挑战极限——深入解析机箱最大容纳

● 功耗和温度，不可调和的矛盾

    机箱内的硬件总功耗越来越大，处理器和显卡的功率几年来一直呈迅速上升趋势。当然，其它配件的功率也在增加。趋势上讲，硬件的功率增加是不可避免的，因为人们需要处理器在一定的时间内做更多的事，而同等技术条件下，要提高处理信息的速度必须提供更多的能量。

    所有功耗最终转化为热量，首先影响的就是温度。计算机正常工作的温度是有范围的，机箱内空气温度最高的位置在机箱的上部，即电源和CPU风扇附近。CPU是机箱内发热之首，而CPU的耐热也是有限的，如Intel的部分CPU在70℃后就会自动降频保护，超过75℃就会对CPU造成损害。当前市面上的风扇热阻大多在0.3～0.5℃/W之间，热阻越小说明散热效果越佳，热阻为0.35℃/W的风扇已经算很好的风扇了，当然价钱也会非常贵。

环境温度允许最高值=CPU温度允许最高值-CPU功率×风扇热阻

    以赛扬D 2.53GHz为例，不超频功率为73W，最高允许温度为75℃以下，如果使用较好的风扇，热阻为0.35℃/W，则：

环境最高允许温度=75℃-73W×0.35℃/W≈49.5℃

    所以，如果机箱内空气最高温度超过50℃，计算机将无法正常工作。

    通常机箱内最不耐热的硬件为硬盘。例如，希捷7200.7系列工作温度大多为0～60℃(200GB的为55℃)，酷鱼三系列工作温度均为0～55℃，西数BB系列工作温度为5～55℃。硬盘和环境温度必须保持一定的温差，因此需要留有一定余量。工作在极限温度下的硬盘，寿命会大幅缩短，稳定性也会受到很大影响。即使环境温度达到40℃，对硬盘来说工作条件都已经非常恶劣了。

    因此在电脑机箱当中，通常设计是将CPU位置靠在出风口附近，而硬盘安放在机箱底部入风口附近。使未被加热的空气先流经耐热差的配件，最后经过较耐热的配件，也即所谓风道设计。

    硬件功率的增长，不可避免的带来机箱内环境温度的升高。现在引发的问题是：当机箱内温度达到允许上限时，机箱内硬件的允许功率是否也有上限？如果有，是多少？<

● 电脑机箱能承受的功率

    对于非封闭电脑机箱，散热方式主要包括传导、辐射和箱内外空气对流。前两者散出的热量远小于机箱内外空气对流，因此可忽略不计。所有硬件的发热量大于排出空气所吸收的热量时，箱内温度升高；小于时，则温度下降；通常在工作一段时间后，箱内温度会稳定在某一数值，达到一种平衡状态，此时：

所有硬件功耗W=机箱排出的空气在机箱内所吸收的热量Q

    而机箱排出的空气所吸收的热量Q可通过下式求得：

    式中可以看到，某物质能容纳的热量与该物质的密度、体积、比热容、以及吸热前后的温度差成正比。

    对空气来说，温度和气压变化不大的情况下，密度和比热变化很小，可近似视为常量。常压下，50℃空气密度ρ≈1.1千克/立方米。Cp为定压比热容，单位为J/(kg.oC) 焦/(千克·摄氏度)，其含义为气体压力保持不变，是单位质量的气体自由膨胀，温度升高1oC所需的热量。对于空气，Cp=1005J/(kg.oC)。

    在夏季气温比较高的情况下(通常达到30℃以上)依然能够长时间稳定运行是一台电脑需要达到的基本要求。假设环境恶劣，温度为30℃，机箱风扇排出热空气温度只有达到机箱内最高允许温度的时候，所带走的热量才达到最大值!

    因此ΔT=Tmax-T ，其中Tmax为机箱最高允许温度值，此处取50℃，T为室温值30℃。

    一般电源风扇排风量只有大约15CFM，好的能达到25CFM。风量是每分钟送出或吸入空气的体积，按立方英尺来计算，单位是CFM。

1CFM(立方英尺/分钟)≈0.0283m3/60s(立方米/秒)

    根据公式，此时排风量25CFM的机箱每分钟(60s)排出空气所吸收的最多热量为：

    Qmax= (25CFM*0.0283m³/CFM) *1.1kg/m³*1005 J/(kg.^oC))*(50-30)℃

        =15642.83J

    温度稳定时，机箱排出的空气所能吸收热量的最大值等于机箱内允许的硬件发热量最大值，

    即Qmax=Wmax=Pmax×t

    焦耳=1瓦特·秒,可求出所有硬件总功率最大允许值：

     Pmax=Qmax÷t=15642.83J/60s≈261W(瓦特)

    这时候，我们就知道了当选定了一款排风量25CFM的机箱电源以后，在夏季30℃时，这款机箱所能承受的所有硬件总功率为261瓦特，超过此值后，机箱内硬件将无法正常工作。<

● 几个通用的公式

    以上只是特定机箱和特定温度下的允许最大功率值，很具有局限性，下面就来探求一下适用于大多数机箱与日常温度下允许功率值的计算方法。

（一）等温公式

    结合E=CpρV(ΔT)=Q=W=P×t和ΔT=Tmax-T=50-T两式

可得：

    因为Cp、ρ为近似常数，Tmax 取为50℃，环境温度一定时，ΔT为固定值，所以Pmax仅和排风量V/t成正比，而和其它因素无关。

    根据公式，很容易得到室温30℃时Pmax与排风量之间的关系曲线图：

    A点意义为：机箱完全封闭时，机箱内硬件必须全部断电。否则机箱内温度会慢慢积累，最终超过硬件承受能力。

    曲线和横轴之间的任何一点均为机箱内硬件可正常工作状态点;曲线上的点为极限工作状态点，曲线不包括A点;而曲线和纵轴之间任何的一点均为不可正常工作点，工作在这个区域的计算机必会因为温度问题导致系统崩溃甚至硬件损坏。

（二）等风量公式

    同样，当排风量V/t一定时(即机箱电源不变时)，V/t ·Cp ρ为常数， 箱内最高允许温度也为常数，此处定为Tmax = 50℃，可以得到室温T和最大允许总功率Pmax关系公式：

    在排风量一定时，CpρV/t 为常数，室温T和最大允许功率Pmax成一次函数关系，取风扇排风量为25CFM时，可得到Pmax与室温的关系曲线图：

    A点意义为，当环境温度和机箱最高允许温度相等时 ，机箱内硬件必须全部断电。否则，虽然机箱内外空气仍然有温差，但机箱内的空气温度已经高于硬件承受能力了。

    同样，曲线和横轴之间的任何一点均为机箱内硬件可正常工作状态点;曲线上的点为极限工作状态点，曲线不包括A点;而曲线和纵轴之间任何的一点均为不可正常工作点，工作在这个区域的计算机必会因为温度问题导致系统崩溃甚至硬件损坏。

（三）等功率公式

    当最大允许功耗Pmax一定时(即为常数)，可以得到公式；

    分别以室温(T)和排风量(V/t)为横坐标和纵坐标，可以得到等最大允许功耗图。

    在图上可轻易查出任意室温下，任一排风量机箱中最大允许功耗。

    曲线上端无限靠近T=50℃直线，说明当环境温度与最高允许温度差距越来越小时，机箱必须通过加大排风量才能保持Pmax不变。

    曲线下端无限靠近V/t=0CFM直线，说明当排风量逐渐减小时，必须降低环境温度才能保持Pmax不变。

    从直线A可以看出，排风量V/t一定时， 最大允许功率Pmax和机箱内外温度差ΔT成正比关系。

    从直线B很容易看出，在温度T一定时，最大允许功率Pmax和机箱排风量V/t成正比关系。

    以上三个公式应用范围很广，不涉及到机箱的厚度、材料、质量、体积、品牌等因素，因此大多数人可以从上面的几个图中找到自己机箱所在点，求得其最大允许功率值。<

● 公式及推导过程的现实意义

    公式本身的推导和计算也许是很枯燥乏味的，这些公式到底有什么现实的意义呢？我想这应该是更多人关心和想了解的东西。

    不少朋友会遇见刚装好的机器却频繁死机的现象，在更换电源后故障排除。不仅仅是因为好的电源能够提供足够的功率，还有一部分原因是好的电源的排风量足够散出所提供功率消耗的热量。现有的大部分机箱是主要通过电源风扇进行散热的，假如一款电源能够提供400W的实在功率，而电源风扇常温下最多只能排出300W功率所消耗的热量，那么这个电源的设计对于普通机箱就是不合理的。

    对使用普通机箱的用户来说，花了400W电源的钱，只用到了300W，后100W会造成系统温度过高，是没机会用到的。除非用户自己动手进行改造机箱或电源才能发挥出这款电源的威力。但这对很多连机箱都不敢拆拆的用户来说就是勉为其难了。而知道了排风量和最大功率的关系,我们就可以事先避免这种情况。

    夏天的天气温度升高，能否安然度过这个夏季，也可以通过计算了解大致情况，事先做好准备。

    通过这些公式我们还可以很容易找到解决功耗增长和机箱温度增长所造成的矛盾的办法，甚至于可以推论出未来机箱制造的发展方向。

    根据计算机各配件总功率是增加的趋势，可以预见未来可能出现的几种解决办案(完全不负责任之畅想)：

    1、增加机箱的排风量V/t将是简单易行之法。

    以后的电源风扇可能会增加转速，或者风扇直径。但噪音同样是电源风扇一个重要指标,人们对噪音的容忍是有限度的。受限于噪音和机箱体积，电源可能采用新技术风扇，如外磁式等。或者以后多数机箱会配备一个或者以上个数的辅助散热风扇，来增大排风量。

 大口径风扇机箱

 多个散热风扇的机箱

    2、提高机箱内硬件最高承受温度值Tmax，来使ΔT增加，需要科技力量。

    当人们不能忍受过多机箱风扇的噪音时，未来的硬件可能会逐渐提高最高温度值，不耐热产品将被淘汰。但是这是很有代价的，甚至可能需要硬件从根本上进行变革。例如要使硬盘在60℃以上工作，在技术和成本上短期内是不现实的。如果以后的硬盘改变存储方式，不采用磁记录或者精密机械结构，而是类似于内存一样采用硅芯片存储，通过加散热片或者风扇，就可以提升最高允许温度。代价就是必须投入大量研发成本，解决如去电后存储信息丢失、超大容量设计等技术问题。

    3、可减少机箱内所有硬件总功率，从而对最高允许功率Pmax的要求减小。可以改变风道或利用特殊设备将热量直接带出机箱外部。

    虽然CPU，显卡，内存等等几乎所有硬件的功率都在上升，但是如果把CPU或显卡等发热大户释放的热量直接排出机箱，将有效降低箱内硬件总功率。这样做实际上机箱设计不变，而是减少了对最大允许功率Pmax的要求，从而降低了对温度和排风量的要求。

 直接将热量排出机箱的显卡

 压缩机直接将CPU热量排出机箱

    4、利用制冷装置强制降低环境温度T，来增加ΔT。

    比如给房间安装空调,或者给机箱配备专门设备吹入低温空气。可谓兴师动众,以消耗更多的能量(最终转化为热量)方式制冷来抑制计算机的热量，这种做法相当之不环保。

    5、把不耐热硬件(如硬盘)放置在和机箱内空气不进行热交换的空间里，或者直接安放在机箱之外。这样做对总功率值影响不大，但有效提高了机箱内硬件的最高允许温度Tmax。以后甚至可能出现如下图所示的机箱：

    6、改变布局和风道，让需要环境温度低的硬件安排在入风口处，提高机箱内允许温度Tmax值。

    Intel提出的BTX机箱，就是基于这样一个思路设计，因为现在的intel的部分CPU温度已经超过100W，对环境温度、主板供电、甚至插座形式都有了特殊要求，对机箱结构的改变也更显得迫不及待。BTX设计示意图如下：

 BTX机箱结构示意图

 BTX机箱风道示意图

    从图中可以看到，在BTX设计当中，冷空气进入以后，首要收益者成了CPU,而不再是硬盘。冷空气在经过CPU这个热量最大户之后温度会升高很多，经过CPU以后的空气就已经温度比较高了。比较热的空气流经显卡(机箱内发热第二大户)，会使显卡制造商在设计显卡时考虑到更恶劣的环境，配备更好的散热系统。

    而硬盘——在ATX机箱中的首要受益者——被安置在CPU的上方, 因为热空气向上升，工作环境会较ATX中恶劣，同样会使硬盘制造商在设计产品的时候需要考虑到更坏的工作状况。就目前来讲,可能是Intel考虑到其它硬件产品的功耗问题还有温度升高的余地，而CPU的热量问题已经刻不容缓，BTX算是解决当前最紧要问题的一种应急方案吧。但从本质上说，BTX是一种风险转嫁的设计，不利于其它硬件（如显卡）的高速发展。<

● 有限和无限

    人类的需求是无限的。军事、航天、气象、生物、通信、娱乐等等行业对计算机的速度要求也是无止境的，计算机的速度没有最快，只有更快！计算机从大型机逐渐瘦身到中、小型机，到微型机，甚至准系统、笔记本，追求时尚的人们偏爱更小的占用空间和便利性。计算机从每秒5000次运算逐渐加快到百万次、上亿次，注重时效的人们偏爱更高的速度和效率。然而,随着电脑硬件速度越来越快，功率也越来越大，必要的散热系统也日趋庞大。当硅芯片制造技术达到一种极限，为了更高的速度，人们只有舍弃更多的空间；或者是，为了更多的空间，人们必须舍弃更高的速度。

    计算机的最少功率是有极限的，硬件允许的温度是有极限的，机箱的允许功率是有极限的，人们容忍的噪音是有极限的，某种材料的应用是有极限的……但是,一切都不用担心。阻力总是暂时的, 困境往往是变革的开始。因为，人类的智慧和科技的进步是无限的——当功率问题受到关注，更强的散热技术将会出现，新的半导体材料将会被利用，新型的计算机技术将会兴起，一个新的时代也必将到来!<