多少相才夠吃？顯卡供電需求全面剖析

    泡泡網顯卡頻道12月27日 21相供電、22相供電，甚至是24相供電...天花亂墜的供電相數，讓人無所適從。相信大多數人見到、聽到這么夸張的供電相數時，頭腦中都會浮現出這些字眼：“那么夸張”、“用不用得上那么多”、“這塊主板/顯卡真的用得上那么多相嗎”……諸如此類的問題最近幾年越來越頻繁地困擾著我們的玩家。

    為了解決玩家這一疑惑，早前國外DIY媒體Tom’s Hardware曾與Intel高級工程師團隊的工程設計師Brian Forbes交流，圍繞著主板供電設計展開了訪談。

    其中有一段話翻譯過來是這樣的：現在，對于主板業界這是一個重大的挑戰，這使我們的消費者相信，更多的相數會相應地表現更好。當然，因為Intel的實驗室中沒有測量設備，這很難驗證更龐大的電壓校準電路與八相供電設計（哪個更好）。盡管如此，Brian重申，他的六相或八相供電設計能提供超過任何人使用主板時產生的電能需求，而且這是工作在一個對稱（平衡）的方式。而更龐大的電壓校準電路將趨向于破壞（這個）平衡，導致某些回路負載和升溫不均勻。

    看完上面這段話，可能大部分人還是不懂，那么就請隨小編我一起來走近供電設計的世界。

    首先，我們需要糾正一個誤區。那就是大部分人認為數字供電一定優于模擬供電。這是沒有根據的。因為目前所謂的數字供電，無非是控制電源的PWM芯片采用了數字式處理技術，用數字芯片來對整個模擬電路進行管理。顯卡供電的設計目的是為GPU正常工作提供可靠的供電支持，不管什么類型的PWM和電路設計，都是為了滿足這點的前提下而誕生的。

公版GTX260采用了數字供電設計

    上圖是曾經的一代經典——公版GTX260的供電設計，外觀上，與模擬供電唯一不同的只是右下角的那顆PWM控制芯片。其余的用料如全固態電容，全封閉電感等，都與模擬供電無異。

    由此不難看出：輸出電源的品質主要看兩個方面，第一，看開關頻率以及配套的電感電容電阻用料，這一點和PWM是否數字式沒有關系；第二，看補償。數字式PWM在補償方面的優勢就是調試的時候簡單得多，可以根據輸出波形，通過軟件寫入調整。而模擬的就需要不斷地根據波形去調整外圍補償的電阻電容網絡。只要在設計階段多下功夫，模擬的補償調整也可以相當優秀。

電子行業中，打樣后就是相當重要的后期電路補償調整

    玩過HIFI的人都知道，如果自己動手設計和制作功放，影響最后輸出品質的絕不僅僅是電路的某一部份或某一芯片，只有所有的用料品質都匹配、布線也合理了，才能得到理想的音質。例如當前高端MP3市場中的某款4000元價位的產品，它采用了：單顆價格高達15美元的航空級精度的溫補晶振和多顆絲綢電容。從水晶公司的優異解碼芯片，到日本alps專業定制機械推桿，照顧到了每一個細節，自然地成為一款擁有優秀音質的HIFI產品。

    優秀的整體用料是供電品質的保障

消費者要擦亮眼睛才能避免墮入商家陷阱

    因此，在面對商家大力宣傳其數字供電的時候，我們還需要看看顯卡的用料如何、布線如何等等與供電質量息息相關的部分。避免墮入商家精心設計好的陷阱。

    既然已經明白了供電用料的重要性，那么PWM就不重要了么？當然不是！首先讓我們了解一下什么是PWM。

什么是PWM

    PWM是“Pulse Width Modulation”的縮寫，直譯為脈沖寬度調制，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，它廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換等多個領域。對電路設計而言，就是取其“功率控制與變換”。

    PWM通過高分辨率計數器，把方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。“通”即直流供電被加到負載上的時候，而“斷”則是供電被斷開的時候。大部分負載情況(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調制頻率都高于10Hz，通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。對于大多數的顯卡，調制頻率為200KHz到500KHz之間。

目前在中高端卡中普遍使用的CHiL 8266 PWM芯片

    例如，公版GTX590中的單個核心5相供電就采用了上圖所示的CHiL8266解決方案，這顆PWM芯片最高支持6相數字供電，同時這顆芯片能夠預設多種運行模式，例如顯卡待機、滿載、視頻播放、3D計算等，同時根據核心負載率調整供電使用模組數，這樣設計的好處就是能夠有效根據不同應用提供不同功耗對應，做到節能的目的。CHiL8266芯片最大可支持200A電流和2V電壓，最高可提供400瓦功率輸出。

    看到這里，相信不少人已經能發現問題了。目前最大功耗的核心也不會超過400瓦，那么6相就已經足夠啦，為什么還有8相，12相甚至更多呢？請跟小編進入下一篇。

    要分析“多少相才夠”這個問題，我們先要了解設計多相供電的目的。

    每一相核心供電的輸出功率計算方法是：“輸出電壓”乘以“輸出電流”，這里的輸出電壓等于GPU的輸入電壓或者說工作電壓，現在大部分顯卡都支持至少2種工作狀態的電壓，分別是P0高載模式和P12待機模式，有的中間還有P8輕載模式主要用于高清解碼。顯卡通過實時改變核心電壓和工作頻率，能大大降低功耗。

經典的GTX460公版各種工作模式下的功耗

    而“輸出電流”，一般的計算方法則是GPU的輸入電流除以供電相數。那么理論上，相數越多，平攤到每一相的電流就會越小。以最近比較火熱的iGame?九段GTX560Ti為例（因為其采用了模塊化供電設計，方便下文分析供電設計），這款顯卡擁有2種供電模式：插上或拔下Turbo-Kit電力套件，對應核心供電分別為12相與8相。

可以隱約看到4顆電感的Turbo-Kit空力套件

    相信不少人在看到這種設計時，心中都有個疑問：直接把12相全做在一張卡上不就完了，費這功夫？但事實是：正如文章開篇翻譯自Intel高級工程設計師Brian Forbes所說的那樣，過于龐大的供電相數，會導致“某些回路負載和升溫不均勻”。

    為什么會這樣呢？這也回到前文關于模擬/數字供電差異的描述，實際上，在前文，大家已經可以看到即便是數字供電，因為仍然采用了電容、電感等，都會存在一定的容抗、感抗。如果為每一相供電賦予一個“等效電阻”，單相中串聯的元器件越多，這個“電阻”的阻值就越大，發熱也就越大，隨之帶來的就是電源整體轉換效率的下降。

iGame?九段560Ti的供電設計理念示意圖

    iGame?九段顯卡的精妙之處，就是為處于900MHz核心提供8相供電；而在1010MHz時，提供了12相供電。因為對于大部分PWM芯片而言，供電的轉換效率最高峰是出現在輸出電流為20-30A的某一個值附近，而非出現在輸出電流最大值或低于20A的部分。因此，這款顯卡的工程師可能出于供電轉換效率最大化，也就是無用發熱最小化的考慮，選擇了8/12相的供電設計。

    那么，對于iGame?九段GTX560Ti這款顯卡的PWM芯片和外圍電路的用料設計而言，8相和12相就是其最適合的供電相數。

    空口無憑，小編特地聯系到了iGame研究所的工程師，要到了iGame?九段GTX560Ti的實測功耗數據。如下面的圖表所示。

iGame研究所給出的測試數據

    可以看出，iGame研究所是在恒溫45℃環境下進行的此項測試，模擬了大部分玩家夏天機箱中顯卡的環境溫度，而且據介紹，iGame研究所能夠測出單獨一路的實時輸入電流，且圖中的數據都已取了最大值。因此，測試數據相當可靠且真實。

    以GTX560Ti的工作電壓約1伏粗略計算，當核心工作在1010MHz時，PWM需要控制高達270A的電流，也就是平均每相供電承擔約22.5A；同樣的計算方法，在900MHz時，223A的電流平攤后，每相承擔27A左右電流。因此不難估算出，這款顯卡的PWM芯片uP6208AM轉換效率的最大值是在25A附近，符合前文的說法。

供電轉換效率 -- 輸出電流示意圖

    換個角度，如果統一采用8相供電，那么1010MHz時，每相供電的輸出電流就接近34A，而如果固定為12相，900MHz時平攤的電流又會變成18.6A。無論哪種都會造成電能的無謂浪費。

    由此可見，為了實現iGame定制大賽中三檔頻率切換的玩家定制想法，iGame的工程師團隊考慮相當周全。他們并沒有盲目跟風地去堆造16相甚至更多的相數，而是非常理性地根據實際需要，提供GPU最適合的供電相數，并以模塊化的Turbo-Kit形式呈現至玩家手中，讓玩家無論在哪種頻率下，都能做到供電轉換效率的最優化，同時為環保做貢獻。

Turbo-Kit擁有省電的特點

    看到這，也許有人說：你還是沒有解答“多少相才夠”的問題啊。那小編我給出的答案是：因應不同顯卡采用的PWM芯片、單相供電的用料設計和設計出廠頻率，其非常好的的供電相數都不同，一般情況下，PWM芯片的非常好的轉換效率點出現在最大單相電流值的65%-80%之間。當知道了GPU的功耗和工作電壓后，就能算出實際單相承擔電流的大小。這個值大于PWM芯片的非常好的轉換效率點，供電部分的發熱就會比較大，顯卡也因此穩定性降低；而低于那個點，則會產生無謂的電能浪費，多余的堆料既提升了玩家的直接購買價格，又很不環保地耗費玩家的電能。

網友收集到的主流顯卡功耗信息，僅供參考

    正所謂，授人以魚不如授之以漁，通過本篇文章，小編已經把方法介紹給大家了。因此，下次挑選顯卡時，各位玩家對于什么樣的GPU需要挑選多少相的供電應該就了然于心了。■<