微星主板中如何設(shè)置CPU風(fēng)扇的調(diào)整規(guī)則

本人最近為了實(shí)現(xiàn)較高的單核性能(AMD R5 3600X的單核性能非常高(別那么貴的情況下),所以我沒(méi)選Intel的處理器)+想初步玩一玩深度學(xué)習(xí)(所以必須是N卡)

3600X是我這個(gè)家境貧寒之人能夠負(fù)擔(dān)得起的單核性能最強(qiáng)的CPU,后來(lái)該網(wǎng)站改了算法,單核性能排名靠前的變成了Intel的處理器。。。

組裝了一臺(tái)電腦,配置如下:

組件 品牌與型號(hào) 價(jià)格(元人民幣)
CPU+主板 AMD R5 3600X;MSI B450M Mortar Max 1848.58
散熱器 利民AS120單風(fēng)扇 109.61
內(nèi)存 ADATA XPG DDR4 3000MHz 8G 2條 535.85
顯卡 Gigabyte Nvidia GeForce GTX 1660 Super Gaming OC 6G 1687.25
固態(tài)硬盤 Plextor M9PeG 256G 321.57
無(wú)線網(wǎng)卡 DIEWU TX083(Intel AX200)帶散熱片 128.36
機(jī)械硬盤 WD10EZEX 1T 3.5寸 64MB緩存 7200RPM 267.26
主機(jī) 先馬塞恩3(贈(zèng)5個(gè)風(fēng)扇)(其中40元為郵費(fèi)) 237.7
電源 振華HX500W 340.28
合計(jì) 5476.46

但是遇到了一個(gè)問(wèn)題:

在主板的設(shè)置中,需要對(duì)CPU風(fēng)扇設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整的規(guī)則,以實(shí)現(xiàn)靜音和散熱的平衡

微星主板對(duì)CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速規(guī)則的默認(rèn)設(shè)置
微星主板設(shè)置CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速規(guī)則的界面

這該如何設(shè)置呢?

一、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),是怎么個(gè)規(guī)則

微星的主板允許用戶設(shè)置的規(guī)則,是如何根據(jù)CPU的溫度傳感器示數(shù)(以下簡(jiǎn)稱CPU傳感溫度)來(lái)調(diào)節(jié)CPU散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。一共有連續(xù)的四檔CPU傳感溫度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)規(guī)則繪如下圖:

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速規(guī)則

經(jīng)反復(fù)測(cè)試,規(guī)則的設(shè)定具有以下限制或特點(diǎn):

  1. 規(guī)則是根據(jù)傳感溫度(記為T)調(diào)節(jié)CPU風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的負(fù)荷率記為F)
  2. 轉(zhuǎn)速V與溫度T的對(duì)應(yīng)關(guān)系,畫成函數(shù)圖像,是一條折線,由4條線段和1條射線組成。記從左向右數(shù)第i+1條線段的斜率為k_ii=0,1,2,3
  3. 用戶可以調(diào)節(jié)的只有圖上那4個(gè)“×”的位置(即溫度-轉(zhuǎn)速數(shù)對(duì)),記為(T_i,F_i),i=1,2,3,4
  4. 最低溫那個(gè)“×”與原點(diǎn)相連,最高溫那個(gè)“×”的右側(cè)的線是水平的。
  5. 每個(gè)叉之間溫度方面至少要相差1度
  6. 任何一段線均不能是豎直的,即任意k_i \neq \infty
  7. 整條線必須是單調(diào)不減的,即任意k_i \geq 0。為了充分利用這四個(gè)叉,下文將要求折線中任意一條線段的斜率都大于0(即k_i>0

二、直覺(jué)下設(shè)置的規(guī)則

既然默認(rèn)的是這樣,那就大概微調(diào)一下就好了。由于CPU報(bào)警的溫度是70度,因此我就把最高檔的溫度調(diào)整為70度,其他的就沒(méi)怎么調(diào)。

三、直覺(jué)下的規(guī)則真的是最優(yōu)的嗎

為了發(fā)揚(yáng)科學(xué)精神,擺脫常識(shí)的束縛,我決定仔細(xì)想一想這個(gè)事。最后的結(jié)果告訴我,不是!

1 何為最優(yōu)

為了散熱好,直接把任何溫度下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速拉滿,就完事了。但是這就會(huì)帶來(lái)過(guò)大的噪音。誰(shuí)家散熱風(fēng)扇打開(kāi)個(gè)Word也是滿負(fù)荷的?吵死了。

為了靜音,不要裝風(fēng)扇好不好?不好,那樣的話CPU的性能和壽命就會(huì)受到很大影響。

所以,設(shè)置這個(gè)調(diào)節(jié)規(guī)則,目標(biāo)是:

在CPU發(fā)熱一定的情況下,最優(yōu)規(guī)則能夠使風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速很低,且CPU的溫度也很低。

2 問(wèn)題模型化

模型的基本想法是:CPU溫度的變化來(lái)自于自身發(fā)熱和風(fēng)扇的散熱。把它翻譯成微分方程是:

\mathrmu0z1t8osT=C\mathrmu0z1t8ost-kF(t)\mathrmu0z1t8ost

其中T表示CPU的溫度,C>0是CPU發(fā)熱量,F(t)是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的負(fù)荷率,界于0-100%,k>0是CPU風(fēng)扇的散熱系數(shù)(此處合理假定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與散熱量呈正比關(guān)系)。

另外,溫度與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速還滿足調(diào)節(jié)規(guī)則:

F=f(T)

將上式代入,得到一元常微分方程

\mathrmu0z1t8osT=C\mathrmu0z1t8ost-kf[T(t)]\mathrmu0z1t8ost

3 模型的特點(diǎn)

a 當(dāng)CPU發(fā)熱量“不太大”時(shí),方程存在唯一且穩(wěn)定的解

i 存在與唯一性

當(dāng)C \leq k時(shí),方程存在唯一且穩(wěn)定的解。

由于F(t)連續(xù),且滿足利普希茨條件(L取風(fēng)扇規(guī)則曲線中最大的斜率再乘以k),因此方程存在唯一解,記為T^*。

ii 穩(wěn)定性及穩(wěn)定的狀態(tài)

當(dāng)初始溫度T(0)在第4個(gè)叉以上(即T(0) \geq T_4)時(shí),F(t)為定值100%。若k=C,則此時(shí)\mathrmu0z1t8osT=0已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);若k>C,則\mathrmu0z1t8osT=(C-k)\mathrmu0z1t8ost,解得T=(C-k)t+T_0,則溫度T將隨時(shí)間t一路下降至第4個(gè)叉以下。

當(dāng)初始溫度T(0)在第4個(gè)叉以下(即T(0)<T_4)且C<k時(shí),對(duì)于穩(wěn)定解T^*的任意小的一個(gè)\epsilon鄰域外,總有\left| \frac{d T}{d t} \right|>k\epsilon>0,且\frac{d T}{d t}T-T^*異號(hào),從而在有限時(shí)間t_{\epsilon}內(nèi),T將進(jìn)入該鄰域。且由于在鄰域中,溫度-轉(zhuǎn)速存在連續(xù)的負(fù)反饋機(jī)制,因而當(dāng)溫度進(jìn)入該鄰域后,不會(huì)再跳出該鄰域。因此,對(duì)于任意小的\epsilon>0,存在t_{\epsilon},當(dāng)t>t_{\epsilon}時(shí),成立|T(t)-T^*|<\epsilon,因此T(t) \rightarrow T^* (t \rightarrow \infty)。

當(dāng)初始溫度T(0)在第4個(gè)叉以下(即T(0)<T_4)且C=k時(shí),\frac{d T}{dt} \geq C-kf[T(0)]>0,且當(dāng)T(t)在任意一個(gè)T_4\epsilon左鄰域外時(shí),有\frac{d T}{dt} \geq C-kf(T-\epsilon)>0,因此在有限時(shí)間內(nèi),溫度T將進(jìn)入該鄰域。當(dāng)溫度T進(jìn)入該鄰域時(shí),溫度T(t)不會(huì)超過(guò)T_4(是上確界,因?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=T" alt="T" mathimg="1">不會(huì)穩(wěn)定于任何低于T_4的溫度),因此T(t)收斂于T_4t \rightarrow \infty)。

綜上所述,

  1. 當(dāng)CPU發(fā)熱C剛好等于風(fēng)扇散熱的能力k時(shí)
    1.1 當(dāng)初始溫度T(0) \leq T_4時(shí),最終溫度將穩(wěn)定在T_4
    1.2 當(dāng)初始溫度T(0)>T_4時(shí),溫度將不再改變,穩(wěn)定在T(0)
  2. 當(dāng)CPU發(fā)熱C小于風(fēng)扇散熱的能力k時(shí)(多數(shù)情況),不論初始溫度處于何值,最終都將趨于穩(wěn)定,其中風(fēng)扇轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于F^*=C/k,溫度穩(wěn)定于T^*,滿足f(T^*)=F^*=C/k

b CPU溫度穩(wěn)定時(shí),風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不隨規(guī)則而改變

當(dāng)CPU溫度穩(wěn)定時(shí),\mathrmu0z1t8os T=0,從而有C=kF,即F=C/k

四、模型告訴了我什么

嗯,模型告訴我們,CPU發(fā)熱一定的情況下,風(fēng)扇的噪音與你設(shè)置的規(guī)則幾乎無(wú)關(guān)!

所以,根據(jù)模型來(lái)看,將第1個(gè)叉拉到(室溫+1,100%轉(zhuǎn)速),其他叉放到100%轉(zhuǎn)速,應(yīng)當(dāng)為最優(yōu)的解,即規(guī)則曲線應(yīng)盡可能地“上凸”。由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(即噪音)只取決于風(fēng)扇的散熱性能(固定)和CPU的發(fā)熱量,因此只要調(diào)速規(guī)則能夠達(dá)到100%的轉(zhuǎn)速,那么CPU最終的噪音都是一樣的,無(wú)論規(guī)則如何設(shè)置。而且,這樣還能使CPU保持在最低的溫度。

但是,實(shí)際中還有以下問(wèn)題:

  • CPU的溫度測(cè)量存在誤差

也就是說(shuō),如果真的直接將第1個(gè)叉拉到(室溫+1,100%)的話,由于CPU溫度傳感器存在測(cè)量上的誤差,那風(fēng)扇其實(shí)絕大多數(shù)時(shí)候就一直在以100%的速度運(yùn)行。反而噪音更大。如果將四個(gè)叉的位置擺放得開(kāi)一些,能夠容納下測(cè)量誤差的話,即可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的配置(讓CPU的溫度盡可能地降低)。

五、到底應(yīng)該如何設(shè)置風(fēng)扇轉(zhuǎn)速規(guī)則

1 舉例說(shuō)明

以下述情況舉例說(shuō)明如何設(shè)置風(fēng)扇規(guī)則:

  • CPU溫度傳感器的測(cè)量誤差為\pm2度
  • 想讓CPU風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)至少10個(gè)檔位(不含空檔)
  • 室溫為28度

風(fēng)扇規(guī)則應(yīng)滿足:

CPU實(shí)際溫度 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速
28 0%
32 10%
36 20%
40 30%
44 40%
48 50%
52 60%
56 70%
60 80%
64 90%
68 100%

第一列為室溫+2n個(gè)測(cè)量誤差,第二列為由0%起至100%的各個(gè)檔位。

所以設(shè)置的時(shí)候就非常好設(shè)置了:

  • 第1個(gè)叉:(室溫,0%)
  • 第2個(gè)叉:(上表最后一項(xiàng)溫度值68℃,100%)
  • 第3、4個(gè)叉:100%

2 參數(shù)的設(shè)置

上述舉例中,涉及到3個(gè)參數(shù):

  • CPU溫度傳感器的測(cè)量誤差
  • 想讓風(fēng)扇有多少個(gè)檔位
  • 室溫

a CPU溫度傳感器的測(cè)量誤差

這個(gè)如果能找到廠家直接問(wèn)到的話,最好。找不到的話,那就只好自己測(cè)了。測(cè)量的方法是:先將CPU風(fēng)扇功率調(diào)至恒定值,然后給出恒定負(fù)荷的CPU計(jì)算量(通常是用烤機(jī)軟件),查看溫度在多少的范圍內(nèi)變動(dòng)。范圍上限減范圍下限再除以2,即為CPU溫度傳感器的誤差。需要注意的是,這需要讓CPU穩(wěn)定在不同溫度下進(jìn)行測(cè)試,以獲取平均值。如果各個(gè)溫度下溫度傳感器的測(cè)量誤差不同且存在一定規(guī)律性,則需要根據(jù)這個(gè)規(guī)律,讓上表中CPU實(shí)際溫度一列的遞增值隨所在行的溫度而改變。比如經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn),40度以下時(shí),誤差是\pm2度,40度以上時(shí),是\pm1度,其他條件不變,則應(yīng)當(dāng)將檔位設(shè)置成:

CPU實(shí)際溫度 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 下一行遞增
28 0% 4
32 10% 同上
36 20% 同上
40 30% 同上
44 40% 同上
48 50% 2
50 60% 同上
52 70% 同上
54 80% 同上
56 90% 同上
58 100% 0

b 想讓風(fēng)扇有多少個(gè)檔位

由于要盡可能降低的不是轉(zhuǎn)速,而是噪音,所以應(yīng)當(dāng)測(cè)一下自己可感知的最小噪音變動(dòng),從而反算出應(yīng)當(dāng)如何設(shè)置風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的檔位。如上表,其中可感知的噪音定為10%。如果發(fā)現(xiàn)自己對(duì)于噪音的感知精度隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的負(fù)荷率變化,則應(yīng)當(dāng)按照此規(guī)律設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的檔位。

至于如何測(cè)量,可以到BIOS里自己去試,一檔一檔地試。由于大多數(shù)CPU風(fēng)扇都是PWM調(diào)節(jié)模式的,因此對(duì)于精確度的把握應(yīng)當(dāng)是十分準(zhǔn)確的,不像DC調(diào)節(jié)的風(fēng)扇那樣不準(zhǔn)確。

c 室溫

其實(shí),這個(gè)溫度更貼切的講法,應(yīng)該是風(fēng)扇的啟動(dòng)溫度。由于一般人用的散熱最終目標(biāo)是接近室溫(有一些用液氮的另說(shuō)。。。),因此當(dāng)CPU低于室溫時(shí),開(kāi)啟風(fēng)扇反而會(huì)使其加熱,因此不太建議將此溫度設(shè)定得過(guò)低,如18度(除非你家室溫能達(dá)到18度。。。);建議設(shè)置為家中室溫波動(dòng)的上限,如28度~30度

六、現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比你想象的復(fù)雜

1 模型的精細(xì)化

其實(shí),風(fēng)扇轉(zhuǎn)速F和降溫效果之間,不只是正比的關(guān)系,還要考慮到外界溫度,即很可能模型應(yīng)該改成

\mathrmu0z1t8osT=C\mathrmu0z1t8ost-k(T-T_{室溫})F(t)\mathrmu0z1t8ost

這樣,模型的收斂性會(huì)更好一些,穩(wěn)定性不變,穩(wěn)態(tài)會(huì)略有變化,但是最終如何設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速曲線的結(jié)論沒(méi)有變。

2 AMD處理器的PBO

經(jīng)過(guò)我實(shí)際測(cè)試,將第2個(gè)叉放在(48℃,100%)與放在(70℃,100%)相比,由于我開(kāi)啟了AMD的PBO(Precision Boost Overclocking,即精準(zhǔn)超頻)功能,當(dāng)AMD處理器感覺(jué)到散熱條件好時(shí),會(huì)給CPU加電壓,從而使得其發(fā)熱(即模型中的C)加大,所以會(huì)導(dǎo)致前述結(jié)論的錯(cuò)誤,而應(yīng)是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速曲線越上凸,噪音反而越大。

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