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真正的军工级!显卡PM随笔之钽电容篇

发布日期:2021-09-14

  很多朋友应该听说过军工级电容这种说法,一些通路品牌的显卡和主板会反复强调军工级电容的优越性,以突出其产品豪华用料、完美做工、超级稳定。且不论其军工级电容的真伪,难道只是换了几颗电容就能有如此巨大的威力?这种夸大其词的手法在媒体上是屡见不鲜,已经快要到了泛滥成灾的地步,因此不能不引起大家的重视!

  再者,军工级电容岂能让你随便使用?如果所有的主板显卡都用上了军工级电容,那这种说法本身也就失去意义了。那么到底有没有军工级电容呢?真正的军工级电容是什么样的?本文将根据一位资深显卡产品经理多年的从业经验,帮助大家了解线;钽电容的方方面面。

  本文作者:万大善人,男,喜爱军事、古典音乐、名牌服装、舞蹈,当然还有显卡和电容。金融业出身,但是最狂热的DIY玩家,后因爱好放弃金融业加入IT业,参与了耕升品牌在大陆的诞生、崛起的全过程。在耕升被同德收购后离开耕升,后曾就职于AMD公司,现已告老还乡,但依然怀有一颗年轻的、热诚的DIY之心,曾先后撰写多篇普及电脑知识的技术类文章:

  面对办公桌上一堆堆的电容资料,我突然蹦出一个想法:在这个世界上如果还有一个军国主义国家的话,它的名字不是日本而是美国。电容这个玩意很常见,任何电子设备上都少不了它,家用板卡领域最常用的是铝电容,因为它便宜、容量大、性能也不错。钽电容一般会被用在通讯、汽车电子和航天、军用等要求比较苛刻的领域。

  (日本是战败国都不允许军品出口,怎么可能在国内显卡上用到日本的军用电容呢)

  和其它行业一样,高端的铝、钽电容是被洋人的少数几个品牌霸占。前军国主义国家日本在铝电容的生产设计上美誉度很高,三洋、CHEMI-CON等都是执行业牛耳的大牌子,在板卡发烧友中如雷贯耳。说到这里大家奇怪一般来说电子工业最强的国家是美国啊,为何美国在铝电容领域内却没有建树呢?其实不然,山姆大叔根本不屑于铝电容的生产设计,他们认为那玩意是小儿科。美国国内两大电容品牌KEMET和AVX(现在被日本KYOCERA收购)已没有铝电解电容生产线,其电解电容生产线上的产品基本是钽电容。

  如果您对电容不甚了解,对铝电容和钽电容这样的分类还比较模糊,建议您先花点时间阅读本站之前的一篇技术文章《一颗顶十颗!显卡电容用料全方位解析》,相信会对深刻理解本文的内容有所帮助。

  电容就是两块导体(阳极和阴极)中间夹着一块绝缘体(介质)构成的电子元件,主要用于储存电荷。电容由于其结构的特殊性,所以分类方式也有好多种,通常按照介质、阳极、阴极和工艺这四种分类方式,而且各种分类方式互相交叉重叠,可以说比较混乱。本文主要介绍电解电容中按阳极划分的铝电解电容和钽电解电容。

  钽:一种略带蓝色的战略金属,英文名叫TANTALUM,具有2900度以上的熔点(仅次于钨和铼)和6.5的莫氏硬度(钻石是10)以及令人难以置信的耐酸碱性(王水对其都没用,而黄金碰到王水都会融化),以上特性给钽带来了难以加工的坏名声,不过其极高的介电常数(27,是铝的4倍以上)、烧结后的海绵状态以及超稳定状态却让电子元件生产厂商忍受千难万苦也要把它应用在电容上,最终装备到军用电子设备中。

  美国的军事工业异常发达,是世界最大的军火出口商,只要你有兴趣打开那些军用电子设备无一例外都可以看到上面布满了大大小小黄色的钽电容。世界上钽金属的产量一半被用在钽电容的生产上(如果大家有兴趣到Baidu或Google搜索钽,其中绝大多数内容都是钽电容),美国的国防部后勤署则是钽金属最大的拥有者,曾一度买断了世界上三分之一的钽粉,而KEMET这个世界上最大的钽电容制造者则是钽电容的发明者之一,它与上世纪五十年代研制出了这种电容,其初始动机是开发一种可靠、体积小、容量大的产品来替代战斗机火控雷达内不可靠的铝电容。

  打开KEMET的钽电容产品手册竟然可以看到其民用产品都需要过最严苛的美军标,我给大家随便列举其中一个测试,是关于震动的:MIL-STD-202方法213,条件1,在100G的冲击下保持电容ESR\\损耗角和漏电流初始状态。我的天,这种条件只有导弹、炸弹能碰到,一般其它国家的民用钽电容如果你让它参加这种测试不被厂商骂你神经病才怪!

  在九十年代铝聚合物电容发明之后,被广泛应用在一些低端应用场合,已有取代钽电容的趋势,但在军用等高端场合钽电容仍然是绝对王者,美国干脆停止了铝电容的生产,其两大公司KEMET和AVX全力生产钽电容,主要还是为了其庞大武库的需要,至于民用所需的铝电容则是捡便宜的买,试想如果一个国家为了军事需要就不惜工本的保持如此大的储藏、生产厂,而且生产厂的民品都符合军规,那么它不是军国主义国家谁是?

  以上都是戏说,虽然钽电容是为了杀人而生又广泛被用于杀人机器,可还是吸引了一个和平主义爱好者我,一个显卡PM。

  钽电解电容的体积很小,都使用贴片式安装,其外壳一般用树脂封装,但它的容量并不小,很多型号的容量和电压都能够接近于传统的直立铝电解电容。但要注意的是,钽电容的阳极是钽,阴极也是电解质,因此钽电容也属于很多人所瞧不起的电解电容,关键是电解电容这个分类太大了!

  钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽,它的介电能力(ε)比铝电容的三氧化二铝介质要高。因此在同样容量的情况下,钽电容的体积能比铝电容做得更小。再加上钽的性质比较稳定,所以通常认为钽电容性能比铝电容好。

  通常衡量电容的性能,大家都知道大容量、耐高压、低ESR(等效串联电阻)这几项参数,其实除此之外还有一些鲜为人知的关键参数,对于电容的稳定性影响很大。

  :同样阴极是聚合物(PEDT\\PPY等)钽聚合物电容的漏电流只有铝聚合物电容的几分之一左右,以著名的三洋OSCON的SVP产品为例,其4V 33UF的4SVP33M漏电流(LC)为66UA而同规格钽聚合物电容一般仅为12UA左右,这代表显卡如果用钽聚合物电容滤波会更干净,漏电流导致的脉冲会小。

  :还是拿4SVP33M为例,其损耗角是0.15,而同规格钽聚合物电容的DF(损耗角)则为0.08。0.15与0.08间差了0.10、0.12两个数量级,损耗角小表示电容发热会小很多,有利于提高电容寿命和增加显卡稳定性。

  :失效率就是每工作一定时间电容可能会失效一次,注意是失效一次,而不是从此出故障了需要修理才能继续或直接坏掉。钽聚合物电容由于都是树脂封装,外加多层银和石墨阴极镀层和钽导线所以电容失效率远小于容易进入湿气和被腐蚀的铝聚合物电容,在美军的一次试验中AVX和KEMET的钽聚合物电容在模拟运行了1000000小时中才出现一次失效,也就是说你想碰到一次钽聚合物电容失效要等110多年,所以山姆的关键性电子设备都采用它是有道理的。

  除了更出色电气性能和稳定性之外,钽电容优秀的物理性能(体积小、容量相对较大)使得它的适用面比铝电容更加广阔,主要表现在:

  正因为如此,近年来很多高端显卡和高端主板开始使用钽电容作为供电模块的滤波电容(大多为钽电容+铝电容的组合),但非公版因为种种原因(设计、成本、采购等)不敢轻易使用。

  要在一系列显卡上全部采用钽聚合物电容?老板问我的时候眼睁的像铜铃一样大,恨不得一口吃了我,是啊每颗价格按照1美元算,一片低端显卡平均用6到8颗以上,9600、3850上搞不好还要十五颗以上,光这些主电容费用就要100元以上,而现在ATI\\NV公版上才几颗铝聚合物电容,普通厂商的很多所谓非公版都用普通铝电解电容替代,一个板子上所有主电容加起来可能还不到10元钱。

  众所周知现在显卡只剩下价格战,现在一片普通HD2600显卡从出厂到最终销售的全部利润可能才有50元,100元意味着什么?在这个能省一颗元件老板就会奖励设计人员的时代,我这种想法的确太不入流,说我天方夜谭也可以理解。消费者也未必买账,在这个同质化的年代谁在乎几颗电容啊,便宜就好,与其用那么好的电容还不如换个漂亮的风扇给人感觉好呢!

  另外如果显卡全部用钽聚合物电容还会面临一个巨大的难题那就是备货,行外人士不会理解这个问题。一般的铝电解电容(包括铝聚合物电容,俗称固态电容)和普通钽电容(钽二氧化锰电解电容)的生产厂商遍布世界各地,但能生产钽聚合物电容的全世界不多于10家,而且这十家主要在美国和日本,由于产量小(只有普通钽二氧化锰电容的百分之一),价格昂贵(是普通钽二氧化锰电容的10倍)所以生产厂商都是在你下单后生产,交货期长达数月(当然如果你是五角大楼则算我没说)。而一般显卡芯片可能寿命期也只有数月,换句话说我电容可能还没到货安装到显卡上,显卡都淘汰了,对于我们来说如果用钽聚合物电容简直和赌博无异。

  可是什么原因诱使我冒着被老板狠骂的风险提出要全部使用钽聚合物电容呢?以前我当PM时亲眼目睹了耕升在电容使用上摔的大跟头,不想重蹈覆辙。另外钽聚合物电容的特性太诱人,让我无法自拔。

  现在各显卡品牌同质化非常严重,各家争先恐后已降低成本为第一要素,最多在风扇上做文章,可是我始终认为显卡风扇对于提高显卡的性能非常有限,如果一片显卡连电路都设计不好的话,配备再好的散热器可能也无法稳定运行乃至超频了。有的发烧友对此非常无奈,但是苦于没有真正发烧的产品,因此如果我能够反其道行至从发烧友最需要的板卡设计以及用料来考虑搞不好能让品牌另劈一片天地。再加上钽电容外观和铝电容差别很大,可以在卖场让消费者一眼认出,做到万花丛中一点绿的效果,虽然价格对普通玩家来说可能过高,但个别在意品质的中高端玩家依然会买账。

  曾经名噪一时的无电容显卡,是指没有直立型的传统铝电容,全部使用贴片钽电容

  (该卡没有外接供电,无需对+12V滤波,因此设计难度较低,所需电容数量不多)

  如果单纯比拼低成本,同德等厂不知道比我们领先多少,反正横竖是拼还不如另外开拓一个领域也许还能走的远点。再从成本上说,虽然钽聚合物电容价格昂贵,但是由于其优秀的性能可以降低显卡的返修率,当销量增大时返修率每降低一个百分点,就可以让整体成本下降不少,从显卡全寿命期费用来看,用好电容还是可以接受的。

  以上几点我象苍蝇一样整天在老板和同事前念叨,终于打动了他们,真是出乎意料,事后总结可能他们被我说烦了,不过更大的可能性是他们也在发烧。看来我们老板喜欢打牌也是好事,打牌的人总有疯狂的时候。不过他在疯狂之余还是让我们找几个个电容厂商好好压价。

  在接下来的几周时间里大家都是在无休止的供需见面会中度过,说无休止那是夸张,因为钽聚合物电容的供应商主要也就三家:KEMET、AVX、三洋,不过这三家厂商可是大爷,因为他们都是行业内巨头,技术又很领先,所以谈判过程很艰难。

  先说KEMET吧,他最近才把德国的钽电容巨头爱普克斯买下来,可以说在欧美它几乎通吃了所有钽聚合物电容的份额。再加上人家是钽电容的发明者,又长期浸淫在此领域,产品种类特别齐全,指标非常的高,其最高档产品的最低ESR能低到4毫欧姆,这是单颗电解电容公认的极限,所以KEMET的报价是相当的高,2.5V 330UF(ESR9毫欧姆)的产品报价超过1美元不少。

  SANYO的POSCAP系列钽聚合物电容也有优势,首先因为NV的最高端显卡也有用到少量的POSCAP(如8800系列中混合使用了钽和铝聚合物电容)所以SANYO在国内是有备货的(以便能迅速交给NV 98系列公版的代工厂FOXCONN),因此我们如果订货其交货会比较迅速,大概只要等一个多月。其次三洋的价格比KEMET还是要低不少,同上规格的每颗电容是要低于1美元的。虽然其ESR和其它指标要逊于KEMET的产品,但是用在显卡上也是够了。

  还有个竞争对手是AVX,它的实力不可谓不强,比如其在正常的钽二氧化锰电容市场中几乎占据了半壁江山,它的多重阳极钽二氧化锰电容ESR值之低几乎可以媲美钽聚合物电容,达到和三洋铝聚合物电容SVP的水准。不过由于钽二氧化锰电容易爆炸以及不耐瞬间大电流的特性,所以虽然其价格便宜也不在考虑范围内,我不想以后再因为电容有问题被显卡消费者退货(看来耕升的噩梦还在影响着我)。

  AVX的钽聚合物电容却不太强,产品只有一个TCJ系列,性能更是一般,最低的ESR都超过40毫欧姆,最大耐受链波电流值只有1安培左右。而它的同胞KEMET,最低ESR只有4毫欧姆,最大耐受链波电流值高达7安培,可谓相距甚远,如果我们在显卡上用的钽聚合物电容指标比铝聚合物电容还低发烧友会买账么?因此AVX在我们的候选名单上率先出局。

  就在我们左右为难不知道选哪种钽电容时候,半路又杀出个程咬金。采购小张告诉我内地有家钽电容生产商最近刚推出了一系列钽聚合物电容,而且这家厂商也是国内军方钽二氧化锰电容的大供应商。对于我这个国货支持者来说如果能在国人设计的高档显卡上用国人自己的高级电容能给多少崇洋媚外的发烧友们来个晴天霹雳啊,想到这里我都开始忍不住笑了,于是立刻展开同他们接触,找他们要来资料研究同时小张也去咨询报价。

  很快得到了答复:比AVX好!那家国内品牌的钽聚合物电容最低ESR值可以达到25毫欧姆(接近SVP这类铝聚合物电容标准了),耐受链波电流值也超过2安培,虽然达不到我心目中理想的水平,但如果继续加以改进或为我们定制一批产品也许性能就够用了,我们直接给厂商去了个电线;我们的产品就是描着KEMET打的,我们的性能和KEMET差不多。

  他接着信誓旦旦的说:我们的产品价格你绝对放心,一定比KEMET低很多。

  这个我相信,在性能达不到国外最先进产品的前提下,国内用价格换市场的策略是必须的。不过我还是想错了:小张寻来的价格让我大吃一惊,这个国内品牌的钽聚合物电容报价都快到2美元了,而且前提是ESR值比KEMET大很多。这还不算,我去询问他们330UF产品时他们竟然说最近产品线坏了,何时能恢复生产还不知道。我告诉他们KEMET和SANYO的报价,他们也吃惊了:洋人们把价格杀那么低?看来是不想让我们活了。虽然我很想帮他们,但老板不同意,发烧友可能更不会接受,市场经济是残酷的,在性能和价格都不如洋对手的情况下确实很难有理由选择他们。

  有时我经常想:国内的企业确实很难,新产品产量小,价格高,也指望能靠这个赚点利润,可是洋人封杀,又有庞大的养老包袱制约很多领导不敢在价格上放手一搏,导致价格越卖越高,销量越来越少,利润越来越薄,最终导致无法在企业最重要的研发上投入更多的经费,形成恶性循环。其实不要说他们了,高昂的成本、发烧友未知的态度,我们自己品牌的显卡难道不会面临同样的困境么?到这里不敢再想下去。

  现在事情又回到了原点,KEMET和SANYO的供货商之争又摆回了台面:老板是支持SANYO的,他在生产体系待过多年,为料件短缺的问题困扰很久,因为经常某元件缺货导致显卡生产上市推迟数周,经销商叫苦不迭,选三洋意味着供货问题不像KEMET那么棘手。另外三洋的价格也能打动老板,商人重利么,话说回来如果没有利润的事情谁干啊!

  我支持的当然是KEMET,主要是发烧友心态,五角大楼喜欢的我能不喜欢么?那么多美军标光炫耀都能说几小时。再说了KEMET有几个计算工具软件如KEMET-SPICE等对设计和计算显卡电容非常有用,RD爱不释手。可惜我不是老板

  眼看SANYO获胜的事情就要定下来,这时NVIDIA和AMD帮了我大忙:由于新一代显卡芯片需要的功率都很大,因此PCI-E接口的供电不足,要外接电源供电。而电源的供电都是12V,所以需要在卡上设置多个大容量高压电容供外接电源滤波和储能,对我们来说像9600GT、38XX以上的显卡都需要16V(在电容里没有12V这个标准,再说钽电容一般要降压使用所以只能使用16V这个耐压值)大容量、低ESR的钽聚合物电容。

  图为:P393公版8800GTS的供电模快(8800GT和9600GT也大同小异)

  可以看到+12V滤波区由于电压较高,因此只能使用耐高压的铝聚合物电容,而在核心(1.1V左右)和显存(2.0V左右)滤波区,则可以使用额定电压不高、但漏电流更小的钽聚合物电容,看来NVIDIA也对高压钽聚合物电容昂贵的价格望而生畏

  天助我也,三洋POSCAP钽聚合物电容中的高压系列产品TQJ最高容量只有68UF,而KEMET钽聚合物电容中则有150UF 16V的T520系列。从设计角度来说:NV的9600系列显卡总计需要近千UF的16V电容,如果用三洋TQJ系列需要15到20颗,这还只是外接电源部分所需要的数量,整个显卡将有多大多贵大家可以想象。而如果电容用T520则只需要几颗即可,胜负已定KEMET入选。

  虽然决定选用KEMET产品但其价格确实让人肉痛,接下来几天KEMET销售人员来拜访时小张和我只好一个红脸一个白脸:我就不停地暗示三洋服务好供货及时价格低,我们没有理由不用。小张则私下对KEMET销售挑明:老兄啊,我尽力了,你们产品只有降价一条路可走了。KEMET的大爷们终于施舍般的调低价格,停在了一美元价格线以内。几天后当RD人员拿出一张密密麻麻布满黄色钽聚合物电容的显卡时全部同事都很激动,随后RD在高频示波器上对比了使用两种不同电容(钽聚合物和铝聚合物)时显卡电源的波形,我兴奋的哭了。

  一般消费者看到技术文章时很头痛,因为深入了解技术的人往往文笔不好或不屑写,而发烧友们也未必了解技术决策过程中的点点滴滴,因此想写一系列大家愿意看、看的懂的技术文章,也可以让很多同行吐吐苦水,终于本人开始动笔了,所幸得到很多朋友的大力支持,仅以此文答谢他们的帮助.Always, I wanna be with you