的正常运行?接下来本文就来讨论这个问题。

一、读懂电源铭牌

是的,第一步要先看懂自己的电源。

  1. 12V 电源轨一起列出的电源

如下图,当今的大多数电源都将所有 12V 电源轨列在一起。

电源如何选瓦数以及 ATX3.0

此路 12V 需要把 CPU,显卡和其余使用 12V 元件都计算入内。

  1. 单独标出各个 12V 导轨的电源

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  • 12V1 = 主板和存储电源连接器

• 12V2 = 处理器电源连接器

• 12V3 和 12V4 = 独立显卡电源。

* 按单路计算各部分的需求是否满足,同时还要注意整体电流上限。

有的电源会把 pcie 供电放进 12V1 中计算,老电源中尤其常见。

二、用 CPU 功率等级 PL 衡量耗电

绝大部分人都知道 CPU 有一个热设计功耗 TDP(Thermal Design Power),然而在今天绝大部分 CPU 都拥有频率加速功能,TDP 已经无法用来形容 CPU 的实际用电。
例如:12900kTDP125w,这表示 12900k 在大核 3.2ghz,小核 2.4ghz 下产生的持续性功耗。不过由于睿频的存在,12900k 的功耗会视环境自动提高。在 TurboBoost3.0 开启后,大核的频率可以来到 5.2ghz,此时的平均功耗来到 241w。

所以我们这里引入功率等级 PL(Power Level)来描述 CPU 的真实耗电情况。

PL 一共有 4 档,功率从小到大依次为 PL1、PL2、PL3、PL4。

PL1 即 TDP

PL2 为睿频的上限功耗,持续到设定的时间就会降频

PL4 是瞬间电流能够达到的最大值。

正如上面所说,CPU 在实际情况下长时间功耗是能达到 PL2 及以上的,那么在计算 12V2 的时候至少要按 PL2 计算,比较新的处理器会直接列出 PL2,九代以及之前的处理器 PL2 按 TDP*1.25 计算。如果是可超频处理器可以在网上找该处理器评测,按超频后拷机功耗作为参考 PL。

三、显卡峰值功耗

显卡在工作的时候不像处理器那样连续。例如渲染 100 帧的游戏画面,平均每 10ms 渲染一帧,显卡可能前 5ms 就渲染好了,后面的时间核心休息,显存来传输画面。这类似于人的心脏,所以显卡的功耗变化类似心电图,存在大量周期性的峰值。电源如何选瓦数以及 ATX3.0

大部分电源超载导致的过流保护甚至烧毁事故中,显卡高频率、长时间周期出现的电流峰便是罪魁祸首,因此计算电源瓦数,核心就在于匹配显卡的峰值功耗。

一些显卡的峰值功耗可以参考这篇文章:

https://www.fcpowerup.com/end-gpu-spike-peakpower

不在表中的可以按同架构适当调整,一般在 2 - 3 之间,老显卡会低一些。通常同代低规格的峰值比率会低一些,但是 GTX970 是张例外,不过更像是老黄虚标了 TDP。

四、通过电源超载率来评价安全性

选择一台额定功耗就能覆盖显卡峰值功耗的电源无疑是最安全的选择。但很少有人去这么做,电源超载是更常见的情况。

CPU 因为工作特性很少会多次出现特别高的电流峰值,因此在计算时候为了方便取 PL2(实际工作中还是会出现 PL4,且可能和显卡峰重叠)

12V 一并列出的,将 CPU 与显卡峰值相加除以电源最大额定供电,就可以得到电源超载程度,。若分开,则将 CPU 与显卡的峰值除以对应的 12V 线路额定供电分别求值。

一般而言电源超载程度在 110%(普通)-150%(顶级)之间为合宜。超载程度越低,电源选的越安全。超载达到电源过流保护程度,且超过过流保护时间时电源才会断电,所以达到过流保护值不一定会触发,但是长期这种情况势必会损伤电源。部分电源超载能力在上面的网站也可以查到。

扩展内容:

一、PL 具体定义

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PL1: 和 TDP 的数值一致。

PL2:Intel® Turbo Boost 技术允许在短时间内将功率提高到 TDP 以上,最高可达 PL2 设定值。处理器可以保持在 TDP 以上并处于 PL2 功率级别的时间通常少于 1 分钟。该时间记为 Tau,可能因处理器和系统设计而异。当电源需要提供的电流超过一秒钟,则视为连续电流(相对于瞬时电流峰),因此 PL2 电流被定义为“连续电流”。

PL3:一个更高值,与连续占空任务(Duty cycles)有关,这里不做深入分析。

PL4:处理器定义的最大电流消耗。该功率水平只能持续很短的时间,通常≤10ms。此值也被指定为峰值电流(FVM)。

*PL4.app:PL4.app 小于 PL4,代表在全核睿频下的用户现实应用场景 PL4.app 即代表现实世界工作负载的最坏情况功率。PL4.app 也将持续≤10ms。

二、各档 PL 的计算方法

PL1 即 TDP。英特尔会给出所有 CPU 的 TDP 数值。

PL2:对于八代以前的处理器,因为规格不高,通常为 PL1*1.25,

(只要存在 PL2 的处理器,都可以跑出 PL4 的电流)

八代后处理器: 见下图,Continuous Current 对应 PL2,Peak Current 对应 PL4

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CPU 供电 12V2 的标称电压为 12 伏。该线路可接受的最低电压为 11.4V,其中包括减少电线损耗和主板电源层损耗。主板 VR 效率假设在 PL2 电源时为 85%,在 PL4 电源时为 80%,并且 PL4_PSU 电源 (AKA IccMax) 主板平面电阻为 1.1mΩ。

• PL4.app Power =(12V2 Peak Current * 11.4 V)/ 0.8
• PL2 Power = (12V2 Continuous Current * 11.4 V) / 0.85
• PL2 可持续时间如下等式:

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PL1 Tau 值可在每个处理器的英特尔参考文档中列出的平台 EDS 中找到。

三、电源端子和线材的一些参数

①pcie5.0 目前共设计有三种端子,最大持续供电能力如下:

75 W 2x3pin 连接器

150 W 2x4pin 连接器

600 W 2×6 12VHPWR 连接器

②电源中 18AWG 线可以满足大多 6 - 8 安培 /pin 的要求。(例外是使用 16AWG 电线的 12VHPWR 连接器。)以此 6 - 8 安培 /pin 为例,以下建议适用于每个连接器可以支持多少功率 / 电流,具体取决于该连接器中包含 12V 引脚的数量。

• 2×2 (4pin) 连接器支持 12-16 A

• 2×3 (6pin) 连接器支持 18-24 A

• 2×4 (8pin) 连接器支持 24-32 A

四、ATX3.0 新加入的特性

① PCIe 规范的 5.0 修订版引入了四个重要更新:

1. 引入了功率偏移容限,以支持超过额定 TDP 的短暂、高电流需求。

2. 单个显卡的最大功耗翻了一番,达到 600W。这是所有来源加起来的每张卡的限制。

3. 添加了新的 48V(标称)电源轨。

4. 引入了两个新的电源连接器,以在单个电缆连接器上提供完整的 600W。新的 12VHPWR 连接器在 12V 上支持 600W,而 48VHPWR 在 48V 上提供 600W。四个新的边带信号导体允许在附加卡和电源之间进行简单的信号传输。所有电源线接头需要标注 150W、300W、450W、600W 四种供电功率。

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②电源通过边带信号 (sideband signal) 向显卡报告供电能力,便于后者设定功耗极限。

③电源必须每年可承受 17.52 万次开关而无损坏

④低负载效率升级,10W 或者 2% 最大标称功率下,效率不得低于 60%,推荐不低于 70%。

⑤瞬间供电峰值,10% 工作周期、100 微秒时间内,承受 200% 的标称功率。

⑥增加瞬间负载的电压转换速率,+12V 电路要达到 2 - 5 倍。12V 电路最高电压可达 12.2V,同时允许更低的掉压。放宽 +12V 电路负载调整率的限制,PCIe 接口为 -8% 到 +5%,其他接口为 -7% 到 +5%。

⑦调整 PowerOn 加电信号速度,加快响应和系统唤醒

⑧新增替换低功耗模式(Alternative Low Power Mode/ALPM)

⑨电源标签须包括 T1、T3 时序

⑩80PLUS 之外新增 Cybenetics 认证

五、PCIe 附加卡功率偏移

PCIe CEM5.0 规范通过允许卡暂时超过现有的供电限制,同时仍遵守时间平均的功率限制,解决了偶尔出现功率偏移的需求。这允许电源和附加卡在有限的持续时间和幅度内共同承受增加的电力需求。

电源如何选瓦数以及 ATX3.0

电源如何选瓦数以及 ATX3.0

如图,T 表示任意时间长度,在小于 1ms(100us)内视为瞬间电流。R 表示时间内平均功耗和显卡参考热的比值,以图像表示如下。

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