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尝试科普帖:怎样算热?关于显卡供电温度的热力学分析。

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number1984 发表于 2014-11-26 16:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
点击数:17773|回复数:51
本帖最后由 number1984 于 2014-11-26 16:59 编辑

发现最近PCEVA评测中加入了热成像仪对主板、显卡温度的测试,我也看到有些人对展示出来的测试结果心存疑虑,供电100度以上真的会有问题吗?我觉得我在这里做个科普吧,希望能给大家解惑,因为有些事情想想还真是挺好笑。


以上是PCEVA评测中微星GTX 970 GAMING满载时候的热成像仪测试,可以看到显卡供电部分达到了107度。

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number1984  楼主| 发表于 2014-11-26 16:50 | 显示全部楼层
首先说说热成像仪是个什么东西。

热成像仪,又叫红外热像仪,简单来说就是一个可以感应物体表面热辐射的照相机。物体表面只要不是绝对零度就会有热辐射,不同的温度热辐射程度不一样,也就呈现不同颜色。具体细节百度百科已经讲得很清楚了,自行参考:http://baike.baidu.com/view/1149033.htm

好的热成像仪设备非常昂贵,价格都在几千甚至上万元人民币,基本都是面向有专业需求的客户,所以一般用户很难有机会做这样的测试。用热成像仪来测试电脑主板显卡的发热,基本上就是利用电子设备表面的热辐射成像,再根据热成像仪内部的程序来反算出温度,优点是可以一目了然地知道电脑发热最大的地方在哪里,并知道它的温度值,缺点就是照相机不能照到藏在角落或者被遮挡的部位。虽然这样的测试不能算是很严谨,但是也比一般的温度探头要更准确反映发热点的位置,而且温度值的精度也不比温度探头差。

PCEVA测试里用的热成像仪是美国FLIR品牌的,是专业的工业热成像设备供应商,所以设备本身质量应该没有问题,测试结果的可信度应该是很高的。我大概搜索了一下这个牌子的设备价格,基本都是几千甚至过万元的。



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number1984  楼主| 发表于 2014-11-26 16:51 | 显示全部楼层
大致了解了热成像仪的基本情况之后,我想再来说说主板和显卡的供电为什么会那么热。这个发热的问题其实说简单也简单,说复杂也复杂。往简单来说,供电系统是把电源给的12V电压转变成CPUGPU核心所需要的电压值,其实就是个变压器,变压器会发热大家知道吧?供电变压转换是一定会有损耗的,损耗的部分基本就是在发热。
往复杂了说那就大单了。电流通过电阻会发热,大家初中物理都学过的。现在的电脑主板和显卡一般都是使用开关供电,开关供电的元件基本上就是大家喜闻乐见的电容、电感、MOSFET这些,这些东西都是有内阻的,另外PCB也有电阻,所以电流通过它们都会发热,供电系统转换率不可能达到100%。我认为供电的用料好坏,不仅是看相数的多少,还得看这些元件的内阻,这直接关系到电流通过它的发热量,进而直接关系到元件的寿命——降低工作温度是延长工作寿命的最直接方式。当然了,除了元件内阻之外,还有PCB的走线,PWM芯片的调教,具体供电方案的设计等,这些只有设计电脑硬件的厂家知道,我们是无法看见的,所以无法从这些方面评估。
另外一个问题就是就是现在CPUGPU晶体管数目一直在增加,功耗越来越大,另外制程在提升,电压越来越低,所以这两个因素就致使电流呈二次放大,这就是为什么现在的显卡堆料越来越多的原因,堆得多了才能满足供电需求啊。那些相数少的,每相供电就要负载更大的电流,我们知道P=I平方*R,所以在元件内阻一定时,电流越大,热量就呈现平方式增加,同样道理元件内阻越大的,热量也会随着内阻的增加而增加。当然,实际上不管什么元件温度越高内阻都会加大,所以平方之后还要火上添一把油。
假设200WGPU,供电转换效率是90%,那么供电系统大约就要损耗20W,实际上90%已经是最好的情况,很多供电系统都达不到这么高的转换效率,一般有80%多就不错了。
听起来是不是很恐怖?别紧张,下一个问题是:热功率大一定等于温度高?我告诉你,才不是这样的。
放大镜都玩过吧?用放大镜把太阳光聚在一点,能把纸烧穿,但当你移动放大镜,光线没有聚在一点的时候,就什么事也没有。只要你的放大镜对着太阳的角度一样,通过放大镜的阳光和热能就一样,但是这些热能汇聚在一点上的时候,可以产生更高的温度——这就是发热密度的问题。
如果你没玩过放大镜也没关系,我再举个例子。白炽灯见过吧?为什么白炽灯40W的功率能把钨丝烧热到2000多度,但是电磁炉2000W的功率也只能把锅里的油烧到300度而已?除了效率问题之外,恐怕剩下的就是发热密度的问题了。
对于电脑硬件来讲,集成度越高,同样的发热量反映出来的温度也就越高,所以几十瓦的CPU必须要安装风扇,否则温度瞬间就爆表,而供电损耗几十瓦罩一个散热片就可以应付。板卡的供电系统一般发热最大的地方是MOSFET,但是MOSFETPCB上一般都是排列成一条直线,长度大概有几厘米,宽度也有一两厘米,所以发热密度并不算很大,一般只要有散热片,再加上显卡风扇送风,温度是可以轻松应付的。

number1984  楼主| 发表于 2014-11-26 16:53 | 显示全部楼层
本帖最后由 number1984 于 2014-11-26 16:54 编辑

好了,基本概念都已经科普完毕,下面回到微星这张GTX 970 GAMING的问题上面来。这是显卡PCB背面图:



这是刚才开篇发过的热成像仪测试截图:


通过两张图的比对,乍看之下,最热部分出现在电感和电容引脚之间,跟刚才说的MOSFET最热不对呀?其实我告诉你,事实不是这样的。

热成像仪有两个摄像头,一个是可见光的,一个是红外的,这两个摄像头不在同一位置,而是有点偏差,比如一上一下这样。我随便网上找个图来说明吧。


这货就是典型的手持式热成像仪,有两个摄像头。其中300万像素的CMOS摄像模组就是可见光的,而下边的大圆圈是红外镜头部分,再下边的是激光定位,基本上就是起到个指示作用。

这种设备有个bug,拍摄距离越近,由于可见光和红外的摄像头不在同一个位置,所以拍出来的图像也会有所错位。那么现在回到PCEVA那张热成像图,看到红外成像部分里最热处右上方那一排颜色稍为暗一些的点吗?那些实际上就是红外图上电容电感引脚的位置,和可见光图是有错位的。


所以红外图上的实际最热点是出现在电感引脚下方,也就是MOSFET部位,和我们之前说的是相符的。

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number1984  楼主| 发表于 2014-11-26 16:57 | 显示全部楼层
那么下一个问题,107度是否热尿了,到底算是什么水平?

其实这个问题最简单,但却也是最多人纠结的地方,所以我觉得很好笑,很多人以为自己受不了的温度电脑也受不了,烧开水的温度电子元件也要被熔了,确实搞笑。MOSFET的耐温值上限在它们的白皮书里都可以查,一般来说,MOSFET的耐温上限都是120度以上,比较好的可以到150度。微星GTX 970 GAMING用的MOSFET是台湾大中公司的产品,白皮书网上都能找到:http://www.sinopowersemi.com/RE_UPLOAD_FILE/20130808182117430.pdf

这是一种上下桥封装在一起的MOSFET,算是集成度较高的,所以根据上边发热密度的说法,同样的热功率下会比较热。不过好在从白皮书里查到这货的最大耐温值是150度。


107度距离150度还有蛮远的距离,所以是完全没有问题的,安全得很。另外说一下,显卡供电80到100多度都是很普遍的现象,不要认为这温度你的皮肤受不了,显卡也就受不了。微星的问题是显卡风扇转速低供电温度就高,这点他们工程师不可能不清楚,但是他们能用这么低的风扇转速就把温度控制在安全范围内,而且那么长时间以来他们一直敢这样做,充分说明了他们对这个温度心里是有底的。所以么,你认为风扇噪音40分贝和50分贝没区别,人家还认为供电80度和100度没区别呢,微星做还是照做,那些自以为聪明的人骂还是照骂,爱买不买。

下个问题:MOSFET最热处107度等同于整个供电107度?

这显然是扯蛋,有些话传着传着就变味了,PCEVA评测里写的是“供电部位最高达到107度”,传到某些人嘴里就变成了“微星这个卡供电107度”了,对此我只能表示呵呵。从上边的红外成像仪图也已经看出来了,107度是极值,周边分布的部分从红外图里看也就80-90度的样子。

下一个问题纠结的人也很多:107度会不会影响寿命?

还在想这类问题的人最逗逼,任何电子硬件只要通电都会影响寿命,不影响寿命的方法就是关机不要用电脑,整天纠结这种问题折的是你自己的寿命,你的命重要还是你的显卡的命重要?

逗逼光喷他们还不服,还要跟他们讲道理,所以我还是谈谈寿命问题。供电部位要考虑寿命问题的地方基本上就三个因素,一是MOSFET过热烧毁,刚才已经说了,不超过120度都不用担心。二是温度过高导致PCB氧化或者脱焊,我可以负责任的告诉你,无铅PCB开焊的温度200度以上,熔点是270度,100来度离这些都差得还很远。最后一个因素是电容寿命,你要来跟我说电容寿命105度5000小时的问题?那是厂家标的寿命值,是个非常保守的数字,规定出厂的产品不得少于这个数否则就是不合格产品,实际上在105度的工作寿命会比这个数值更高,具体有多高,每个电容都不一样,也许有的5001小时就挂,有的5万小时,请不要纠结这个无解的问题。所以想知道自己电容啥时候挂的人,就跟想知道自己能活多少岁一样逗逼。但有一个你不得不承认的客观事实是,现在的电脑硬件供电部位基本都用固态电容了,这么多年来,哪怕是台系甚至国产的固态电容,出事的也很少,何况是品质比较好的日系电容,基本就没见出事过。所以拿电容寿命说事,甚至说什么用台系电容就缩水的,站一边去吧。

由上一个问题引申出来的问题:现在没事不代表用几年以后没事啊?

以后有没有事这种事情还真说不准,但是我觉得道理同上,不要去想这些无解的问题。但是我们得承认一个客观事实,微星使用TF4散热器一年多,虽然天天有人骂转速低温度高,甚至还经历了挖矿热,但真正供电因为过热MOSFET烧毁的还真没几个,现在TF5看情况核心温度比TF4控制还更好。反而是那些所谓的老牌核心AIB厂商,因为挖矿风波返修率居高不下啊。

好了最后一个问题是,供电热会不会带热整个机箱?

这其实是个好问题,但是道理我已经在之前说过了,还是发热密度的问题。但这里看待发热密度问题的角度就不一样了,首先机箱本身不发热,机箱内部空气温度升高,来自于各硬件散发出来的热量。机箱内部装着这么多硬件,这些东西都在发热,主板显卡供电只是其中一部分。由于机箱内部空间比起电子元件而言要大得多,所以机箱内环境发热与否取决于你整个平台各部分总的发热功率之和。打个比方,你的4770K烧机热尿了,但是散热器还是温温凉凉的,吹出来的风还是冷的,就是因为CPU核心发热密度很大,但是散出来因为空间变大许多,发热密度迅速降低,温度也就变低了。所以显卡虽然是机箱内第一大热源,但供电部分相对GPU来讲贡献的功率还是比较少的,所以做好GPU散热才是首要因素。

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number1984  楼主| 发表于 2014-11-26 16:58 | 显示全部楼层
其实供电发热问题这种事情我觉得很容易想通,有些显卡,比如公版涡轮扇,供电温度一定很低,因为这是用噪音加大风量换来的,那样的噪音一般人受不了吧,打游戏的时候你愿意听噪音吗?而微星现在这代散热设计是注重静音,供电温度虽然高一点,但他们认为没问题,而且还可以控制噪音,何乐而不为?退一万步说,就算若干年后显卡真的因为温度过高出事了,你宁愿是GPU热死,还是宁愿一个供电元件热死呢,哪个维修成本高,想想都知道。

最后看看权威机构Hardware.fr统计的2014年上半年显卡返修率排行吧,我就不说啥了。

- MSI 2.25% (against 2.10%)
- Gainward 2.67% (against 1.97%)
- Gigabyte 2.98% (against 3.64%)
- ASUS 3.00% (against 1.92%)
- Zotac 3.09% (against 1.61%)
- Sapphire 4.04% (against 2.80%)
- HIS 5.09% (N / A)

公认比较热且经历挖矿热时代,返修率较高的R9 280X排行:
Radeon R9 280X
- 13.85% HIS IceQ X² iPower R9 280X Boost Clock
- 11.97% ASUS Radeon 280X R9-R9280X DC2T-3GD5
- 11.31% Sapphire Radeon R9 280X Dual-X OC UEFI
- 9.35% Gigabyte GV-280X Radeon R9 R928XOC-3GD-GA
- 8.20% HIS IceQ X² iPower R9 280X Turbo Boost Clock
- 7.79% MSI R9 280X Gaming
- 7.78% Gigabyte GV-280X Radeon R9 R928XOC-3GD
- 5.68% R9 Sapphire Radeon 280X Dual-X OC
- 4.80% Sapphire Radeon R9 280X Vapor-X OC
- 4.35% R9 Sapphire Radeon 280X Tri-X OC

s0923539218 发表于 2014-11-26 17:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 s0923539218 于 2014-11-26 17:27 编辑

熱力學我不懂,紅外熱成像的量測機制如果待測物上面有不同材質對於絕對溫度的判斷或許也不是這麼準確

就論個低轉速帶來的好處

上個影片

http://www.computerbase.de/video ... tx-980-lautstaerke/
xuchao0719 发表于 2014-11-26 18:08 | 显示全部楼层
本帖最后由 xuchao0719 于 2014-11-26 18:14 编辑

- 13.85% HIS IceQ X² iPower R9 280X Boost Clock
- 11.97% ASUS Radeon 280X R9-R9280X DC2T-3GD5
- 11.31% Sapphire Radeon R9 280X Dual-X OC UEFI
- 9.35% Gigabyte GV-280X Radeon R9 R928XOC-3GD-GA
- 8.20% HIS IceQ X² iPower R9 280X Turbo Boost Clock
- 7.79% MSI R9 280X Gaming
- 7.78% Gigabyte GV-280X Radeon R9 R928XOC-3GD
- 5.68% R9 Sapphire Radeon 280X Dual-X OC
- 4.80% Sapphire Radeon R9 280X Vapor-X OC
- 4.35% R9 Sapphire Radeon 280X Tri-X OC

这个表说服力基本为0 HIS就不做N卡第一名不正常吗?
自用过几块微星的第一版本7850 7950 都TM返修了。现在用的两块HIS7950一直超到1100 在用一点问题没有 给解释解释。

虽然楼主一直在为微星洗白白,但是为什么微星970卖的最便宜,自然是用料最差的,只要京东买自然保修就没啥问题。
number1984  楼主| 发表于 2014-11-26 18:17 | 显示全部楼层
xuchao0719 发表于 2014-11-26 18:08
- 13.85% HIS IceQ X² iPower R9 280X Boost Clock
- 11.97% ASUS Radeon 280X R9-R9280X DC2T-3GD5
- 11 ...

没打算给谁洗白,本来就没有问题的东西为啥要洗?
概率问题你碰上了算你倒霉呗,有啥可解释的。
微星970刚上来2999的时候都喊贵,现在2399了你又说用料自然是最差的,单凭价格就能判断用料?你这逻辑也太神了

xsjyy1234 发表于 2014-11-27 08:54 | 显示全部楼层
number1984 发表于 2014-11-26 18:17
没打算给谁洗白,本来就没有问题的东西为啥要洗?
概率问题你碰上了算你倒霉呗,有啥可解释的。
微星970 ...

用过蓝宝7950.对供电温度就很敏感了。。蓝宝的7950 供电模也是传说中的耐高温150° 本来默认不超频玩游戏89度左右。。后面CCC里面拉了功耗限制核心弄到1100 跑3DM测试的时候供电上110度.. 想着耐高温150°呢 ..没管.后面玩了2小时单机 我记得是热血无赖。突然屏幕直接黑了。。然后重启到WIN7 那屏幕直接是暗红色 到桌面直接黑屏。我意识到显卡坏了。拆下来一看供电部分都黄了因为挨着显存近 ..把显存给烧了。。
number1984  楼主| 发表于 2014-11-27 09:58 | 显示全部楼层
xsjyy1234 发表于 2014-11-27 08:54
用过蓝宝7950.对供电温度就很敏感了。。蓝宝的7950 供电模也是传说中的耐高温150° 本来默认不超频玩游戏 ...

内存显存的耐热极限一般是85度
xuchao0719 发表于 2014-11-27 10:05 | 显示全部楼层
number1984 发表于 2014-11-26 18:17
没打算给谁洗白,本来就没有问题的东西为啥要洗?
概率问题你碰上了算你倒霉呗,有啥可解释的。
微星970 ...

现在黑东是2500~根本不便宜哎
xsjyy1234 发表于 2014-11-27 17:42 | 显示全部楼层
number1984 发表于 2014-11-27 09:58
内存显存的耐热极限一般是85度

所以说供电温度过就算供电能吃住. 但是PCB上其他元件可不一定能承受住.
微星科技 发表于 2014-11-27 18:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 微星科技 于 2014-11-27 18:25 编辑
xuchao0719 发表于 2014-11-26 18:08
- 13.85% HIS IceQ X² iPower R9 280X Boost Clock
- 11.97% ASUS Radeon 280X R9-R9280X DC2T-3GD5
- 11 ...

这个统计是针对280X的。7950 微星出品的规格很多,不知道您遇到故障的具体型号是什么?微星科技非常欢迎使用者多提意见,我们致力于提供给玩家最优秀的产品,但也希望使用者不要一概而论。您是想说280X用料最差还是7950或是970?我们可以继续深入讨论。
微星科技 发表于 2014-11-27 18:34 | 显示全部楼层
xsjyy1234 发表于 2014-11-27 17:42
所以说供电温度过就算供电能吃住. 但是PCB上其他元件可不一定能承受住.

微星科技在显卡设计方面经验深厚,之前推出的Hawk与Lightning系列都深受玩家喜爱。目前GAMING系列最重要的特质是静音,静音就意味着会有一定散热效能的降低,因此我们也采用了耐温值更高的高品质料件这一点在国外网站上均得到认可,获奖颇多。目前就我所知,GAMING系列并未有因散热导致的PCB或料件损害的RMA案例。当然,考虑到大陆的需求,我们也会推出特别优化强调散热的BIOS版本。非常感谢您的关注。
固特异轮胎 发表于 2014-11-29 15:30 | 显示全部楼层
s0923539218 发表于 2014-11-26 17:21
熱力學我不懂,紅外熱成像的量測機制如果待測物上面有不同材質對於絕對溫度的判斷或許也不是這麼準確

就論 ...

德语你都能看懂了?
CH12138 发表于 2014-11-29 15:59 | 显示全部楼层
xuchao0719 发表于 2014-11-26 18:08
- 13.85% HIS IceQ X² iPower R9 280X Boost Clock
- 11.97% ASUS Radeon 280X R9-R9280X DC2T-3GD5
- 11 ...

这个表全都是280X,跟不做N有毛关系
有点小烦 发表于 2014-11-29 16:16 | 显示全部楼层
微星科技 发表于 2014-11-27 18:34
微星科技在显卡设计方面经验深厚,之前推出的Hawk与Lightning系列都深受玩家喜爱。目前GAMING系列最重要的 ...

这么有自信,希望下代980ti闪电别再高调上市然后默默的站在第二梯队仰望classified或是kingpin了,否则真对不起自己高高在上的售价~


FlankerWang 发表于 2014-11-29 17:40 | 显示全部楼层
有点小烦 发表于 2014-11-29 16:16
这么有自信,希望下代980ti闪电别再高调上市然后默默的站在第二梯队仰望classified或是kingpin了,否则真 ...

说起来,最近花驰的Tse Mad倒是在跑分榜跟KP杠上了

不过之前的780Ti HOF H2O终究没上市,这次的980HOF什么时候会有国行呢
frontwing 发表于 2014-11-29 18:22 | 显示全部楼层
xuchao0719 发表于 2014-11-26 18:08
- 13.85% HIS IceQ X² iPower R9 280X Boost Clock
- 11.97% ASUS Radeon 280X R9-R9280X DC2T-3GD5
- 11 ...

http://bbs.pceva.com.cn/thread-102809-1-1.html
你先看完整个表……
hardware.fr是想说明常被作为矿卡用的卡(Tahiti系列)有较高的返修率,然后列举几种GPU返修率最高的都是什么卡,你列出的只是280X那一部分。
微星在这个统计周期内的返修率只是小幅上升,HIS则从之前的未上榜大幅上升到返修率第一名,而且他们上榜那几款都是斜体(销量在100-200个之间),就出现了那么高的返修率,如果销量基数放大到和微星一样,返修数是相当可观的。
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