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下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO

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每一年,显卡、CPU、主板芯片组都毫无意外的会“更新”一次,美其名曰“次时代”,所谓的“次时代”其实就是英文的Next Generation的直译,通俗来讲就是即将到来的一代。不过,2022年注定了有很多“不一样”,这其中一个看起来不太起眼的变化,将会影响未来几年的电脑升级换代——电源标准再一次更新,ATX 3.0呼之欲出了。加上之前Intel公布的ATX 12VO电源标准,这个时代似乎出现了两种标准规格,而且都是出自同一个企业,是不是感到有些许奇怪?今天我们不妨来探究一下,ATX 3.0和ATX 12VO的那些事吧。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第1张

ATX诞生17年了!

ATX电源标准是在AT标准基础之上诞生的。1984年,IBM推出了AT标准,经过十年的发展,它的供电设计不足以满足电脑设备的需求,于是在1995年,Intel制定推出了ATX标准。所谓ATX,全称是Advanced Technology Extended,这个标准准确的说是一个涵盖主板、机箱尺寸的规范,并且包括电源标准。

注意,这里我们说的ATX是ATX电源标准,并非主板的板型规格,也不是电源形态。诸如ATX、SFX/SFX-L以及Flex ATX都是电源的规格形态,并非电源标准,它们都是依托于ATX标准而生的,不可混为一谈。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第2张
下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第3张

相比之前的AT标准电源,ATX电源增加了+3.3V、PS-On和+5VSB,+5VSB,用以支持更多的设备连接。注意,这个时候的ATX其实和我们今天使用的ATX规格电源并不太一样,例如我们今天习以为常的CPU辅助供电、显卡供电以及SATA电源接口,在最初的ATX标准上是没有的。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第4张

当然了,它的基本结构和我们今天的ATX电源还是基本一致的。例如20Pin主供电接口负责为主板供电(后增强至24Pin),其次是4pin D型接口,它是从AT电源标准延袭而来,提供+12V和+5V电源,为IDE设备、光驱和5.25英寸磁盘驱动器设备供电使用,现在最大的作用是为风扇或其他设备转接供电使用。另外早起的小4P电源已经消失不见,它提供+12V和+5V供电,负责为3.5英寸的磁盘驱动器供电使用。除此之外,最早的ATX电源标准还有一个附加的6Pin AUX接口,提供额外的额外的+5V和3.3V电源供电,不过日常应用很少罢了。

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ATX除了接口供电形式的变化,其实本质上的改进并不算多,尤其是供电效率上。而且,随着电脑各部件设备的功耗峰值越来越高,ATX电源时候作出改变了——24Pin的主供电接口中,只有2个端子提供12V供电电压,按照最高承受12A电流计算,24Pin的ATX供电接口最高也就只能提供12V 144W的功率,这根本不足以应对CPU的峰值功耗(PL2瞬态功率),这也是为什么CPU要被设计一个辅助供电接口,所谓“缝缝补补又三年”就是如此。从ATX 1.0至今ATX历经16个版本的标准更新,到ATX 2.52标准后,Intel在2019年推出了全新的一个ATX 12VO规范,正式开启了新的供电篇章。

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ATX 12VO 为紧凑型电脑而生

ATX 12VO标准实际还是依托在ATX标准之上的,但是它的外形变化极大:主供电接口由24Pin改为10Pin,并且这个10Pin接口只有12V供电。对,没错,诸如3V、5V、5VSB、-5V统统取消,并且,除辅助供电外,其他外部设备供电接口全部取消(如SATA电源接口)!

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第9张

不仅如此,它的待机电压从5V改成12V,现有主板上的待机电压,主要是应用在EC芯片(使用3.3V待机),PCH芯片(使用1.8V,1.05V待机),PS/2的键盘鼠标(使用5V待机)以及PCIE通道(使用3.3V待机)上,简言之不同部分之间使用不同电压供电待机,对电源的转换有更高需求。

在ATX 12VO标准中,大一统的12V待机电压取代一切,让供电电路变得更加简洁。显而易见的第一个好处是电源设计更为简化,不用繁杂的转换电路,电源成本更低。这个标准可以说更像是笔记本电脑的电源供电设计思路:电源供电,主板负责电压转换,通过各个PWM电路分别控制产生。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第10张

例如,笔记本的适配器大多是输出19V~20V电压(注:使用Typec-C接口的笔记本电源是5V供电,通过与笔记本主板的电源管理芯片“协商”后升压到20V),适配器插入笔记本以后,会经过保护隔离电路进入公共点,然后再通过公共点送往各个PWM电路上管D极,给各个PWM电路提供主供电,由PWM电源管理芯片控制产生各路供电。

也许有人会说这样的设计属于转嫁成本,主板的设计难度和维修成本会提高。实际不然,笔记本电脑很久以前就已经使用这种统一电压供电的方式,因此维修的难度并不会增加(笔记本电路维修和台式机主板电路维修一直不是一回事);另一方面是成本转嫁问题,不要忘记,电源本身的价格会进一步降低,因此总拥有成本(电源+主板)并不会有什么变化。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第11张

当然了,除了10pin的主供电接口,Intel在ATX 12VO规范中还给主板设计了一个额外的6Pin供电接口,直接使用目前PCI-E供电接口规范,也就是三个12V输入端子,三个GND端子,它最高也能够提供288W的功率,联合10Pin就可以做到576W的供电输入。

使用ATX 12VO供电规范的电脑,体积必然会进一步缩小,外观的设计就会更加简洁。而且因为电源效率更高,它的供电节能特性将更为出色。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第12张

ATX 12VO更像是一个为轻量化桌面电脑设计的电源标准规范,但是,推广它的难度颇高。第一个问题在于“惯性”,从主板厂商到最终用户,彻底更换另一个模式成本颇高——新老标准下的各个部件互相之间无法平滑升级,只能全部更换;第二个问题在于ATX 12VO也不是针对ATX 2.4的替代品,因为,ATX 3.0来了,它才是ATX 2.4的真正后继者。AXT 12OV更像是一个补充市场需求(轻量化桌面电脑)。其实,早在Intel推出ATX 12VO电源标准之前,戴尔和联想都推出过以12V供电为基础的特殊电源规格用于自家的小型化电脑产品,只不过这仅限于联想、戴尔,并没有形成统一的电源规范。

ATX 3.0规格 升级再升级

当大家以为未来一定是ATX 12VO的时候,Intel又推出了ATX 3.0标准。ATX 3.0标准是在ATX 2.52标准之后的一个重大改进(ATX 12VO为另一个改进方向)。为什么有了ATX 12VO之后,Intel还要“返回头”再升级ATX电源标准呢?其实,这从ATX 3.0最大的改进之一就可以看出端倪——ATX 3.0电源标准的改进重点就在于PCI-E供电、即显卡供电上。它主要是为了满足PCI-E 5.0规范下的供电设计提出要求。

ATX 3.0规范主要的改进:

1、新增12VHPPWR供电接口,为满足PCI-E 5.0规范之显卡提供更为充沛的电力,供电功率可达150W、300W、450W、600W;

2、12VHPPWR接口的最大供电功率,必须在电源线接头上标注;

3、在ATX 3.0规范下,总电源功率超过450W(额度功率、非峰值功率),必须标配12VHPWR接口;

4、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;

5、ATX 3.0规范下,硬性要求电源开关必须满足年17.52万次切换无损坏;

6、ATX 3.0中规定10W或者2%最大标称功率下,效率不得低于60%,推荐不低于70%的电源效率;

7、峰值功率大幅度提升,规范要求在10%工作周期、100微秒时间内,电源需可承受200%的标称功率;

8、增加瞬间负载的电压转换速率,+12V电路要达到2倍~5倍;

9、12V电路最高实际可达12.2V,并允许更低的掉压波动;

10、放宽+12V电路负载调整率的限制,PCI-E为-8%到+5%,其他接口为-7%到+5%;

11、调整开机加电信号速度,加快响应和缩短系统唤醒时间;

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

13、电源标签须包括T1、T3时序;

14、80PLUS之外新增Cybenetics认证。

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ATX 3.0 显卡的好助手

显然,更强大的PCI-E供电能力是ATX 3.0规范的核心改进,这也是ATX 12VO不具备的能力。可以说,这两个电源规范开始走向了两个不同的发展方向,其中,ATX 3.0可以理解为“性能为先导”的电源规范,ATX 12OV则是以为更紧凑的电脑设计的。

近年来,显卡的性能越发强大,但是这一切是以更高功耗作为支撑换来的。PCI-E 4.0、PCI-E 5.0的重要改进除了增加带宽之外,就是提高功耗,这就需要配套的电源能够为PCI-E设备,或者说为显卡提供更高功率的供电能力。但是,在PCI-E标准组织制定规范的时候,对功耗有着严格的要求,基本可以理解为“不可越雷池一步”,也就是有“功耗上限”,没有峰值功率这件事。但是,显卡在设计的时候为了能够更强、再强一点,会采取“超额取电”的方式来提升性能。一方面PCI-E规范不支持“超额取电”,另一方面显卡又会“超额取电”,这个矛盾最终的体现就是在部分电脑的电源上,会因为“超额取电”触发电源的OCP过流保护机制(为防止这些开关稳压器由于过量电流而损坏),表现就是使用中突然断电。固然,这是电源对自身的一种保护机制,但是突然断电对电脑部件来说是极有杀伤力的事情,例如主板损毁、固态硬盘掉电后损坏等等。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第16张

到了PCI-E 5.0规范,供电的需求拓展到了450W、600W(之前最高300W),这就意味着其对电源的功率要求进一步提高,而且幅度相当之大,相应的,它也需要更大的峰值功率来应对——否则,之前只是“有可能”突然断电造成电脑硬件损坏,变成“极有可能”突然断电造成电脑硬件损坏。也正因如此,Intel在设计ATX 3.0电源标准的时候,对电源的额定功率及峰值功率都进行了改进,用来指导电源厂商如何应对PCI-E 5.0规格显卡的功率要求。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第17张

如同笔者罗列的ATX 3.0规范第7条中所述,在ATX 3.0设计指南中,Intel要求PCI-E设备在峰值功耗的持续时间不超过100微秒的时候,其峰值功率允许达到TDP的3倍,举例来说,一个显卡的TDP功耗为300W,在100微秒的时间内,新的ATX 3.0电源可以提供高达900W功率的(峰值)供电能力;如果峰值功率的持续时间超过1秒,那么它的峰值功耗就必须在TDP功率范围内,即300W;如果是介于1微秒至1秒之间,那么显卡可以获得的功率则与时长呈反比,持续的时间越长,允许的峰值功耗则越低。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第18张

可能有些读者会挠头,这让我以后如何选电源?以前不都是要看额度功率而不是峰值功率吗,难道现在要着重看电源的峰值功率作为选购的判断依据?当然不是,Intel基于ATX 3.0 规范的电源标准下,对电源搭配的推荐也提出了自己的建议:在对于TDP不超过300W的PCI-E设备(显卡),推荐搭配额定功率750W的电源;对于TDP不超过450W的PCI-E设备(显卡),推荐搭配额定功率1000W的电源;对于TDP不超过600W的PCI-E设备(显卡),搭配额定功率1200W的电源即可。所以,未来选购ATX 3.0电源的重点,依旧要以额定功率为主要参数指标。

CPU供电更有保障

ATX 3.0的核心要素就是增强供电能力,这不仅体现在对PCI-E设备的供电支持上,对于CPU的供电需求,ATX 3.0也作出了新的调整。在ATX 3.0中,CPU的功耗需求分为四个档位,分别是35W、65W、125W和165W。注意,在新一代CPU上,已经不是TDP(Thermal Design Power,热设计功耗)作为功耗参考,而是使用了更为贴切的PBP(Processor Base Power,处理器基础功耗),ATX 3.0对CPU功耗的设计也是参照PBP设计的。当然,像12代酷睿CPU除了PBP之外,还有一个MTP(Maximum Tubo Power,最大加速功耗)的功耗参考值。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第19张

小知识:

TDP:在高复杂度工作负载下,所有内核都处于活动状态时,以基础频率工作处理器的平均耗能功率(以瓦特为单位),并以此为散热器设计的重要参考。

PBP:PBP功耗为一个单位时间内的平均功耗,CPU在制造过程中被验证为不能超过此值,验证时处理器在数据表中的SKU部分和配置中规定的基频和结点温度下执行Intel指定的高复杂度工作负载。

MTP:MTP是指受电流或温度控制限制处理器的最大持续(>1s)功耗,瞬时功率可能在短时间内超过最大睿频功率(<=10ms)。注意:最大睿频功率由系统供应商配置,可以是特定于系统的。

ATX 3.0设计指南中,35W PBP功耗的CPU在+12V持续电流上,其硬性要求从13A降低到11A,但峰值电流需求从16A提升至19A;65W PBP功耗的CPU电源需要为+12V供电持续电流不得低于23A,峰值电流不低于30A;125W PBP功耗的CPU,电源为其提供的+12V供电持续电流需要在26A以上,峰值电流不低于34A;对于125W PBP的CPU,电源为其提供的+12V供电持续电流需要在26A以上,峰值电流不低于34A。注意,ATX 3.0电源规范对CPU的功耗设计冗余明显要宽泛许多,尤其是在峰值电流上,为CPU的MTP最大加速功耗提供了充沛的电力供应,这样便于释放CPU的最大性能;另一个特点在于,对于功耗较低的CPU,供电电流反而降低了——可以这样理解,现代CPU的功耗下限更低、但是绝对功耗可以更高,这样宽泛的供电对应着性能表现,即功耗性能比更大,并不是单纯的因为ATX 3.0供电设计规范或者说CPU功耗的绝对值提升导致耗电增加(仅针对CPU部分而言)。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第20张
下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第21张

ATX 3.0:可配置电源?

ATX 3.0在设计上采取了更宽泛的设计思路,而且进一步提升了峰值功耗的上限值,但是作为配合,电压偏离的要求反而放宽了许多。例如在之前的ATX标准中,+12V电压输出时偏离度的要求在±5以内。在ATX 3.0中,考虑到峰值功耗提升后往往会伴随瞬态电压的下降,为了避免给电源生产设计制造商带来过大的制造难度(或者说成本因素),在新规范中+12V的输出电压偏离度放宽到了最高不超过+5%,最低不低于-7%的范围,也就是说,+12V的电压输出范围在ATX 3.0中可以是11.16V至12.6V之间;PCI-E供电的+12V则允许最高不超过+5%,最低不低于-7%的范围,相当于11.04V至12.6V的范围内都可以。因此,与其说是“可配置电源”,到不如说ATX 3.0规范为降低部分电源设计难度提供了可能。

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第22张

Cybenetics认证是什么?

在ATX 3.0中,还有一个不太起眼的新特性——Cybenetics认证。Cybenetics认证和80 Plus电源认证并不是替代关系,其实是竞争关系。Cybenetics认证不仅要关注电源转换效率、PF值,同时还对电源待机功耗和+5VSB输出的转换效率,以及电源运行噪音提出了要求。可以说,Cybenetics的认证范围更宽泛,要求也比80 Plus更严格,但毕竟是新标准,能否大规模普及,甚至取代80 Plus认证还未可知,但总算迈出了重要的一步:无疑它是更全面的电源认证。

Cybenetics认证分为两个部分,分别为ETA级别认证和LAMBDA级别认证两种,前者代表电源的转换效率,后者则代表电源的噪音水平。

Cybenetics ETA认证标准:

ETA-A+:94%≤转换效率<97%,PF值0.985或以上,+5VSB转换效率>79%,待机功率<0.10W

ETA-A:91%≤转换效率<94%,PF值0.980或以上,+5VSB转换效率>77%,待机功率<0.15W

ETA-B:88%≤转换效率<91%,PF值0.970或以上,+5VSB转换效率>75%,待机功率<0.20W

ETA-C:85%≤转换效率<88%,PF值0.960或以上,+5VSB转换效率>73%,待机功率<0.23W

ETA-D:82%≤转换效率<85%,PF值0.950或以上,+5VSB转换效率>71%,待机功率<0.25W

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第23张

Cybenetics LAMBDA认证标准:

LAMBDA-A++:噪音<20分贝

LAMBDA-A+:20分贝≤噪音<25分贝

LAMBDA-A:25分贝≤噪音<30分贝

LAMBDA-B:30分贝≤噪音<35分贝

LAMBDA-C:35分贝≤噪音<40分贝

LAMBDA-D:40分贝≤噪音<45分贝

LAMBDA-E:45分贝≤噪音

下一代电源 ATX 3.0 vs ATX 12VO - 第24张

当然,无论是ATX 12VO还是ATX 3.0,两种电源规范都代表了电脑的不同发展方向,前者更注重小型化、高效能表现的电脑;后者则是更强大的供电设计思路,为高性能电脑而生。需要注意的是,这二者互不兼容(主板+电源各自形成一套体系),毕竟从接口就不同以往,更不用谈供电设计的核心思路都南辕北辙。

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