个人使用Nas黑群晖的历史3:这期聊电源
电源是所有系统都绕不过去的话题,Nas用户在多硬盘时候也会考虑电源的配置,随着自媒体的传播,越来越多人对电源的焦虑十分严重,不停的提高电源的功率,我对这场电源军备竞赛有点怀疑,来记录一下Nas关于电源的使用要求以及个人使用体会。
硬盘功耗的计算
通常NAS中的耗电大户是硬盘,尤其SSD还没有完全替代机械硬盘的今天,在多硬盘的场景中,硬盘占据了整机功耗的大部分,对硬盘功耗的计算是选择电源功耗的关键,不同硬盘的需求有所不同,一般考虑硬盘功耗应该按照功耗要求最高的来计算,防止出现,不能安装某些型号的情景。现阶段,功耗最大的硬盘应该是企业级 SAS 7200rpm的硬盘,WD HC5X0, Seagate X24/22/20,Toshiba MG09/08,容量最高26T, 属于现在性价比很低的产品。这篇文章以市场保有量较大的HC590为例,最大容量26T,应该能覆盖现存市面上所有硬盘。
下图来自HC590的 user manual spec,峰值功耗需求12V*2A+5V*1.05A=29.25W, 峰值功耗基本出现在启动时候12V需要2A,5V需要1.05A。

NAS硬盘有多有少,以4盘和12盘为例做计算。
4盘位:12V:8A ;5V:4.2A
12盘位:12V:24A;5V 12.6A
cpu 显卡的功耗另外算,假设系统其他最高峰值功耗100W,那么对于4盘位,电源功率只要100+117=217W即可,12盘位100+351=451W即可。
那么如果24盘位,只配一个1000W电源可以吗?
还是不可以的,这里需要注意通常的ATX电源,5V+3.3V功率一般不超过100W,也就是5V 20A,假定每个硬盘需要1.05A,24盘,需要25.2A,5V这路电源只给硬盘也不够了,还有主板其他地方也要5V供电,常规的ATX电源,最多只能供给12盘。对于更多盘位,通常需要硬盘背板,多数硬盘背板是有12-5V供电的,因此对5V供电没有那么多需求。
供电线材
硬盘转到sata差不多20年了,早已经不用IDE接口(形似),一般成IDE硬盘接口为大D口或者Molex connector,因为这个供电接口是molex公司定义,一般ATX电源具有1-4个sata供电,以及1-4个molex接口。这些接口共享一根或者两根线从电源引出。NAS供电的问题在于接头太少,并且硬盘线太少,这就需要考虑线材的载流能力了。
大多数ATX电源是铜线,也有部分使用铝线,相同线径,铜线载流能力强一些,但并非铝线电源就是劣质电源。
安找常规的纯铜线,ATX电源使用规格一般AWG18-AWG22规格(多数AWG20),线材的载流能力通常是根据温升来决定的,根据包皮的不同,热阻不同,散热能力也不尽相同,按照常规PVC,厚度0.2mm假设,室温25度,按照温升不超过50摄氏度计算,AWG18 电流不超过14A,AWG20 不超过11A,AWG22不超过7A。
单条线按照常规AWG20计算,对12V,11A/2A=5块硬盘,对5V,11A/1.05=10块硬盘,因此单条线材最高连接5块硬盘,超过5块会导致线材升温超过50度。
那么10A电流,最远端的硬盘供电压降怎么样?按照AWG20,33.3mohm/m,一般连线长度大概0.6m左右,线阻20mohm, 压降10A*20mohm = 200mV,一般ATX电源输出端电压12.1V左右,200mV压降问题不大,但是5V电压有可能是问题。下图是硬盘对于电压的要求,对于5V电压可以在4.75-5.25V之间

线材压降如果是5A*0mohm=100mV,对于5V的标准输出,到了硬盘端电压变为4.9V,还是满足要求,但是,请注意,这里只计算了电压偏移,还没有把电源纹波计算在内。查找intel atx电源规范:

5V允许的纹波在50mV,5V-100mV-50mV=4.85V, 满足条件. 还有几个问题没有考虑,第一接插件的接触电阻,无论是sata还是molex转sata,还有现在流行的模组/半模组电源,都是转接来的,每个转接,都有接触电阻,接触电阻一般几mohm到几百mohm不等,随着氧化,松动,灰尘的累计,逐渐增大,随着拔插的增多,性能变差,也是容易忽视的点。按照4.85-4.75=100mV的余量,那么100mV/5A=20mohm,这是转接非常容易超过的接触电阻,这就是为什么5V在多硬盘中容易超标的原因,而12V因为相对容量宽泛,出问题更少。
供电不满足,硬盘会怎么样?
那么5V假设出现了电压偏低会有什么后果呢?我用可调电源做了个大胆的尝试(切勿模仿,有损坏硬盘风险),硬盘会出现寻址错误,寻址性能下降。具体表现为:磁盘占用100%,iops为0,写入速度为0或者读取速度为0, 如果是WD的硬盘,其SMART信息会报错,0x07 seek error rate寻道错误率,会增加,不是线性增加,是幂指数增加,网上有计算公式。0x08seek time performace 会变差,对于seagate的硬盘,这两项不会报错,但故障表现是一样的。随着5V电源轨逐渐降低,开始出现无法寻道,或者寻道缓慢的现象,此时也有可能出现command time out数量增加,被标注在smart中。那么随着5V电源轨继续降低电压,会出现硬盘失联。
但是也不用太担心,我多次尝试,硬盘没有发生不可逆的损坏。在电压恢复之后,硬盘寻道可以恢复正常,随着硬盘读写,磁头寻道正确概率增大,smart中的0x07和0x08会恢复到健康状态,也就是0x00,但是command time out不会恢复,这里更深层次的原因我没有找到,怀疑可能是电压降低后,磁头的AFE放大器不满足工作条件。
一些特殊情况
现在大多数3.5寸硬盘只用12V和5V,无需3.3V供电,企业盘和监控盘有些会启用3.3V供电引脚作为休眠控制引脚,需要关注。
现在大多数2.5寸硬盘只有5V供电,无需3.3V供电,少部分古老的2.5寸盘还需要2.5V供电,这种情况下就无法使用molex转sata的供电接口了。
sata的固态硬盘一般单5V供电,对5V供电要求很高,容量越大,需要电流越大,最大功耗出现在擦除时,有可能达到2.5A的要求,峰值很高,平均值不大,远超过3.5寸机械盘,需要注意。
总结:take away
NAS供电优先考虑电源,粗暴计算30W/硬盘
每条线最多能用6块硬盘(AWG18),推荐用5块盘(AWG20),保守起见4块(AWG22)
少用转接线,优先考虑原厂线,优先考虑非模组电源
12V供电不稳有可能产生坏道,5V供电不稳不会产生坏道,但是会出现寻址错误
普通ATX电源带硬盘不超过12块,因为5V电源不够
尽量使用单路12V供电的电源,而不是多路
多块固态sata时要考虑5V电源的供电能力。无论多大功率的电源,5V只给20A。
bonus
我尝试按照逻辑给出来计算,在实践中,还有一些tips可以使用,需要点动手能力:
一般小功率电源只有2根molex/sata供电线,甚至只有1根,总功率足够,如果想连接超过5块硬盘,可以将显卡PCIE的供电线,连接到molex/sata线上(DIY),让显卡的供电线为12V分流,这样子处理,一条硬盘线,供电10块硬盘没问题,5V线稍有压力。
所有的计算都是满足硬盘的要求,那么不满足硬盘的要求有什么问题?取决于对硬盘的影响有多大,或者对于系统的影响有多大。比如硬盘可以顺序启动,没必要开机同时启动,这样减少了瞬态电流,但是,一定要满足硬盘的4k随机电流,比启动电流稍小。如果不满足硬盘的启动电流,也不一定就不行,只是启动时间边长,硬盘电机需要更长时间才能到达要求的速度,通常情况下,硬盘硬盘要求12V电源爬升时间不超过200ms,但是更大的爬升时间并不是问题,在硬盘启动该过程中的电源纹波在我个人的实验中,也不会造成损坏。
电源有过流保护,如果在开机过程中,因为硬盘电流峰值,造成电源过流保护而切断供电,那么请不要犹豫,立即更换更大电源,如果能正常启动,并且在重负载下工作的功率在电源能力范围之内,也不是不行,不过电源便宜,尽量满足功率把。
电源选购最好DCDC架构

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