Intel向右轉(zhuǎn) 新世代散熱技術(shù)應(yīng)運而生
在PC的世界中，CPU的時脈速度長久以來一直被奉為是評斷一臺PC性能優(yōu)劣的第一指標(biāo)，其次才會去考量硬碟、存儲器、繪圖單元等其它的功能性。不過，這種由Intel所塑造的「時脈崇拜」現(xiàn)象，卻也由Intel自己一手打破。
Intel上任總裁Craig Barrett卸任前，在2004年10月15日對6500位業(yè)界高階人士演講時，坦誠該公司過去的芯片計畫確實走錯了方向，除了為此深感愧疚外，更向聽眾單腳屈膝表示：「請原諒我們?！顾姓J(rèn)以時脈速度做為芯片性能評斷主要標(biāo)準(zhǔn)的觀念已不合時宜，并宣布Intel不會再推出4GHz的Pentium 4處理器。
當(dāng)時采用90奈米先進(jìn)制程的Prescott遲遲無法推出市場，正是卡在它的功耗太高，性能卻反而不如上一代的Northwood。Prescott Pentium 4產(chǎn)生的功耗動輒超過100W，若時脈真的推出4GHz以上，那耗電量更可能上沖到200W左右，更新一代預(yù)定時脈超過5GHz的Tejas和超過6GHz的Nehalem，其耗電量和高熱的情況將更難以想象，而這是市場上無法接受的，請參考（圖一）。繼任的現(xiàn)任總裁Paul Otellini形容這種尷尬的發(fā)展瓶頸，就象是一頭撞向無解的高功耗硬墻，除了轉(zhuǎn)向另謀出路外，別無它途。這也是Intel轉(zhuǎn)向擁抱多核心架構(gòu)的所謂「向右轉(zhuǎn)」時代的開始。
在應(yīng)用功能持續(xù)升級時，服務(wù)器、PC、筆記型計算機(jī)或Tablet PC、Mini PC等計算機(jī)家族產(chǎn)品想回避眼前這座由處理器、硬碟、繪圖芯片／繪圖顯示卡、存儲器、電源供應(yīng)器等所帶來的高熱量厚墻，必須采取更積極的因應(yīng)措施。整體來說，可以采用的策略包括：現(xiàn)在見到的雙核心／多核心架構(gòu)，以降低由處理器高時脈帶來的高熱；透過電源管理技術(shù)，以更智能性的省電模式來降低芯片與系統(tǒng)的功耗；以更有效率的散熱技術(shù)與架構(gòu)來帶出或冷卻熱量，并同時考量風(fēng)扇噪音的問題。本文將著重在計算機(jī)熱管理（Thermal Management）技術(shù)上的探討。
■熱管理策略：散熱模塊與風(fēng)扇
每個芯片在運作時皆會產(chǎn)生耗熱，當(dāng)芯片溫度過高時，就很容易造成工作上的誤差，甚至?xí)C(jī)器當(dāng)?shù)簦蛐酒^熱燒掉。以CPU來說，當(dāng)在室溫約35℃時，Intel或AMD會要求CPU的內(nèi)部不能超過100℃的安全工作范圍，而系統(tǒng)廠商會進(jìn)一步要求以更低的溫度為控制規(guī)格（如95℃）以確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性。為了達(dá)到此目的，就必須對CPU的溫度進(jìn)行監(jiān)控，并搭配散熱片（heat sink）、熱導(dǎo)管（Heat Pipe）等傳導(dǎo)方式將芯片發(fā)出的熱帶出，再經(jīng)由風(fēng)扇將熱吹到空氣中，最后再經(jīng)空氣的對流將熱氣帶出機(jī)殼。
以傳導(dǎo)方式達(dá)成的散熱作法，稱為被動散熱方式（Passive Cooling Method），以風(fēng)扇的強(qiáng)制對流（Forced Convection）方式來帶出熱量，則屬于主動散熱方式（Active Cooling Method）。在早期的Pentium時代，由于CPU產(chǎn)生的熱量較少，只要利用散熱片、片（Fin）和熱管的被動散熱設(shè)計即可解決散熱需求；但到了PentiumⅡ時代，無風(fēng)扇的被動方式已不敷需求，除了低階計算機(jī)外，新一代計算機(jī)都得加上風(fēng)扇才行。到了今日，熱量的問題已愈來愈棘手，也迫使散熱器和風(fēng)扇的技術(shù)必須不斷進(jìn)步。
目前常見的散熱片是采用高熱傳導(dǎo)系數(shù)的鋁（Al）、銅（Cu）所組成，而熱管則是藉由液、氣相間的相變化（phase change）吸收熱量，并以氣體分子來傳輸熱量，因此可得到高于鋁、銅近50倍的熱傳導(dǎo)系數(shù)，具有更佳的傳熱效果。此外，在一些服務(wù)器及Apple的PowerMac中也可見到水冷（Liquid cooling）式回路散熱器，但它需要有一個熱交換器和一個大風(fēng)扇。在風(fēng)扇方面，則可分為軸流式風(fēng)扇（axial fan）和徑流式風(fēng)扇（radial fan）兩大型式，前者用于尺寸較大的PC、服務(wù)器，后者則適用于扁平造型、空間有限的筆記型計算機(jī)。
■新一代架構(gòu)：從ATX到BTX
今日的桌上型盒裝處理器往往會和散熱模塊（即散熱器加風(fēng)扇）一起出貨，以確保CPU的散熱效能。然而，就計算機(jī)系統(tǒng)來說，CPU只是其中的一個熱源，其它會產(chǎn)生高熱的組件／元件還包括硬碟、繪圖芯片／繪圖卡、存儲器和電源供應(yīng)器等。因此，主機(jī)板、設(shè)備業(yè)者就得從系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的整體性角度來看待散熱問題，才能提出有效的解決方案。
目前市場上主流的計算機(jī)造型（form factor）架構(gòu)，還是ATX（Advanced Technology eXpanding），此架構(gòu)是Intel在十年前提出的，用以替代上一代的AT架構(gòu)。雖然這些年來ATX也歷經(jīng)了幾次的改良，但仍有一些瓶頸難以突破，除了規(guī)格上的改朝換代外，如PCI-E 16X取代AGP、DDR2取代DDR、SATA硬碟取代IDE硬碟等，最大的難題還是在于散熱和噪音問題，因此Intel近年來開始主推新的BTX（Balanced Technology Extended）架構(gòu)。
打開ATX的機(jī)殼，可以發(fā)現(xiàn)CPU的周圍前有存儲器、硬碟、光驅(qū)，上方有電源供應(yīng)器，后有背板輸出入界面，可以說是處于被圍剿的窘?jīng)r，再加上風(fēng)扇的不當(dāng)配置，造成機(jī)殼內(nèi)的空氣對流相當(dāng)紊亂，CPU的熱氣很難順利被排出。即使采用了極佳的散熱片和導(dǎo)管，以及轉(zhuǎn)速快的大風(fēng)扇，但這只會造成熱空氣在內(nèi)部滯留循環(huán)，冷空氣又無法有效進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)，在內(nèi)部熱量的持續(xù)累積下，使得目前機(jī)殼內(nèi)的溫度普遍高于外圍環(huán)境達(dá)數(shù)十度。此外，ATX中為降低溫度而采用多顆風(fēng)扇，以及對CPU等熱源采用高速的大風(fēng)扇，這都會發(fā)出擾人的風(fēng)扇噪音。
新一代的BTX則對主機(jī)板的架構(gòu)做了全面性的調(diào)整與規(guī)范。在標(biāo)準(zhǔn)的BTX配置中，CPU散熱模塊被規(guī)劃在外頭冷空氣進(jìn)入的機(jī)殼前方，吹入的冷空氣在冷卻CPU散熱模塊的溫度后，會再往后一并冷卻南北橋芯片與旁邊的顯示卡溫度，再從后方的散熱孔排出；電源供應(yīng)器仍在原來的位置，另配有散熱風(fēng)扇來將其產(chǎn)生的熱量及機(jī)殼內(nèi)部的部分余熱帶到機(jī)殼外。請參考（圖二）。
▲圖二：BTX主機(jī)板架構(gòu)的全新配置。（資料來源：Intel）
更仔細(xì)來看，BTX將整個機(jī)構(gòu)分成多個容積區(qū)域（Volumetric Zones），在主機(jī)板部分就區(qū)分成四大區(qū)域：「CPU區(qū)域（Zone A）」、「南北橋、I/O界面（Zone B）」、「存儲器、電源區(qū)域（Zone C）」、「擴(kuò)充槽區(qū)域（Zone D）」，如（圖三）；此外，BTX還對機(jī)殼內(nèi)部的CPU散熱器、電源供應(yīng)器、硬碟、光驅(qū)等元件的規(guī)劃位置與規(guī)格做了相關(guān)的規(guī)范。在此架構(gòu)下，雖然只用了CPU散熱模塊和電源供應(yīng)器兩個主風(fēng)扇，只要各個元件都安置在所屬的容積區(qū)域中，并配置相應(yīng)的散熱進(jìn)出風(fēng)口，就能產(chǎn)生極佳的內(nèi)部空氣對流，并提供比ATX更佳的散熱效益。除了散熱效益外，BTX的優(yōu)勢還包括：
1.支持新的界面線路（如SATA、PCI-Express）、窄板設(shè)計。
2.采用全新的主機(jī)板布局，在電路布線上更具彈性，在安裝上也更為簡便，也能讓主機(jī)板的空間利用更有效率。
3.由于散熱效率佳，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以降低，再加上風(fēng)扇減少的作法，這都能有效降低噪音。
▲圖三：BTX容積區(qū)域作法。（資料來源：Intel）
■散熱技術(shù)的推陳出新
除了BTX的新造型規(guī)格外，Intel也配套推出了多項新的散熱管理相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。這些作法包括簡單序列傳輸（Simple Serial Transport；SST）匯流排、數(shù)碼溫度傳感器（Digital Thermal Sensor；DTS），以及平臺環(huán)境式控制界面（Platform Environmental Conrtol Interface；PECI），都被應(yīng)用在Intel采用雙核心運算的核心微架構(gòu)（Core Microarchitecture）中，簡介如下：
SST在溫度感測數(shù)據(jù)的傳送上，過去采用SMBus，但它在使用上有三大缺點，包括傳輸速度太慢、噪訊問題嚴(yán)重以及傳送的信息不夠準(zhǔn)確。新的SST則針對這些問題做出改善，進(jìn)而能提供系統(tǒng)等級的溫度管理方案，請參考（圖四）。
在傳輸速度上，SMBus是100Kbps或400Kbps；相較之下，采用單線序列傳輸協(xié)定SST匯流排最大傳輸速度可達(dá)2Mbps（現(xiàn)在的應(yīng)用速度是1Mbps），最低為2Kbps。在噪訊問題上，SMBus的誤碼率（BER）相當(dāng)高，容易產(chǎn)生訊息損毀（message corruption）；SST針對不同的協(xié)定進(jìn)行整合、改善訊息大小，并提出對每個訊息封包的訊框檢查序列（frame check sequence；FCS）作法，進(jìn)而有效改善了噪訊的狀況。
在信息的準(zhǔn)確性上，SMBus是一個單位元組（single-byte）協(xié)定，在每個傳送序列的芯片位址和暫存器指標(biāo)（register pointer）位址資料中，所能接收的承載資料（payload）是一組單位元組的資料。為了改善傳輸訊息的效益，SST讓單一訊息中具有讀寫多位元組能力的新協(xié)定。
1. PECI
PECI是Intel新開發(fā)，專門用來報告CPU溫度的單線匯流排界面，而不負(fù)責(zé)溝通電壓方面的信息。它是SST協(xié)定的一個子集，傳輸速度范圍也是介于2Kbps2Mbps，但指令更為簡化，也比SST容易建置。為保證資料的正確性，PECI使用循環(huán)冗余校驗（Cyclical Redundancy Check；CRC）位元組來進(jìn)行錯誤檢驗。請參考（圖五）。
▲圖五：雙核心Xeon 5100系列處理器中的PECI拓樸架構(gòu)。（資料來源：Intel）
2. DTS
今日Intel的CPU核心上都安置了兩種傳感器，一是傳統(tǒng)的溫度二極管（thermal diode；TD），另一種是新的數(shù)碼溫度傳感器（DTS）。DTS具有類比轉(zhuǎn)數(shù)碼轉(zhuǎn)換器（ADC），當(dāng)DTS感測到溫度值后會將結(jié)果儲存在CPU暫存器中，再透過PECI界面將數(shù)據(jù)資料傳送出去，如（圖六）。DTS在CPU芯片上位于更佳的位置，雖然它并不正好位于實際的熱源（hot spot）上頭，因為這樣會影響到CPU的運算能力，不過相較于溫度二極管來說，它的位置已改善許多。
■結(jié)論
散熱雖然是計算機(jī)市場的重大的議題，Intel也為此推出了BTX架構(gòu)，并預(yù)估在今年（2006年）能攻占一半的市場，但目前看起來，ATX仍是市場的主流架構(gòu)。回顧歷史，PC產(chǎn)業(yè)的新造型架構(gòu)往往需要花上56年才能取得八成以上的市占率，進(jìn)而成為主流的架構(gòu)，但預(yù)估BTX可能要花上更多的時間。
BTX的先期采用者是Dell、HP和Gateway等最大品牌的廠商，但在通路市場還很難未出現(xiàn)，相信還需要一段時間才看得到。Intel一開始時雖然大力推動BTX，但仍同時持續(xù)推出ATX造型的主機(jī)板。目前BTX較受重視的優(yōu)勢在于它的低噪音表現(xiàn)，因此對于娛樂性和辦公室的應(yīng)用很有吸引力，尤其是超薄型的PC，但它卻非唯一的選擇。
在散熱技術(shù)上，AMD雖然也已基于AMD兼容的主機(jī)板SuperIO界面的腳位描述而開發(fā)出使用兩線界面的CPU數(shù)碼溫度計，但在公開資料上仍難看到相關(guān)的散熱策略或技術(shù)。Intel在這方面確實領(lǐng)先不少，已提出上述多項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)料上AMD將會觀望市場的發(fā)展，當(dāng)Intel的規(guī)格作法在ODM/OEM的接受度提升到一定程度后，就會跟進(jìn)
實現(xiàn)智能性熱量管理的下一步
在計算機(jī)系統(tǒng)的散熱設(shè)計中，有三大領(lǐng)域的工程師必須坐下來一起談，他們是機(jī)構(gòu)工程師、電子系統(tǒng)工程師及韌體工程師。機(jī)構(gòu)工程師的任務(wù)最重，從機(jī)殼的造型、內(nèi)部主機(jī)板上各元件的配置、出風(fēng)口的規(guī)劃，到散熱效益的模擬驗證等，都得有完整的考量，他們的專長是在機(jī)械與流體力學(xué)方面；電子系統(tǒng)工程師則要負(fù)責(zé)與電子系統(tǒng)相關(guān)的散熱設(shè)計，主要工作在于對熱源的溫度量測，以及對風(fēng)扇的控制規(guī)劃；韌體工程師則要編寫與韌體相關(guān)的散熱執(zhí)行指令。本文將從電子系統(tǒng)的面向來探討散熱管理的前瞻性技術(shù)。
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