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熱設(shè)計網(wǎng)

重裝CPU、GPU時代下的機內(nèi)散熱設(shè)計

admin

 熱導(dǎo)管技術(shù)

 因體積與面積的大增,而短暫嘗試完全回歸到無風(fēng)扇的純散熱片散熱時代,這主要是指桌上型計算機所用的PentiumⅡ處理器,而筆記型計算機所用的PentiumⅡ,也因為高熱問題也引出了新的散熱手法:熱導(dǎo)管(Heat Pipe,大陸方面直接翻譯成:熱管)。

 熱導(dǎo)管與散熱片相同,散熱運作時都不需要使用電能,屬被動式散熱器,熱導(dǎo)管過去是用在航天領(lǐng)域以及大型主機(或其它相關(guān)的大型運算設(shè)備、系統(tǒng)),然而行動用的PentiumⅡ處理器發(fā)出太多的熱能,加上筆記型計算機不似桌上型計算機,并沒有太寬裕的機內(nèi)散熱空間與電能,尤其是電能問題,在電池電能有限的情況下必須盡可能不使用風(fēng)扇、致冷器等額外用電的散熱方式,否則筆記型計算機的待機時間、電池使用時間將會更加縮短,如此外出攜用的價值與意義也會打折扣。

■挑戰(zhàn)零風(fēng)扇 再度失敗

 嚴格來說,個人計算機除了IBM兼容機(x86架構(gòu))外也包含蘋果計算機公司(Apple Computer)的麥金塔(Macintosh,俗稱:Mac)系列,而Mac計算機向來標榜創(chuàng)新,過去至今一直是IBM兼容PC的追趕、抄仿對象,Mac計算機在1999年、2000年間也在散熱設(shè)計上嘗試突破,即是從第二代的iMac(1999年)以及PowerMac G4 Cube(2000年)的機種上,嘗試全面棄舍風(fēng)扇式散熱,不僅是處理器用的風(fēng)扇,包括電源供應(yīng)器部份的風(fēng)扇也要棄舍。

 麥金塔個人計算機嘗試全面揚棄風(fēng)扇的原因并非是「維護管理」方面的考量,而是「使用舒適性」方面的考量,由于風(fēng)扇運作時容易產(chǎn)生噪音,而麥金塔計算機的使用者多數(shù)都從事創(chuàng)作、設(shè)計性質(zhì)的工作,且習(xí)慣于深夜工作,如此較能夠?qū)W⒒虍a(chǎn)生靈感,然而寧靜的深夜卻因風(fēng)扇噪音而不得安寧,反而妨礙、影響了工作情緒。

 取消風(fēng)扇后的作法其實與過去Intel的嘗試相同,改以較厚大的散熱片來幫助散熱。不過,這項嘗試似乎也未成功,不僅PowerMac G4 Cube有過熱問題,且后續(xù)的麥金塔計算機也依舊使用風(fēng)扇。

▲2004年Apple Computer公司推出新款的PowerMac G5個人計算機,該計算機使用2顆2.5GHz的PowerPC 970FX處理器,并用上水冷循環(huán)的散熱系統(tǒng)(圖中G5字樣的鐵盒內(nèi))。(資料來源:http://www.apple.com)


 ■動態(tài)調(diào)控技術(shù)

 再次的挑戰(zhàn)雖然失敗,但用戶對計算機運作寧靜度的意識也已經(jīng)抬頭,然風(fēng)扇依然是「必要之惡」,因此有了折衷的作法,即是調(diào)適性的控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速愈快也也意味著噪音的提升,所以除非處理器溫度上升,否則不對應(yīng)提升風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,讓風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與處理器溫度呈隨時動態(tài)性的正比對應(yīng)調(diào)整,以此來減少風(fēng)扇噪音量。

 ■循環(huán)水冷技術(shù)

 在使用了通風(fēng)孔、散熱片、電動風(fēng)扇、致冷器、熱導(dǎo)管等散熱技術(shù)后,個人計算機依然持續(xù)尋求更精進、良善的散熱方法,對此方案業(yè)者引入了水冷散熱(Water Cooler)技術(shù),2004年Apple推出新款的PowerMac G5個人計算機,該新款計算機使用2.5GHz的PowerMac G5(PowerPC 970FX)處理器,較之前的1.8GHz、2.0GHz版的處理器更為快速,然而也更為熱燙,過去1.8GHz、2.0GHz版仍可用散熱片與風(fēng)扇散熱,而2.5GHz則是加入了水冷式循環(huán)散熱,但同時也仍然要散熱片與風(fēng)扇的搭配,等于同時用上了三種散熱技術(shù)。

 水冷散熱的原理類似冷氣機,即是在一個密閉的循環(huán)管內(nèi)裝入冷媒,并透過壓縮機(馬達)的運轉(zhuǎn)使冷媒于管內(nèi)循環(huán),由冷媒快速吸取處理器的熱量,并將熱量運到外端他處后加以均化消散。

 水冷散熱技術(shù)除了冷卻(吸熱)效率佳之外,另一個優(yōu)點是低噪音,由于是在密閉管內(nèi)進行冷媒循環(huán),所以運作上相當(dāng)寧靜,良善設(shè)計上可以低于30分貝(相當(dāng)于人類耳語的程度)。相對的,電動風(fēng)扇并不易降低噪音。

 既然使用上馬達,所以水冷散熱為主動式散熱,此外水冷散熱在設(shè)計與產(chǎn)制時也必須相當(dāng)嚴謹可靠,理由與致冷器相同,倘若水冷的循環(huán)系統(tǒng)有所疏漏,使管內(nèi)冷媒液體外泄,會對電路板造成損害。

 事實上PowerMac G5并非是第一個使用水冷散熱的桌上型運算系統(tǒng),早在此之前迪吉多(Digital Equipment Corp.;DEC)公司的Alpha計算機即有使用,不過此屬于工作站計算機,而非一般的個人計算機,此外過去在x86 PC的個人改裝、組裝市場中也早有嘗試水冷作法。

 在PowerMac G5使用水冷系統(tǒng)后,日本恩益禧(NEC)公司也在同(2004)年推出采用水冷技術(shù)的計算機,且為x86架構(gòu),NEC的ValueStar G Type TX桌上型個人計算機(Pentium 4)也使用水冷散熱系統(tǒng)。此外NEC也在其PC架構(gòu)的伺服氣上使用水冷散熱。

 要注意的是,Apple與NEC雖都采行水冷系統(tǒng),但所用的管內(nèi)冷媒卻不相同,Apple用的是純水,而NEC用的是甲醇。

 ■持續(xù)突破

 很明顯的,散熱設(shè)計所考慮的,絕不單單只是效率問題,還要考慮空間、體積、寧靜、電力、維護、安全等問題,甚至成本也必須在意,特別是PC日益低廉的今日,而新的散熱技術(shù)也通常意味著較高的實現(xiàn)成本,如此在更熱燙、更低廉之間求取平衡,將是PC散熱設(shè)計的重大課題,特別是過去曾發(fā)生過為了精省成本,將原本該用三根熱導(dǎo)管的機內(nèi)散熱系統(tǒng)降成只使用兩根熱導(dǎo)管,進而在出貨后過熱當(dāng)機而影響聲譽,由此更可知散熱設(shè)計的重要性。
散熱片技術(shù)基本教戰(zhàn)
在電子設(shè)計的熱管理當(dāng)中,散熱片(Heat Sink)絕對是最基礎(chǔ)、基本的一項運用,在一般自然對流無法及時散熱的情況下,且尚無必要使用電動風(fēng)扇的強制對流散熱前,絕大多數(shù)是使用散熱片來因應(yīng)。

 即便到了要使用電動風(fēng)扇(Fan)進行散熱的程度,散熱片也不會因此而廢棄,事實上現(xiàn)有的作法多是讓散熱片與電動風(fēng)扇相輔搭配,以最常見的機內(nèi)處理器為例子,處理器是先透過散熱膏(或稱:熱導(dǎo)膏)與散熱片相連,之后才在散熱片上端加裝電動風(fēng)扇,以此來加速散熱,而非有了電動風(fēng)扇后,就完全不再使用散熱片。


 同樣的,近年來積極運用的熱導(dǎo)管(Heat Pipe)技術(shù),也依然需要與散熱片搭配,熱導(dǎo)管一端接觸處理器芯片的封裝表面,另一端則接觸散熱片,透過散熱片將熱消散。除此之外,在其它類型的散熱技術(shù)、散熱設(shè)計上,也多會運用與搭配散熱片。因此,本文以下將針對「散熱片」進行更多的技術(shù)討論。

 

▲即便是已采行電動風(fēng)扇,甚至是熱導(dǎo)管,也多半仍需散熱片的搭配輔助,圖為筆記型計算機等機內(nèi)低矮空間限制時的散熱設(shè)計模型,除了風(fēng)扇外,在氣流的進出口位置也有設(shè)置散熱片。

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