臺式機功耗測試：我們到底需要多少瓦？
2009-06-23 11:44:29
作者：薛乾 編輯：Zzyq[
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收藏文章註：本文編譯自Xbitlabs網站，原文連結在此。
如何為電腦系統選配合適的電源是一個永恆的話題，特別是當配置太過高檔，而機箱自帶的300--400瓦電源無法應付的時候。當然啦，你也可以簡單一些，直接去買一個1000瓦級別的電源就好啦，不過這麼做可能會很浪費。很多時候我們無法搞清楚一臺電腦中各個部件到底消耗了多少瓦電力，這是因為：顯卡和CPU廠商為了保險起見，總是誇大產品的實際功率需求；各種各樣的功耗計算器總是使用籠統的數據；很多計算機類媒體對於電腦實際功耗的測量非常匱乏。
當你打開一片硬體評測文章，翻到其功耗測試部分，你會發現功耗數據是通過牆上的220V市電插座測試出來的。這種測試非常容易，只要花不到50美元買一塊消費級的功率表就可以了，它可要比那些嚴謹認真的測試工具便宜多了。
通常情況下，這種功率表的準確性還是相當高的，特別是當負載為幾百瓦並且屬於非線性負載的時候（計算機電源，特別是沒有主動PFC的電源，就是一種非線性負載）。這種功率表中包含一個專用的微控制器，可以通過時間對電流電壓積分，從而計算出負載消耗的有功功率。
幾乎每一個計算機類媒體在測試功耗時，都會採用這種消費級的功率表。我們實驗室裡也有一個，但是並不用它來做嚴謹測試，只是在需要對某臺計算機的功耗作出快速估計的時候才會使用，因為它很方便，不需要做什麼準備工作。
消費級功率表所提供的測量結果與電腦的實際功耗並不完全相符，這是因為：
（一）電源自身的效率沒有考慮進去。比方說某個電源的轉換效率為80%，當負載實際消耗為500瓦時，這個電源將從220V市電中消耗500/0.8=625瓦。如果採用這種測量方式的話，將會得出625的結論，你可能會據此去選擇額定功率為650瓦的電源，而實際上550瓦的電源就夠用了。當然，你也可以把效率因素考慮進去，重新計算結果，但這要求你必須首先把電源詳細測試一遍，記錄它在不同負載下的效率值。這樣做顯然非常麻煩，而且測試結果也不夠準確。
（二）這種測量方式得到的是平均值而非最大值。現代的CPU和顯卡的功耗，能夠在極短的時間內發生極大的改變。採用這種測量方式的話，你將無法看到電流在極短時間內的變化（spike），因為這些極短時間內的變化（spike）都被電源裡面的電容器消除掉了。
（三）這種測量方式無法告訴我們負載是如何分布的，比如+5V，+12V，+3.3V的電流各是多大，這些信息非常有趣，同時又很重要。
（四）最後也是最重要的一點。這種測量方式無法告訴我們CPU消耗了多少瓦，而顯卡又消耗了多少瓦，你僅僅能得到一個所謂的「系統整體功耗」。
除了用消費級功率表來測量以外，還可以通過測量電源內部各路電流的大小來計算功耗。這種方式從技術上實現比較困難，但也不是完全不可能，比如技嘉的Odin GT電源就採用了這種設計，其內建了一個功率表。技嘉的Odin GT電源完全可以用來組建一個功耗測試平臺，事實上這是一個蠻不錯的方案，我們之所以沒有選擇它，是因為我們想要組建一個更加普遍和靈活的測試平臺。
最簡單的方法，就是通過在電源的各路電纜中串入分流器（一種阻值很小的電阻器）來測量電流大小，但是這種想法馬上就被拋棄了。因為大電流級別的分流器不僅個頭相當大，而且其壓降為幾十毫伏，這對於電源裡的+3.3V這一路來說確實大了點。值得慶幸的是，Allegro微系統公司生產了非常優秀的基於霍爾效應的線性電流傳感器，這種傳感器能夠將其傳導通路中電流產生的磁場轉化為輸出電壓，同時具有以下優點：
*當測試電流通過其傳導通路時，傳導通路的內阻不超過1.2毫歐。這樣的話，即使測試電流高達30安培，壓降也只有36毫伏。
*該傳感器具有線性特徵，輸出電壓與測試電流成正比關係，這樣就不必涉及到複雜的算法。
*該傳感器的傳導通路和感應部分是電氣絕緣的，因此它們可以用來測量不同電壓迴路中的電流，無需同步。
*該傳感器採用緊湊的SOIC8封裝，僅有5毫米大小。
*該傳感器可以直接與模數轉換器的輸入端相連，無需電壓等級匹配，也無需電流解耦。
我們選用了Allegro公司的30安培級別的電流傳感器ACS713-30T。由於它的輸出電壓和測試電流直接成正比，因此測量出輸出電壓以後，再乘以一個適當的係數，就可以知道電流的大小了。輸出電壓可以通過萬用表來測量，之所以沒有採用，是因為它很不方便，而且標準型的萬用表響應速度也不夠快。再有，為了同時測量各路電流，可能需要多個萬用表。這樣一來，整個測試過程將是一項繁重的體力勞動，顯然很不合適，因此我們決定自己製作一套完整的數據採集系統。
為了將傳感器的輸出電壓模擬信號轉變為數位訊號以便讀取，我們選用了Atmel公司的8-bit微控制器ATmega168。利用它的8通道10-bit模數轉換器，我們一共連接了8個電流傳感器。從圖中可以看到，除了ATmega168微控制器和8個ACS713傳感器以外，還有一個相對大一點的晶片FTDI FT232RL。它是一個USB接口控制器，測試過程中的數據就是通過它和記錄電腦的USB接口相連的。只要你願意，你甚至可以使用正在進行功耗測試的電腦來記錄它自身的功耗數據，並沒有任何使用上的限制。但假如你想從按下電源開關那一瞬間就開始記錄的話，這時就需要另一臺電腦來幫忙。
這塊採集卡小巧方便，大小約為80毫米x100毫米，正好可以安裝在一個電源上，而電源又可以放在一個標準的ATX機箱裡面。上圖照片為採集卡安裝在PC Power & Cooling公司的Turbo-Cool 1KW-SR 1000瓦電源上。
這個數據採集系統在使用前必須首先經過校準。方法是讓一個已知大小的電流流經每一個測試通道，然後該電流和ACS713傳感器輸出電壓之間的比例係數就可以被確定下來。由此產生的8個通道的比例係數都被存儲在ATmega168微控制器的ROM裡面，並且綁定到這張採集卡上。這張卡隨時可以重新校準，向ROM中寫入新的係數。
圖中橫坐標為時間（單位：0.1秒），縱坐標為電流（單位：安培）
我們為這張採集卡開發了一套專用程序，它能夠以實時模式獲取每個通道的測量數據。這套程序可以自動記錄各個通道電流的瞬時值、最大值、最小值、平均值，還可以自動計算出具有相同電壓的測試通道的電流總和，以及整臺電腦功耗的瞬時值、最大值、最小值、平均值。
順便說明一點：分別測量各路電流的最大功耗，再把它們加起來得到總的最大功耗，這樣做是不對的，因為各路峰值電流有可能是在不同時刻出現的。比如對於硬碟來說，在按下開機按鈕後5秒鐘主軸馬達啟動時，+12V達到3安培的峰值電流，而顯卡則在FurMark測試開始後其+12V才達到10安培的峰值電流。這是否意味著系統中+12V總的最大電流消耗就是13安培呢？顯然不是。因此這套程序採用的是計算系統每時每刻的瞬時功耗，然後再從中選出最大值，得到最大功耗。
在這套程序中，你可以為8個測試通道分別選擇不同的名字和顏色，所有的測量結果都以圖表的形式顯示出來，可以保存為圖片格式，也可以保存為文本格式。採樣頻率設定為每秒鐘10次，雖然採樣次數可以繼續增加，但是那樣做並沒有必要，因為數據量太大並且測量結果也沒有什麼變化。需要說明的是，這套系統並沒有去測試實際的電壓值，它在計算功率的時候，是通過假定+12V/+5V/+3.3V各路電壓都是理想的12.0V/5.0V/3.3V來完成的。在本次測試中，主板+12V和硬碟+12V所消耗的電流被放在一起。以後測試顯卡功耗的時候，我們會把主板上PCI Express顯卡插槽所消耗的電流單獨拿出來測量。
現在我們有了一個連接方便、使用簡單、用途廣泛並且足夠精確的功耗分析系統，既可以用來測試「系統整體功耗」，又可以用來分析某一具體部件的功耗。下面我們就來展示一下這套系統的威力，用它來測量5套不同配置的電腦，包括從低端的「辦公打字機」到頂級的「專用遊戲機」。
辦公電腦測試
CPU：英特爾奔騰雙核E2220（2.4GHz）
散熱器：極凍酷凌Igloo 5063 Silent（E）PP
機箱風扇：極凍酷凌SilentBlade II GT9225-HDLA1
主板：技嘉GA-73PVM-S2（GeForce7100集成顯卡）
內存：三星DDR2 800 1GB CL6
硬碟：日立Deskstar 7K1000.B HDT721016SLA380（160GB）
DVD刻錄機：索尼日電Optiarc AD-7201S
讀卡器：索尼MRW620
機箱：迎廣EMR-018（350W電源）
作業系統：32位Vista Home Premium SP1
這臺電腦在Windows啟動過程中顯然功耗很低，各路電流始終都沒有超過3安培。其中CPU的功耗波動非常有趣：按下電源按鈕後，頭20秒功耗較高，然後迅速下降，維持在很低的水平，僅在有操作時才提高12-15瓦。這說明ACPI驅動程序在開機後20秒左右載入，隨後就開啟了CPU的節電功能。
在3DMark06測試中，由於集成顯卡性能太弱，無法調動CPU全速運算，所以在大部分時間裡CPU都保持在低功耗狀態，只有+3.3V和+5V的功耗有一點小小的提升。
雖然FurMark號稱是最嚴酷的測試，但是集成顯卡能夠輕鬆對付它，當然指的是功耗方面。各個配件的功耗表現都相當穩定。CPU同樣沒有滿載，有趣的是，它在測試剛開始的瞬間功耗最高，後來降低了幾秒鐘，此後又略有升高。
在Prime95測試中，CPU終於達到滿載，其電流達到峰值3安培。
當FurMark和Prime95同時運行的時候，並沒有什麼變化。CPU處於滿載，而集成顯卡的功耗依然不高。
測試結果匯總
對於這臺辦公電腦來說，顯然任何一個電源都能滿足它的要求。即便是那種裝在mini-ITX機箱裡面的120瓦小電源都擁有雙倍的功率儲備。如果將65納米的E2220換為45納米的E5200，那麼系統整體功耗可能還會下降10瓦左右。
在睡眠模式（Suspend-to-RAM）下，這臺電腦的+5Vsb電流為0.5安培，電源的+5Vsb通常能提供2.5-3安培。
家用電腦測試
CPU：AMD Athlon 64 X2 5000+（2.60GHz）
散熱器：TITAN DC-K8M925B/R
機箱風扇：極凍酷凌SilentBlade II GT9225-HDLA1
主板：華碩M3A78（AMD770晶片組）
內存：三星DDR2 800 1GB x 2 CL6
硬碟：希捷酷魚7200.10 ST3250410AS（250GB）
顯卡：藍寶石Radeon HD 4650 512MB
DVD刻錄機：索尼日電Optiarc AD-7201S
機箱：迎廣EAR-003（400W電源）
作業系統：32位Vista Home Premium SP1
在Windows的啟動過程中，雖然Athlon 64 X2 5000+最大功耗超過50瓦，但是在節電技術開啟後，閒置功耗則不到10瓦。注意看那條藍色的曲線，它代表了主板和硬碟的電流變化情況。這條曲線出現下降的時候，其實就是顯卡的節電技術開啟的時候，因為這套配置中的Radeon4650顯卡的電力供應來自於主板上的PCI Express插槽。
在進行3DMark06測試的時候，顯卡和CPU的曲線將另外兩條曲線覆蓋住了，並且顯卡和CPU的功耗一直都在上下大幅波動，這是因為二者始終都沒有滿載。在某些時候顯卡等待CPU處理數據，而另一些時候CPU則在等待顯卡完成運算。順便提一下，如果採用以往那種「系統整體功耗」式的測量方法，我們根本不可能看到這樣的細節，只能得到一個平均值而已。
FurMark雖然能讓顯卡達到最大功耗，但是對於CPU卻無能為力，CPU電流大部分時間都維持在3安培。
在Prime95測試中，顯卡到一邊涼快去了，Athlon 64 X2 5000+開始發威，它的最大功耗超過了60瓦。
FurMark和Prime95同時運行時，所有配件都達到最大功耗，其中CPU是最費電的。
測試結果匯總
這臺家用電腦的最大功耗只有137瓦。
文件伺服器測試
這套配置是在前一套的基礎上加入了3塊威騰電子猛禽硬碟，組成RAID0陳列。雖然所採用的硬碟已經落伍，容量只有74GB，但由於這是功耗測試，而不是性能測試，所以仍然是合適的。
CPU：AMD Athlon 64 X2 5000+（2.60GHz）
散熱器：TITAN DC-K8M925B/R
機箱風扇：極凍酷凌SilentBlade II GT9225-HDLA1
主板：華碩M3A78（AMD770晶片組）
內存：三星DDR2 800 1GB x 2 CL6
硬碟：希捷酷魚7200.10 ST3250410AS（250GB）
威騰電子猛禽WD740GD 74GB x 3
顯卡：藍寶石Radeon HD 4650 512MB
DVD刻錄機：索尼日電Optiarc AD-7201S
機箱：迎廣EAR-003（400W電源）
作業系統：32位Vista Home Premium SP1
由於是文件伺服器，因此並沒有加入3DMark06、FurMark、Prime95等測試內容，而是採用了我們自己編寫的一個專用測試程序FC-Verify。這個程序可以通過兩個獨立的線程來創建和讀取特定文件，這樣就能保證在任何時候它都有一個讀線程和一個寫線程，這對於被測試的磁碟子系統來說是強度很大的負載。如圖所示，測試時在一個線程中設定了1000個256KB大小的文件，在另一個線程中則設定了100個10MB大小的文件。
首先來看一下僅有一個系統盤時候的啟動過程，此時3塊猛禽硬碟只連接了數據線，未連接電源線。從圖中可以看出，CPU節電技術和顯卡節電技術的開啟時間都大大地推後了，這是由於晶片組的RAID控制器在確認過程中耗費了較多的時間。
同樣是Windows啟動過程，這一次3塊猛禽硬碟組成的RAID0陣列處於通電狀態。從測試結果中很容易發現，在剛開機的時候，藍色曲線有一個高高的峰值，此時+12V CPU和+12V主板/硬碟的總電流超過了11安培，這是由於4塊硬碟同時啟動所造成的。
單一系統盤文件讀寫測試。顯然+5V這一路的電流最大，這很好理解，因為硬碟的控制電路以及南橋的磁碟控制器都依靠+5V供電。
系統盤加上3塊猛禽組成的RAID0陣列文件讀寫測試。此時+5V的負載達到了最大，而+12V的功耗卻相當低。
測試結果匯總
有點出乎意料，對於文件伺服器來說，高強度的讀寫操作並不是最費電的，事實上最大功耗出現在剛開機所有硬碟同時啟動的時候。因此，對於大型的磁碟陣列系統來說，最好能有一個智能的RAID控制器，可以在開機的時候一個接一個地啟動硬碟。對於這套由3塊硬碟組成的陣列系統來說，一個典型的300瓦電源就足夠了，它不但能夠保證系統輕鬆啟動，還擁有正常工作時所需的3倍功率儲備。
主流遊戲電腦測試
CPU：英特爾Core 2 Duo E8600（3.33GHz）
散熱器：極凍酷凌Igloo 5063 PWM（E）PP
主板：華碩P5Q（P45晶片組）
內存：金士頓ValueRAM DDR2 800 2GB x 2 CL6
硬碟：希捷酷魚7200.12 500GB
顯卡：藍寶石Radeon HD 4850 512MB
DVD刻錄機：索尼日電Optiarc AD-5200S
讀卡器：索尼MRW620
機箱：迎廣S627TAC（450W電源）
作業系統：32位Vista Home Premium SP1
Windows啟動：CPU和顯卡分別在開機後5秒鐘和12秒鐘進入節電狀態。E8600畢竟是目前最快的雙核處理器，所以機器啟動速度非常快。
3DMark06測試時，顯卡功耗變化很快，而且變化幅度也很大，+12V輔助供電接口的電流會迅速跌至4安培以下，然後又猛竄到7安培以上。從圖中可以看出CPU在大部分時間裡都處於閒置狀態，功耗並不高。
雖然FurMark測試對顯卡施加了很高的平均負載，但是卻沒有出現3DMark06測試中7安培的峰值電流，這一點很有趣。由於在此項測試中CPU負載明顯高於3DMark06，所以各路+12V電流總和大於3DMark06。
到了Prime95測試環節，顯卡終於可以歇一歇了，其輔助供電接口電流僅有1安培。CPU功耗雖然增大，但是始終也沒有超過50瓦，這個數字其實還包括了供電單元的消耗。
FurMark和Prime95同時運行時，系統功耗達到最大，你可以看到顯卡的功耗明顯大於CPU。+12V主板/硬碟這一路滿載電流為4安培，其中有很多都被Radeon4850顯卡通過PCI Express接口消耗掉了。
測試結果匯總
這臺遊戲電腦的最大功耗只有189瓦，一個300瓦的電源就已經多出了50%的功率儲備。對於這種配置的電腦來說，絕對沒有任何理由去購買超過400瓦的電源。
高端遊戲電腦測試一
CPU：英特爾Core i7-920（2.66GHz）
主板：技嘉GA-EX58-UD3R
內存：三星DDR3 1333 1GB x 3 CL9
硬碟：希捷酷魚7200.11 ST31000333AS（1TB）
顯卡：麗臺WinFast GTX 260 Extreme+ W02G0686 896MB
DVD刻錄機：索尼日電Optiarc AD-7201S
機箱：迎廣J614TA F430（550W電源）
作業系統：32位Vista Home Premium SP1
如果你在硬體論壇就以上這套配置向別人發帖詢問的話，很多人都會建議你至少購買750瓦的電源。下面我們就來看一看，它的最大功率到底有多少？
由於Core i7和GeForce GTX 260都有節電技術，所以Windows啟動過程沒有什麼特別之處。
3DMark06測試再次印證了一條真理：不論你的CPU有多牛B，隨便找一塊高端顯卡都可以在功耗方面把它打敗。
FurMark測試中，顯卡功耗以6到7秒為周期進行有規律地變化，這種現象不好解釋，可能是由於FurMark的特性所導致的。CPU顯然沒有滿載，其功耗幾乎維持在36瓦不變。
Prime95測試中，又輪到顯卡休息了，CPU功耗則從閒置狀態下的20瓦猛增到接近120瓦！看來英特爾的處理器在電源管理方面確實很優秀，真的應該好好表揚一下，同時希望未來32納米處理器的滿載功耗能夠降低一些。
在Prime95和FurMark同時運行時，Prime95最大程度地佔用了Core i7的8個線程，這使得Core i7過載了。Core i7雖然性能強勁，但是在以8線程開啟Prime95的情況下，並不能夠同時滿足來自於顯卡的運算需求。結果導致顯卡只能渲染一幀，等待一下，然後再渲染一幀，再等待一下，於是就出現了圖中所示的顯卡功耗急升急降。如果是採用消費級功率表測量整體功耗的話，則只能顯示出平均值，無法顯示出最大值。
測試結果匯總
這臺高端遊戲電腦的最大功耗其實只有371瓦，一個550瓦的電源就可以輕鬆滿足它的需要。另外，這臺電腦開機時+5Vsb電流只有0.1安培，是這幾套配置中最小的，但是S3模式（Suspend-to-RAM）下卻增大為0.7安培。
高端遊戲電腦測試二
這套配置是在前一套的基礎上將顯卡換成雙晶片的華碩ENGTX295（GeForce GTX295），這也是目前最頂級的遊戲配置了。
CPU：英特爾Core i7-920（2.66GHz）
主板：技嘉GA-EX58-UD3R
內存：三星DDR3 1333 1GB x 3 CL9
硬碟：希捷酷魚7200.11 ST31000333AS（1TB）
顯卡：華碩ENGTX295/2DI 1792MB
DVD刻錄機：索尼日電Optiarc AD-7201S
機箱：迎廣J614TA F430（550W電源）
作業系統：32位Vista Home Premium SP1
Windows啟動：開機後大約15秒左右，隨著ACPI驅動程序的載入，CPU節電技術順利開啟。而顯卡的情況則有一些不同：開機後大約30秒的時候，GTX295其中一個+12V輔助供電接口的電流下降，但與此同時+3.3V這一路的電流卻從5安培提高到6安培。由於前一套配置在啟動過程中並沒有出現這種現象，所以這一定是由於更換GTX295顯卡所導致的。在開機後40秒左右，顯卡的兩個+12V輔助供電接頭的電流都變大了，同時+12V主板/硬碟的功耗也增加了，增加的這部分只能歸結於PCI Express顯卡插槽電流增大。因此，對於GTX295這樣的雙晶片顯卡來說，你不能指望它在功耗方面能有單晶片顯卡那樣的表現，即便是在Windows桌面閒置的情況下。
3DMark06已經不能對現代的高端遊戲電腦施加足夠的壓力。雖然CPU和顯卡的功耗波動很劇烈，但是二者都沒有進入滿載狀態。
在FurMark測試中，顯卡的功耗曲線好看多了（滿載）。同時還可以發現，顯卡功耗在測試過程中緩慢上升，這是由於顯卡越來越熱所造成的。
Prime95使得CPU的功率激增了100瓦。從圖中還可以看出，CPU功耗曲線微微上翹，這同樣是由於溫度升高所導致的。因為對於半導體晶片來說，溫度越高，功耗就越大。
同時運行FurMark和Prime95時，情形與上一套配置類似：CPU已經過載，無法同時滿足來自顯卡的運算需求。
現在來對比一下，如果採用以往那種測量方式，將會得到什麼樣的結果？我們改為使用文章開頭提到的PM-300那種消費級的功率表來測試，它向我們報告功耗最大值為490瓦。如果電源轉換效率按照90%來計算，這意味著整套電腦最大功耗為441W。但是利用我們自己開發的這套工具，測試結果卻表明，實際最大功耗已經超過了500瓦。為什麼會有這麼大的差異呢？原因就在於，當系統功耗快速而又劇烈波動的時候，功率表報告的是平均值，而非最大值。
測試結果匯總
對於Core i7和GeForce GTX 295這種頂級配置來說，750瓦電源就已經綽綽有餘了，因為它多出了50%的功率儲備。請注意，503瓦的最大功耗數據是在極端重度負載的情況下達到的，現實中沒有哪一部遊戲作品能夠像FurMark + Prime95這樣殘酷地折磨電腦。也就是說，750瓦的電源實際上擁有更大的功率儲備。
最後奉上5套配置的最大負載（FurMark + Prime95）和典型負載（3DMark06）功率需求總結
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