使用多顯卡的危險性-淺談電腦用電安全 - 3C

==== 文長，所以提供簡易結論 ====
除非主機板上有給PCI-E插槽額外的供電，
或是您非常清楚顯示卡會從PCI-E插槽抽取多少電量，

否則使用二張以上的顯示卡是非常危險的行為，應該避免使用。


==== 遭遇情況 ====
燒熔的ATX 24-pin電源線:
https://i.imgur.com/2RHwaVI.jpg

被波及的主機板電源插座:
https://i.imgur.com/oB1HxEL.jpg

兇手-二張ASUS STRIX RX570:
懶得拆下，用官網連結:
https://www.asus.com/tw/Graphics-Cards/ROG-STRIX-RX570-O4G-GAMING/

其它角色:
CPU - [email protected]
RAM - DDR3-1600 8GB*2
MB - GA-970A-UD3
Power - 曜越 Toughpower 750W


==== 事發經過 ====
最近有批RX570好便宜，趁低價收了兩張想玩玩CrossFire，
上機跑FurMark測穩定度，同時也跑prime95測CPU和RAM，
約半天後發現已經自動關機，重開測試後半小時又自動關機，
目測應該是電源供應器觸發某種保護機制而自動切斷電源，
拆機檢查後發現ATX 24-pin電源線出現燒毀現象。


==== 事後檢測 ====
因為ATX 24-pin電源接頭的一部分燒熔在主機板上的插座裡，
沒辦法只好再裝回去開機測試。
結果可以開機，可以進入Windows，可以跑prime95測CPU和RAM都正常，
只有測顯示卡時會觸發自動關機。
將顯示卡裝到另一台電腦上分別檢測，也跑FurMark做燒機，也都正常。

所以看來就只有ATX 24-pin電源接頭燒掉，
主機板應該也沒事，只是電源插座裡的殘渣冷卻後硬化，
用蠻力也清不掉，也沒辦法接上其它電源供應器使用。


==== 啟動調查 ====
拜見Google大神後的結果:
中文圈內的相關案例查不太到，外國的案例比較多，
共通點都是在安裝二張以上顯示卡的情況下發生，
因此懷疑目前電腦的供電設計根本不安全。


以下是我研究後的結果:


==== 電腦中各電源接頭的電流上限 ====
注意，這裡是指電源接頭本身，不包含連接的電源線，二者各有各的電流上限。
要更細分的話電源接頭裡面的金屬接點也有電流上限，但在此一起討論。

電腦中的電源接頭除非另外規定，否則預設都是使用Mini-Fit Jr. 這個規範:
http://www.mouser.com/pdfdocs/Molex_MiniFitFamilies.PDF
當一個接頭中的迴路(一供電線和一地線算一迴路)數目愈多時，
每個迴路能承受的電流愈小:
2~3迴路: 8A
4~6迴路: 7A
7~10迴路: 6A
12~24迴路: 5A


以下是各種接頭的電流上限:

+大4PIN: 8A
正式名稱為AMP MATE-N-LOK 1-480424-0 Power Connector，還是叫它大4PIN就好。
提供+12V和+5V二種電壓，二迴路，套用Mini-Fit Jr.規範，安全電流上限為8A。
金屬接點的電流上限有11A，故不是瓶頸。
大4PIN是現在電腦中最古老、也最粗勇的電源接頭，+12V足足可提供96W的功耗。


+SATA電源: 4.5A
提供+12V、+5V和+3.3V三種電壓，每個電壓在接頭內部分為三個金屬接點，
每個金屬接點最大可承受1.5A: ppt.cc/fEFf8x
https://www.molex.com/molex/products/datasheet.jsp?part=active/0675810000_CRIMP_TERMINALS.xml
所以每個電壓最多可承受4.5A，+12V可提供54W的功耗。

相比大4PIN，SATA電源給人脆弱、容易燒起來的印象，實際上也是如此。
從規格上來看4.5A的電流上限先天就比大4PIN少非常多，
又因為其獨特的接頭設計實在太過"纖細"，相比其它接頭套管式的金屬接觸"面"，
SATA電源只是金屬接觸"點"而已，只要稍微接觸不良或是接頭品質差，
就會造成阻抗變大，容易產生高溫甚至直接燒起來，
因此SATA電源無疑是電腦中最脆弱的電源接頭。

另外，SATA電源所能承載的功耗是最小的，將SATA電源分接或是轉成其它接頭的做法，
現在來看根本是拿自己的安全開玩笑，尤其是轉成PCI-E 6-Pin/8-Pin拿去接顯示卡，
最危險。


+PCI-E 6-Pin: 8A
實際只使用5 Pin: +12V*2、地線*2和一個訊號線給顯示卡偵測接頭是否有連接上。
電源供應器可能為了商業因素或是做成與8-Pin相容的6+2-Pin形式，
將沒在用的Pin也補上，不管如何+12V就只有二組迴路，所以安全電流上限為8A，
二組+12V足足可提供192W的功耗。

但是PCI-E聯盟為了安全起見，限制此接頭的功耗為75W，保留整整117W的安全範圍，
每組+12V迴路只需負擔最大3.125A的電流，
所以無論是一條電源排線上分出二個PCI-E 6-pin接頭，
還是顯示卡從此接頭稍微抽取超過75W的電量，都還是十分安全。


+PCI-E 8-Pin: 8A
相比PCI-E 6-Pin多增加一組+12V迴路和另一個訊號線，當二個訊號線都連接時，
表示安裝的是PCI-E 8-Pin電源而非6-Pin。
總計三組+12V迴路，安全電流上限依然為8A，+12V總計可提供288W的功耗。

同樣地，PCI-E聯盟為了安全起見，限制此接頭的功耗為150W，保留138W的安全範圍，
每組+12V迴路只需負擔最大4.17A的電流，
所以無論是一條電源排線上分出二個PCI-E 8-pin接頭，
還是顯示卡從此接頭稍微抽取超過150W的電量，都還是十分安全。


+CPU 4-Pin or 8-Pin: 8A、7A
CPU 4-Pin包含二組+12V迴路，所以安全電流上限為8A，總計可提供192W的功耗。
CPU 8-Pin包含四組+12V迴路，電流上限依據規範為7A，總計可提供336W的功耗。


+ATX 24-Pin: 6A
迴路數目有點難計算，但應該落於7~10迴路這範圍，所以安全電流上限為6A。
特別要注意其中只有二組+12V迴路，最大負擔144W的功耗，請記住這關鍵的數字。


==== 電源線的安全電流上限 ====
電源線能夠承受的電流上限跟電源線的截面積和包覆的絕緣材質有關，
因為電流經過時會產生熱量，當電源線的溫度超過絕緣材質能忍受的極限，
就會開始燃燒，所以截面積愈大(電阻低減少發熱)、材質愈耐熱則電流上限愈大。

除了少部分在設計上用電量就不多的線路以外，大多電源線都是使用18AWG的截面積，
只是廠商畢竟不是吃素的，為了省成本，絕緣材質會依據接頭的不同做調整，
有些能耐熱105°C，有些只有80°C，可想而知耐熱105°C能承受的電流會比較大。

那麼電源線安全的電流上限究竟為何?
很難說，因為那是動態的。
除了截面積和絕緣材質以外，目前的室溫、空氣的流通程度(散熱快慢)、
芯線數目都會影響。所以沒有任何一家廠商會(或者說"敢")標示能耐多少電流，
只會標示截面積和耐熱溫度而已。

根據從有相關工作經驗的學弟那得來的資訊，線材廠商給的是一個表格，
標示在不同室溫下，電流的上限值，隨溫度上升而下降，
因此做好機殼內的散熱也有助於用電安全。

大致上來說，線材的電流上限都會做的比接頭大一點，再不超過40°C的室溫下，
ATX 24-Pin用的線材會有約略6.5A以上的電流上限，
其它接頭的線材會有9A以上甚至到11A以上，
只是廠商不公布的話，我們永遠無法得知確切的數值。

這裡要注意的是，雖然線材的電流上限通常會比接頭大，
但是一條電源排線通常都會分出多個電源接頭，
如果將多個接頭都接上高耗電裝置，超出線材能承受的上限，依然會燒。


==== PCI-E插槽的供電規範 ====
根據PCI-E聯盟的規範，供電限制會根據介面卡使用的插槽長度和卡的大小而決定。
對，你沒看錯，是根據"長度"和"大小"來決定的:
http://read.pudn.com/downloads166/ebook/758109/PCI_Express_CEM_1.1.pdf
page:35~36

PCI-Ex1: 10W or 25W
PCI-Ex4: 25W
PCI-Ex8: 25W
PCI-Ex16: 25W or 75W

10W: +3.3V最大3A，+12V最大0.5A，合計最多10W。
25W: +3.3V最大3A，+12V最大2.1A，合計最多25W。
75W: +3.3V最大3A，+12V最大5.5A，合計最多75W。

一般常說的PCI-E插槽最大供應75W的功耗就是這麼來的，
其中+12V最多提供5.5A=66W的電量。


==== 主機板供電架構 ====
在此先推薦林董的影片: https://youtu.be/4HU40tgGByY
此影片介紹了現今主機板的供電架構，加上其它的資料，將重點整理如下:
1. CPU供電與其它部分完全獨立，由專門的迴路供電。
2. 主機板的其它部分，包含RAM、晶片組、其它晶片、各種插槽、風扇插座、
沒意義的燈光、甚至USB的供電等都是由ATX 24-Pin負責供應。
3. 以前主機板用電主要使用+3.3V和+5V，這也是ATX 24-Pin中含有相當多組
+3.3V和+5V腳位的歷史因素，但隨著用電量增加以及半導體的進步，
現在的主機板主要從+12V取得電力。
4. 主機板上的電源插座現在用的都是防火材料，板廠不會去省這邊的錢，
所以會燒起來的是電源線，主機板的部分不會有損傷。這部分與我這次的情況相符。
5. ATX 24-Pin中只有二組+12V供電，且直接供給PCI-E插槽，
主機板沒有多做電源轉換之類的事。
6. 林董說，簡單判斷線材有沒有過電流的方法是:(你在去摸看看那個線，那個線的皮
會不會軟掉，軟到讓你覺得它已經快脫落了，基本上這樣判斷就可以了。)
-> 我把這當作是至今為止主機板廠對供電安全的態度，將留在後面加以批判。


==== 燒電源線的原因 ====
至此，蒐集的資料已經足夠推論出這次燒電源線的原因:
1. ATX 24-Pin中二組+12V供電最大負擔為144W。
2. 主機板上除CPU以外都由ATX 24-Pin負責供電，包含所有插槽。
3. 每個PCI-Ex16插槽最大需供應+12V 5.5A=66W的電量，
裝二個顯示卡的話最大會需要供應132W。
4. 假測雙顯卡滿載，那麼只剩下144W-132W=12W可供主機板上其它元件使用。

這次使用的顯示卡Asus Strix RX 570 OC，根據資料這卡會對PCI-E插槽超抽電量，
雙卡就超過132W，再加上主機板晶片組為AMD 970，南北橋TDP加起來有19.6W，
還不用加上RAM、其它晶片、風扇等耗電就已經超過144W的上限，
所以ATX 24-Pin燒起來還真是毫無懸念...


那麼還剩下一個問題: 怎麼知道顯示卡從主機板用多少電呢?


==== 顯示卡從PCI-E插槽吸取多少電流 ====
不管是AMD還是Nvidia或是任何一家顯示卡廠商，都沒有提供相關的資料，
好在老牌的www.tomshardware.com有提供實測數值，真是佛心來著。

在這部分我想順便將顯示卡分成不同組別，來表示雙卡使用時的安全程度。
我想借用PCI-E 6-Pin/8-Pin最大功耗時的電流值3.125A、4.17A來分組會是
個比較有依據的做法，加上5.5A的上限值，共分為五組。
整理結果如下，僅列出燒機時+12V的電流值:

+炸彈組(>5.5A，也就是超抽):
7.08A (Peak 9.67A) - AMD RX 480公版，超抽修正前 -> 超級炸彈
5.6A (Peak 5.9A) - Asus Strix RX 570 OC -> 兇手在此
5.6A - Gigabyte GeForce GTX 1070 Ti Gaming 8G
5.54A (Peak 5.78A) - NVIDIA GEFORCE GTX 1050 3GB

+危險組(>4.17A，雙卡共吸取100W~132W):
5.3A - Nvidia GeForce GTX 1080 FE
5.3A - Sapphire Nitro+ RX 580
4.9A - Nvidia GeForce GTX 1060 FE 6GB
4.7A - Gigabyte GeForce RTX 2080 Gaming OC 8G
4.7A - GeForce RTX 2060 FE
4.6A - Zotac GeForce GTX 1080 Ti AMP Extreme
4.5A - XFX RADEON RX 590 FATBOY 8GB OC+
4.5A - Asus Strix RX 470
4.4A - Zotac Gaming GeForce RTX 2080 AMP
4.4A - Nvidia GeForce RTX 2080 Ti Founders Edition
4.4A - Nvidia Titan X Pascal 12GB
4.4A - KFA2/Galax GeForce GTX 1080 Ti EXOC
4.4A - Nvidia GeForce GTX 1080 Ti Founders Edition 11GB
4.3A - Nvidia Titan RTX
4.3A - Nvidia GeForce RTX 2080 Founders Edition
4.3A - Gigabyte GeForce RTX 2070 Gaming OC 8G
4.2A - Asus ROG Strix RX 560 O4GB Gaming

+一般觀察組(3.125A~4.17A，雙卡共吸取75W~100W):
4.1A - Gigabyte GeForce RTX 2060 Gaming OC Pro 6G
4.1A - Asus Strix RX 460
4.1A - ASRock Phantom Gaming X Radeon RX590 8G OC
4.1A - Aorus GeForce RTX 2080 Ti Xtreme 11G
4.0A - ASUS ROG STRIX GEFORCE RTX 2070 O8G GAMING
4.0A - ASRock Phantom Gaming X Radeon RX580 8G OC
3.8A - Aorus GTX 1080 Ti Xtreme Edition 11G
3.6A - Zotac GeForce GTX 1070 Ti AMP Extreme
3.5A - MSI RX 550 Aero ITX 2GB
3.3A - Asus ROG Poseidon GeForce GTX 1080 Ti 11GB Platinum Edition
3.5A - EVGA GeForce GTX 1080 Ti FTW3
3.2A - Asus ROG Strix GeForce GTX 1080 Ti 11GB OC

+安全組(<3.125A，雙卡共吸取<75W):
3.1A - Galax GeForce GTX 1080 Ti Hall of Fame
3.1A - Nvidia GeForce GTX 1660 Ti 6GB
3.0A - Nvidia GeForce GTX 1650 4GB
2.9A - MSI GeForce GTX 1050 Ti Gaming X 4 GB
2.7A - Sapphire Radeon RX Vega 64 Nitro+
2.7A - Gigabyte GeForce GT 1030 Low Profile 2G
2.6A - Radeon R9 Fury X
2.6A - AMD Radeon VII 16GB
2.5A - Asus ROG Strix Radeon RX Vega 64 8GB OC
2.4A - Radeon R9 Fury NANO
2.4A - PowerColor Red Devil RX Vega 64 8GB
2.4A - Gigabyte Radeon RX Vega 64 Gaming OC 8G
2.1A - Gigabyte Radeon RX Vega 56 Gaming OC 8G
2.1A - Nvidia GeForce GTX 1660

+超級安全組:
0.9A - MSI GeForce GTX 1080 Ti Lightning Z
0.7A - MSI GeForce GTX 1080 Ti Gaming X 11G

以上數據從www.tomshardware.com整理而成，詳細訊息請直接查閱該網站。

由以上數據可得出以下幾點結論:
1. AMD和Nvidia都有地雷，只是RX 480公版是顆超級大炸彈，搶去所有的風采。
2. 列在危險組以上的請避免長時間運作或燒機，請想想ATX 24-Pin的+12V迴路
可負擔的144W中，光是雙卡就用去了100W以上，您用起來安心嗎?
3. 顯示卡從PCI-E插槽吸取的電流量跟顯示卡的設計有關，晶片反而不是主要因素。
4. 中低階沒有PCI-E 6-Pin/8-Pin供電的顯卡也可能很危險，
例如NVIDIA GEFORCE GTX 1050 3GB: ppt.cc/fLf9ux
https://www.tomshardware.com/reviews/geforce-gtx-1050-3gb-benchmarks,5654-6.html
5. MSI的1080 Ti為多卡使用時的首選。


==== 多顯示卡用電不安全是誰的責任? ====
顯示卡、電源供應器、主機板廠商都有責任，其中以主機板廠商責任最大。

+主機板廠商，應負責任50%
做個簡單的類比，將主機板比喻為延長線，ATX 24-Pin插座為延長線插頭，
PCI-E插槽為延長線上的插座，只是這個延長線不但本身會用電，還沒有安全機制。
任何延長線都會標示最大電流量和能乘載的最大功率，主機板沒有。
好一點的延長線會有斷電保護機制，主機板沒有，當過載時就直接放任電源線燒毀。

但是最大的過錯是設計上的不負責任。
當這些廠商在主機板上放了一堆PCI-E插槽的時候，可有考慮過用電安全的問題?
只有很少數的主機板有提供+12V的額外供電輸入，大部分都沒有，甚至還有放上三個、
四個PCI-Ex16插槽，然後宣稱可裝三顯卡、四顯卡的，都沒有想過ATX 24-Pin撐得住嗎?
是不是給了一堆PCI-E插槽讓賣像好看，然後想說反正沒人會插滿就不顧安全性了呢?
連告知消費者關於這部分的注意事項都沒有，最起碼要像記憶體相容性清單一樣，
列個多顯示卡使用時的安全清單出來。

主機板廠商目前唯一有做的只有將電源插座使用防火材質，讓燒起來也是燒電源線，
正好把鍋給電源供應器來背，還真是奸巧。
明明規範都擺在那裏，從設計上讓PCI-E插槽即使插滿用滿也是安全的絕對不是難事，
有沒有心而已。


+顯示卡廠商，應負責任25%
顯示卡就像是延長插座上接的電器，一般電器還會標示功率，顯示卡廠商可從來都
沒有說過會從PCI-E插槽抽取多少電量，即使都小於PCI-E的規範，也該標示清楚。

A和N二家都做過主機板晶片組，多顯示卡的應用也是它們在推，對於多卡使用下的
用電安全如此輕忽真是不可思議。
以蒐集的資訊來看，顯示卡應優先從PCI-E 6-Pin/8-Pin供電，
盡量減少從PCI-E插槽抽取的電量才是安全的設計方式。


+電源供應器廠商，應負責任25%
長期怠惰，只會照著規範做產品，一昧宣揚大瓦數的好處，而忽略實際使用的安全問題。
每一個電源接頭、每一條電源排線都應該要標示電流上限，至今沒有任何一家廠商有做。
當主機板廠商使用防火材質做插座時，電源供應器廠商還是照以前那樣做產品，
連背了黑鍋都不知道。


==== 這次情況，我向誰要求負責? ====
ASUS 華碩

因為華碩的顯示卡超抽電量，就是這麼簡單。
超抽就是錯，沒有照規範走就是錯，沒有超抽的話說不定還不會燒起來。

與華碩客服的交手就是啟動此研究的動機，
華碩客服表示既然華碩的顯示卡沒出問題，燒的又不是他家的主機板和電源，
所以他也不能做什麼，表示會將相關訊息交給RD研究後就沒下文了，
大家看看，這就是現在華碩的品質。


==== 對現有產品，增加多顯示卡用電安全的方法 ====
只有一種，增加+12V的供電迴路。

願意花錢的請購買EVGA Power Boost:
https://tw.evga.com/Products/Product.aspx?pn=100-MB-PB01-BR
插在PCI-E插槽上，經由插槽輸入+12V給其它插槽使用。
這東西當時出來還被笑:是能超更高嗎? 現在了解這是提供安全的重要產品。

喜歡DIY的可以用一個沒在用的PCI-E介面卡，
自製一個跟EVGA Power Boost用途一樣的裝置。
或是利用主機板上的+12V電源接點，焊接上額外的電源插座，不過可能會失去保固。


==== 總結 ====
顯示卡可從PCI-E插槽的+12V吸取最多66W的電量，
而主機板+12V最多可負擔144W給除了CPU以外的所有元件使用，
所以多顯卡使用時會有超過其上限的危險性，
因此除非您已經了解前面一大串在說些什麼，否則應避免安裝多個顯卡在主機板上。


==== 轉載資訊 ====
只要註明出處，歡迎以任何方式、任何語言進行轉載。


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