功耗高發熱大的數碼時代,我們靠什麼散熱科技硬剛“大火爐”
2021年05月07日10:15

  “你功耗高,你發熱大”本是一句硬件玩家圈子裡針對某個品牌CPU的黑話,沒想到今天竟然真的風水輪流轉成了另一個品牌的黑料。在電子數碼領域高功耗高發熱似乎是一個輪迴。

  隨著智能設備的蓬勃發展,對性能的要求越發嚴苛,讓非常多普通人也體會到了功耗和發熱的蓬勃發展。

  其實這也是半導體發展的一個規律,每當半導體芯片的工藝製程成為瓶頸,想要提高性能最簡的方法就是提高頻率,而提高頻率也伴隨著功耗的增加。

  另一方面,即便工藝製程有了突破,芯片的發熱和功耗得到了緩解,但另一方面,更小的芯片面積也讓即便不大的發熱更難導出,造成了所謂的積熱問題。

 芯片製程工藝發展
 芯片製程工藝發展

  總之,發熱和散熱是半導體時代永不過時的熱門話題,甚至可能是一場我們身邊最精彩的技術大戰,我們每一個人都可能是這場大戰的親曆者。

  首先,我們需要明確一個前提,半導體芯片的發熱是目前無法徹底解決的問題,我們也不去探討如何降低功耗和發熱,只從半導體散熱的角度談一談人類為散熱科技都做了哪些努力。

  首先打開物理課本,看一看傳熱的三種方式:熱傳導、熱對流、熱輻射,我們一種一種來看。

  熱傳導是通過材料微粒的微觀碰撞和電子的移動來傳遞內部能量,我們日常接觸得比較多的是固體材料的熱傳導,比如金屬材質的鐵鍋要比砂鍋導熱更快,才能實現爆炒。

  生活中很多常見的操作都包含傳熱的三種方式
  生活中很多常見的操作都包含傳熱的三種方式

  熱對流則與流體相關,最簡單的例子是用鍋燒水,燃氣爐產生的熱量通過熱傳導給水加熱,鍋底的水受熱密度變小,向上流動置換掉頂部較冷密度較大的水,如此循環往複就形成了對流,讓鍋裡的水溫度趨於均勻,當然這種自然對流需要重力環境。

  最後是熱輻射,所有溫度高於絕對零度的物體都會發出電磁波,是熱能到電磁能的轉換,白熾燈、取暖用的小太陽這些都是熱輻射的典型例子。

小太陽取暖器是熱輻射的典型案例
小太陽取暖器是熱輻射的典型案例

  傳熱的三種形式中,熱傳導和熱對流是人類散熱科技發展中重點關注的對象,而熱輻射雖然無處不在,但在電子元器件散熱領域研究得的確較少。

  我們以某品牌沿用了9年的原裝CPU散熱器為經典案例,其包含一個鋁製翅片和一個風扇,在翅片主體與CPU頂蓋接觸的部分塗有導熱矽脂。

  在它工作時,熱量從CPU經導熱矽脂傳導至鋁製翅片,翅片與空氣接觸,進而形成對流加速散熱,風扇的加入則強製空氣對流提高散熱效率。

  整個過程中,熱量的流動主要通過熱傳導和熱對流,當然還有無處不在的熱輻射,但體量較小在此就忽略不討論,熱量從CPU芯片產生最終散失到空氣當中。

 經典流傳的原裝散熱器
 經典流傳的原裝散熱器

  在這個經典的CPU散熱系統中,有三個環節可以加強。第一是CPU與金屬翅片的接觸,通常使用導熱矽脂,這是一種具有一定流動性,良好導熱性以及良好絕緣性的材料。

  矽脂可以填補CPU頂蓋與散熱器表面微觀的不平整,增大實際接觸面積。不同的矽脂配方也有不同的性能,一般用導熱係數來衡量,體現的是材料本身導熱的能力。

導熱矽脂具有一定的流動性,良好的導熱性和絕緣性
導熱矽脂具有一定的流動性,良好的導熱性和絕緣性

  為了追求極致,甚至有玩家直接使用導熱係數十倍於矽脂的“液態金屬”充當導熱劑(常見矽脂的導熱係數在10W/mK以下,液態金屬可以達到70W/mK以上),放棄了更安全的矽脂。

液金導熱劑昂貴且不安全
液金導熱劑昂貴且不安全

  然而在實際應用中,導熱劑的導熱係數並不能真實地反映出熱傳導的效率,同一種導熱劑在不同的幾何尺寸下導熱的效率也可以天差地別。

  因此需要引出一個新的物理量——熱阻,當熱量在物體內部以熱傳導的方式傳遞時,遇到的阻力稱為導熱熱阻。

  對於熱流經過的截面積不變的平板,導熱熱阻為L/(k*A)。其中L為平板的厚度,A為平板垂直於熱流方向的截面積,k為平板材料的熱導率。

  可以發現,熱阻與導熱劑的厚度、面積和導熱率相關,與前者成正比,與後兩者成反比。具體到CPU散熱的系統中,提高導熱效率的方法除了更換導熱係數更高的矽脂外,還可以把矽脂壓得更薄,或者對填充界面進行拋光,增大實際的導熱面積。

 導熱矽脂塗得越多越厚導熱效果可能越差
 導熱矽脂塗得越多越厚導熱效果可能越差

  第二個可加強的環節是散熱器導熱的金屬,一般較為廉價的散熱器會採用鋁製,一方面鋁的金屬加工非常成熟,另一方面鋁的導熱係數達到237 W/mK,是鐵的3倍左右。

  高端一點的散熱器可能會在中心增加銅柱,或者直接使用純銅的翅片,不過需要考慮到散熱器整體的重量,安裝後可能會對強度不高主板帶來毀滅性打擊。

  銅基本就是金屬翅片的頂配了,其導熱係數高達401 W/mK,當然還可以用導熱係數429 W/mK的銀,但從成本和提升來看是不太實際的。

  然而,為了突破金屬材料的導熱極限,人類開發出了堪稱外掛級的散熱核心科技——熱管,它將散熱器的導熱係數提升到了“突破天際”的100000 W/mK(無限長度理想狀況下,實際工況下也可以達到10000 W/mK)。

 熱管原理示意圖
 熱管原理示意圖

  熱管是如何突破金屬材料導熱上限的?這裏用到了一個很常見的物理現象,液體的相變,即液體蒸發吸熱,凝結放熱的現象。

  一個典型的熱管可以分為蒸發段和冷凝段,在蒸發段熱管內的液體介質受熱蒸發,蒸汽帶走熱量流向冷凝段,在冷凝段凝結成液體並釋放熱量,最終液體通過重力、離心力或毛細作用返回到蒸發段,完成循環。

  熱管橫截面結構
  熱管橫截面結構

  常見的熱管為銅製,外表面可能採用鍍鎳工藝,熱管內壁由毛細多孔材料構成,填充的工作液體通常就是水或酒精,常常會被人訛傳為“液冷”或“水冷”,由於移動設備芯片功耗漸漲,這種把熱管當水冷的噁心營銷也屢見不鮮。

  或許你會有疑問,水不是要燒到100℃才會相變蒸發嗎?現實中總不可能要芯片溫度到100℃熱管才開始工作吧?實際上熱管內部一般會抽負壓,低壓狀態下水的沸點會變低,隨著溫度升高,熱管內的蒸汽壓力變大,沸點又會升高,因此以水為工作液體的熱管可以在30~250℃的範圍內工作。

熱管內部的金屬粉末燒結吸液芯
熱管內部的金屬粉末燒結吸液芯

  在一些工作溫度極低的環境中也可以用液氮、液氦等,相反工作溫度極高的環境中可以用液態的鉀、鈉、鋰、銀等。

  比如我國的青藏鐵路,為了防止凍土融化,維護鐵路路基的穩定性,凍土段鐵軌兩旁插了“鐵棒”,這其實就是一種工作溫度較低的熱管,內部填充的工作介質是氨,全稱為氨-碳鋼熱虹吸管。

 青藏鐵路軌道兩旁的熱管
 青藏鐵路軌道兩旁的熱管

  至於前面提到的水冷或液冷,又是另一個新的發明,其原理是通過流動的液體介質(通常也是水)將熱量傳導至熱交換器,最終通過熱交換器把熱量散到空氣中。

  從熱量流動的起點和終點來看,水冷其實與常見的金屬翅片散熱器差別不大,但水冷的熱對流效率更高,具體取決於水泵的功率和流速,加上水的熱容量大,可以讓水冷系統有更平穩的溫度表現。

  另外,水冷系統通過管路相連,熱交換器的安裝更為靈活,尺寸設計得更大,要比所謂的風冷系統性能更強一些。

 360mm規格一體水冷巨大的熱交換器和豪華的風扇配置
 360mm規格一體水冷巨大的熱交換器和豪華的風扇配置

  不論過程如何,這些散熱器最終都要將熱量通過熱對流的方式散發到空氣中,系統符合所謂的木桶效應,即最薄弱的環節決定了整體的上限。

  在熱管塔式散熱器和水冷散熱器中,最薄弱的環節其實是第三個環節,即空氣的熱對流,而提高這一環節最簡單的方法就是增大散熱翅片規模,加大風扇的功率。

  所以對於CPU散熱器而言,頂級的產品往往少不了暴力的風扇,優秀的風扇不僅可以讓散熱器的上限更好,也可以在同性能下實現更小的噪音。

 工業級暴力風扇效果好,但噪音極大
 工業級暴力風扇效果好,但噪音極大

  以上就是關於典型散熱系統中三個環節的強化,可以說是非常簡化且不嚴謹的小科普,只希望能夠幫助大家理解過程。

  最後,還要說一下另一個被包裝成“散熱黑科技”的手機冰封背夾風扇,有的號稱10秒結霜。實際上這是一種利用珀爾帖效應來製冷的技術,在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。

  簡單來說就是製冷片的一面製冷,相反的一面發熱,同時過程中還要額外產生一定的焦耳熱,總之發熱量大於製冷量。一個小小的手機冰封背夾風扇,功率甚至接近10w,相當於手機芯片的最大功率,其實效率並不高。

 某品牌手機冰封背夾散熱器的宣傳
 某品牌手機冰封背夾散熱器的宣傳

  在移動設備上或許不痛不癢,但當愛好者把這種製冷片用於台式機CPU散熱時就會發現,除了低負載下的溫度極低外,並不比普通的散熱系統高效,要達到理想的效果,製冷功率甚至超過了芯片的熱功耗,還容易產生冷凝水損害電子元器件,實在有些費力不討好。

  相信每個人都希望用上性能優秀、功耗低、發熱小的電子數碼設備,但受限於物理規律,它們可能構成了一個不可能三角。

  但散熱技術是可能有突破的,新的材料、新的發明,意味著新的希望。再不濟,也可以期待一下電腦熱水器一體機的出現吧。

  來源:SME科技故事

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