深入解析機(jī)箱最大容納功率

功耗和溫度，不可調(diào)和的矛盾
　　機(jī)箱內(nèi)的硬件總功耗越來越大，處理器和顯卡的功率幾年來一直呈迅速上升趨勢。當(dāng)然，其它配件的功率也在增加。趨勢上講，硬件的功率增加是不可避免的，因?yàn)槿藗冃枰幚砥髟谝欢ǖ臅r間內(nèi)做更多的事，而同等技術(shù)條件下，要提高處理信息的速度必須提供更多的能量。
　　所有功耗最終轉(zhuǎn)化為熱量，首先影響的就是溫度。計(jì)算機(jī)正常工作的溫度是有范圍的，機(jī)箱內(nèi)空氣溫度最高的位置在機(jī)箱的上部，即電源和CPU風(fēng)扇附近。CPU是機(jī)箱內(nèi)發(fā)熱之首，而CPU的耐熱也是有限的，如Intel的部分CPU在70℃后就會自動降頻保護(hù)，超過75℃就會對CPU造成損害。當(dāng)前市面上的風(fēng)扇熱阻大多在0.3～0.5℃/W之間，熱阻越小說明散熱效果越佳，熱阻為0.35℃/W的風(fēng)扇已經(jīng)算很好的風(fēng)扇了，當(dāng)然價錢也會非常貴。
環(huán)境溫度允許最高值=CPU溫度允許最高值-CPU功率×風(fēng)扇熱阻
　　以賽揚(yáng)D 2.53GHz為例，不超頻功率為73W，最高允許溫度為75℃以下，如果使用較好的風(fēng)扇，熱阻為0.35℃/W，則：
環(huán)境最高允許溫度=75℃-73W×0.35℃/W≈49.5℃
　　所以，如果機(jī)箱內(nèi)空氣最高溫度超過50℃，計(jì)算機(jī)將無法正常工作。
　　通常機(jī)箱內(nèi)最不耐熱的硬件為硬盤。例如，希捷7200.7系列工作溫度大多為0～60℃(200GB的為55℃)，酷魚三系列工作溫度均為0～55℃，西數(shù)BB系列工作溫度為5～55℃。硬盤和環(huán)境溫度必須保持一定的溫差，因此需要留有一定余量。工作在極限溫度下的硬盤，壽命會大幅縮短，穩(wěn)定性也會受到很大影響。即使環(huán)境溫度達(dá)到40℃，對硬盤來說工作條件都已經(jīng)非常惡劣了。
　　因此在電腦機(jī)箱當(dāng)中，通常設(shè)計(jì)是將CPU位置靠在出風(fēng)口附近，而硬盤安放在機(jī)箱底部入風(fēng)口附近。使未被加熱的空氣先流經(jīng)耐熱差的配件，最后經(jīng)過較耐熱的配件，也即所謂風(fēng)道設(shè)計(jì)。

　　硬件功率的增長，不可避免的帶來機(jī)箱內(nèi)環(huán)境溫度的升高?，F(xiàn)在引發(fā)的問題是：當(dāng)機(jī)箱內(nèi)溫度達(dá)到允許上限時，機(jī)箱內(nèi)硬件的允許功率是否也有上限？如果有，是多少？
電腦機(jī)箱能承受的功率
　　對于非封閉電腦機(jī)箱，散熱方式主要包括傳導(dǎo)、輻射和箱內(nèi)外空氣對流。前兩者散出的熱量遠(yuǎn)小于機(jī)箱內(nèi)外空氣對流，因此可忽略不計(jì)。所有硬件的發(fā)熱量大于排出空氣所吸收的熱量時，箱內(nèi)溫度升高；小于時，則溫度下降；通常在工作一段時間后，箱內(nèi)溫度會穩(wěn)定在某一數(shù)值，達(dá)到一種平衡狀態(tài)，此時：
　　所有硬件功耗W=機(jī)箱排出的空氣在機(jī)箱內(nèi)所吸收的熱量Q
而機(jī)箱排出的空氣所吸收的熱量Q可通過下式求得：

　　式中可以看到，某物質(zhì)能容納的熱量與該物質(zhì)的密度、體積、比熱容、以及吸熱前后的溫度差成正比。 對空氣來說，溫度和氣壓變化不大的情況下，密度和比熱變化很小，可近似視為常量。常壓下，50℃空氣密度ρ≈1.1千克/立方米。Cp為定壓比熱容，單位為J/(kg.oC) 焦/(千克·攝氏度)，其含義為氣體壓力保持不變，是單位質(zhì)量的氣體自由膨脹，溫度升高1oC所需的熱量。對于空氣，Cp=1005J/(kg.oC)。
　　在夏季氣溫比較高的情況下(通常達(dá)到30℃以上)依然能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)行是一臺電腦需要達(dá)到的基本要求。假設(shè)環(huán)境惡劣，溫度為30℃，機(jī)箱風(fēng)扇排出熱空氣溫度只有達(dá)到機(jī)箱內(nèi)最高允許溫度的時候，所帶走的熱量才達(dá)到最大值!
　　因此ΔT=Tmax-T ，其中Tmax為機(jī)箱最高允許溫度值，此處取50℃，T為室溫值30℃。
　　一般電源風(fēng)扇排風(fēng)量只有大約15CFM，好的能達(dá)到25CFM。風(fēng)量是每分鐘送出或吸入空氣的體積，按立方英尺來計(jì)算，單位是CFM。
　　1CFM(立方英尺/分鐘)≈0.0283m3/60s(立方米/秒)
根據(jù)公式，此時排風(fēng)量25CFM的機(jī)箱每分鐘(60s)排出空氣所吸收的最多熱量為：
　　Qmax= (25CFM*0.0283m3/CFM) *1.1kg/m3*1005 J/(kg.oC))*(50-30)℃
　　　　=15642.83J
　　溫度穩(wěn)定時，機(jī)箱排出的空氣所能吸收熱量的最大值等于機(jī)箱內(nèi)允許的硬件發(fā)熱量最大值， 即Qmax=Wmax=Pmax×t
焦耳=1瓦特·秒,可求出所有硬件總功率最大允許值：
　　Pmax=Qmax÷t=15642.83J/60s≈261W(瓦特)
　　這時候，我們就知道了當(dāng)選定了一款排風(fēng)量25CFM的機(jī)箱電源以后，在夏季30℃時，這款機(jī)箱所能承受的所有硬件總功率為261瓦特，超過此值后，機(jī)箱內(nèi)硬件將無法正常工作。
幾個通用的公式
　　以上只是特定機(jī)箱和特定溫度下的允許最大功率值，很具有局限性，下面就來探求一下適用于大多數(shù)機(jī)箱與日常溫度下允許功率值的計(jì)算方法。
（一）等溫公式
　結(jié)合E=CpρV(ΔT)=Q=W=P×t和ΔT=Tmax-T=50-T兩式可得：

　　因?yàn)镃p、ρ為近似常數(shù)，Tmax 取為50℃，環(huán)境溫度一定時，ΔT為固定值，所以Pmax僅和排風(fēng)量V/t成正比，而和其它因素?zé)o關(guān)。
　　根據(jù)公式，很容易得到室溫30℃時Pmax與排風(fēng)量之間的關(guān)系曲線圖：

　　A點(diǎn)意義為：機(jī)箱完全封閉時，機(jī)箱內(nèi)硬件必須全部斷電。否則機(jī)箱內(nèi)溫度會慢慢積累，最終超過硬件承受能力。 曲線和橫軸之間的任何一點(diǎn)均為機(jī)箱內(nèi)硬件可正常工作狀態(tài)點(diǎn);曲線上的點(diǎn)為極限工作狀態(tài)點(diǎn)，曲線不包括A點(diǎn);而曲線和縱軸之間任何的一點(diǎn)均為不可正常工作點(diǎn)，工作在這個區(qū)域的計(jì)算機(jī)必會因?yàn)闇囟葐栴}導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰甚至硬件損壞。

（二）等風(fēng)量公式
　　同樣，當(dāng)排風(fēng)量V/t一定時(即機(jī)箱電源不變時)，V/t ·Cp ρ為常數(shù)， 箱內(nèi)最高允許溫度也為常數(shù)，此處定為Tmax = 50℃，可以得到室溫T和最大允許總功率Pmax關(guān)系公式：

　　在排風(fēng)量一定時，CpρV/t 為常數(shù)，室溫T和最大允許功率Pmax成一次函數(shù)關(guān)系，取風(fēng)扇排風(fēng)量為25CFM時，可得到Pmax與室溫的關(guān)系曲線圖：

　A點(diǎn)意義為，當(dāng)環(huán)境溫度和機(jī)箱最高允許溫度相等時 ，機(jī)箱內(nèi)硬件必須全部斷電。否則，雖然機(jī)箱內(nèi)外空氣仍然有溫差，但機(jī)箱內(nèi)的空氣溫度已經(jīng)高于硬件承受能力了。
　　同樣，曲線和橫軸之間的任何一點(diǎn)均為機(jī)箱內(nèi)硬件可正常工作狀態(tài)點(diǎn);曲線上的點(diǎn)為極限工作狀態(tài)點(diǎn)，曲線不包括A點(diǎn);而曲線和縱軸之間任何的一點(diǎn)均為不可正常工作點(diǎn)，工作在這個區(qū)域的計(jì)算機(jī)必會因?yàn)闇囟葐栴}導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰甚至硬件損壞。
（三）等功率公式
　　當(dāng)最大允許功耗Pmax一定時(即為常數(shù))，可以得到公式；

　　分別以室溫(T)和排風(fēng)量(V/t)為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，可以得到等最大允許功耗圖。

　　在圖上可輕易查出任意室溫下，任一排風(fēng)量機(jī)箱中最大允許功耗。
　　曲線上端無限靠近T=50℃直線，說明當(dāng)環(huán)境溫度與最高允許溫度差距越來越小時，機(jī)箱必須通過加大排風(fēng)量才能保持Pmax不變。
　　曲線下端無限靠近V/t=0CFM直線，說明當(dāng)排風(fēng)量逐漸減小時，必須降低環(huán)境溫度才能保持Pmax不變。
　　從直線A可以看出，排風(fēng)量V/t一定時， 最大允許功率Pmax和機(jī)箱內(nèi)外溫度差ΔT成正比關(guān)系。
　　從直線B很容易看出，在溫度T一定時，最大允許功率Pmax和機(jī)箱排風(fēng)量V/t成正比關(guān)系。
　　以上三個公式應(yīng)用范圍很廣，不涉及到機(jī)箱的厚度、材料、質(zhì)量、體積、品牌等因素，因此大多數(shù)人可以從上面的幾個圖中找到自己機(jī)箱所在點(diǎn)，求得其最大允許功率值。
公式及推導(dǎo)過程的現(xiàn)實(shí)意義
　　公式本身的推導(dǎo)和計(jì)算也許是很枯燥乏味的，這些公式到底有什么現(xiàn)實(shí)的意義呢？我想這應(yīng)該是更多人關(guān)心和想了解的東西。
　　不少朋友會遇見剛裝好的機(jī)器卻頻繁死機(jī)的現(xiàn)象，在更換電源后故障排除。不僅僅是因?yàn)楹玫碾娫茨軌蛱峁┳銐虻墓β剩€有一部分原因是好的電源的排風(fēng)量足夠散出所提供功率消耗的熱量?，F(xiàn)有的大部分機(jī)箱是主要通過電源風(fēng)扇進(jìn)行散熱的，假如一款電源能夠提供400W的實(shí)在功率，而電源風(fēng)扇常溫下最多只能排出300W功率所消耗的熱量，那么這個電源的設(shè)計(jì)對于普通機(jī)箱就是不合理的。
　　對使用普通機(jī)箱的用戶來說，花了400W電源的錢，只用到了300W，后100W會造成系統(tǒng)溫度過高，是沒機(jī)會用到的。除非用戶自己動手進(jìn)行改造機(jī)箱或電源才能發(fā)揮出這款電源的威力。但這對很多連機(jī)箱都不敢拆拆的用戶來說就是勉為其難了。而知道了排風(fēng)量和最大功率的關(guān)系,我們就可以事先避免這種情況。
　夏天的天氣溫度升高，能否安然度過這個夏季，也可以通過計(jì)算了解大致情況，事先做好準(zhǔn)備。
　　通過這些公式我們還可以很容易找到解決功耗增長和機(jī)箱溫度增長所造成的矛盾的辦法，甚至于可以推論出未來機(jī)箱制造的發(fā)展方向。
　　根據(jù)計(jì)算機(jī)各配件總功率是增加的趨勢，可以預(yù)見未來可能出現(xiàn)的幾種解決辦案(完全不負(fù)責(zé)任之暢想)：
1、增加機(jī)箱的排風(fēng)量V/t將是簡單易行之法。
　　以后的電源風(fēng)扇可能會增加轉(zhuǎn)速，或者風(fēng)扇直徑。但噪音同樣是電源風(fēng)扇一個重要指標(biāo),人們對噪音的容忍是有限度的。受限于噪音和機(jī)箱體積，電源可能采用新技術(shù)風(fēng)扇，如外磁式等。或者以后多數(shù)機(jī)箱會配備一個或者以上個數(shù)的輔助散熱風(fēng)扇，來增大排風(fēng)量。

大口徑風(fēng)扇機(jī)箱

多個散熱風(fēng)扇的機(jī)箱
2、提高機(jī)箱內(nèi)硬件最高承受溫度值Tmax，來使ΔT增加，需要科技力量。
　　當(dāng)人們不能忍受過多機(jī)箱風(fēng)扇的噪音時，未來的硬件可能會逐漸提高最高溫度值，不耐熱產(chǎn)品將被淘汰。但是這是很有代價的，甚至可能需要硬件從根本上進(jìn)行變革。例如要使硬盤在60℃以上工作，在技術(shù)和成本上短期內(nèi)是不現(xiàn)實(shí)的。如果以后的硬盤改變存儲方式，不采用磁記錄或者精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，而是類似于內(nèi)存一樣采用硅芯片存儲，通過加散熱片或者風(fēng)扇，就可以提升最高允許溫度。代價就是必須投入大量研發(fā)成本，解決如去電后存儲信息丟失、超大容量設(shè)計(jì)等技術(shù)問題。
3、可減少機(jī)箱內(nèi)所有硬件總功率，從而對最高允許功率Pmax的要求減小?？梢愿淖冿L(fēng)道或利用特殊設(shè)備將熱量直接帶出機(jī)箱外部。
　　雖然CPU，顯卡，內(nèi)存等等幾乎所有硬件的功率都在上升，但是如果把CPU或顯卡等發(fā)熱大戶釋放的熱量直接排出機(jī)箱，將有效降低箱內(nèi)硬件總功率。這樣做實(shí)際上機(jī)箱設(shè)計(jì)不變，而是減少了對最大允許功率Pmax的要求，從而降低了對溫度和排風(fēng)量的要求。

直接將熱量排出機(jī)箱的顯卡

4、利用制冷裝置強(qiáng)制降低環(huán)境溫度T，來增加ΔT。
　　比如給房間安裝空調(diào),或者給機(jī)箱配備專門設(shè)備吹入低溫空氣?？芍^興師動眾,以消耗更多的能量(最終轉(zhuǎn)化為熱量)方式制冷來抑制計(jì)算機(jī)的熱量，這種做法相當(dāng)之不環(huán)保。 5、把不耐熱硬件(如硬盤)放置在和機(jī)箱內(nèi)空氣不進(jìn)行熱交換的空間里，或者直接安放在機(jī)箱之外。這樣做對總功率值影響不大，但有效提高了機(jī)箱內(nèi)硬件的最高允許溫度Tmax。以后甚至可能出現(xiàn)如下圖所示的機(jī)箱：

6、改變布局和風(fēng)道，讓需要環(huán)境溫度低的硬件安排在入風(fēng)口處，提高機(jī)箱內(nèi)允許溫度Tmax值。
　　Intel提出的BTX機(jī)箱，就是基于這樣一個思路設(shè)計(jì)，因?yàn)楝F(xiàn)在的intel的部分CPU溫度已經(jīng)超過100W，對環(huán)境溫度、主板供電、甚至插座形式都有了特殊要求，對機(jī)箱結(jié)構(gòu)的改變也更顯得迫不及待。BTX設(shè)計(jì)示意圖如下：

BTX機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

BTX機(jī)箱風(fēng)道示意圖
　　從圖中可以看到，在BTX設(shè)計(jì)當(dāng)中，冷空氣進(jìn)入以后，首要收益者成了CPU,而不再是硬盤。冷空氣在經(jīng)過CPU這個熱量最大戶之后溫度會升高很多，經(jīng)過CPU以后的空氣就已經(jīng)溫度比較高了。比較熱的空氣流經(jīng)顯卡(機(jī)箱內(nèi)發(fā)熱第二大戶)，會使顯卡制造商在設(shè)計(jì)顯卡時考慮到更惡劣的環(huán)境，配備更好的散熱系統(tǒng)。
　　而硬盤—在ATX機(jī)箱中的首要受益者—被安置在CPU的上方, 因?yàn)闊峥諝庀蛏仙?，工作環(huán)境會較ATX中惡劣，同樣會使硬盤制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時候需要考慮到更壞的工作狀況。就目前來講,可能是Intel考慮到其它硬件產(chǎn)品的功耗問題還有溫度升高的余地，而CPU的熱量問題已經(jīng)刻不容緩，BTX算是解決當(dāng)前最緊要問題的一種應(yīng)急方案吧。但從本質(zhì)上說，BTX是一種風(fēng)險轉(zhuǎn)嫁的設(shè)計(jì)，不利于其它硬件（如顯卡）的高速發(fā)展。