風冷散熱還能堅持多久--談CPU散熱器的發展
2020-07-16 13:15:38
供稿：網友
往年夏天被視為計算機超頻者最害怕的季節，盡管他們的CPU還有被燒毀，但是在玩3D游戲之前，這些人肯定會不自覺地打開空調，或者索性將落地小電扇直接對準機箱一陣猛吹。但是今年夏天忐忑不安的人群中已經不再是唯超頻者了，ALTHON XP和PENTIUM 4的高主頻版本用戶也時不時地害怕一下。
高主頻難逃的逆論
當Intel發布Pentium4 3.06GHz的時候不得不提出了新的散熱標準，而AMD的盒裝ALTHON XP即便升級為BARTON的.13工藝，散熱套件也變得越來越碩大。傳統的Pentium3時代的小風扇，甚至slot 1格式早期的單純散熱片都已經被沉重的打入了歷史。在Pentium 4的包裝盒內說明書中，指定要求Willamette工藝及以后的產品必須采用銅質散熱片和主動散熱方式，而且散熱器的重量不得低于450克，以產生對CPU表面達到75磅的壓力。如此苛刻的散熱要求遠遠超過使用者的重視程度。
其實讓我們看看目前CPU的電壓就能夠知道高主頻的熱能逆論了。Pentium4 1.80GHz(Willamette)為66.1W，采用新Northwood0.13微米工藝的Pentium4 2.0AGHz降為54.3W，但是Pentium4 3.06GHz就達到了81.8W這樣難以控制的地步。一貫被視為散熱大戶的AMD的ALTHON XP更要加上一個數量級，而由于BO版本的ALTHON XP太好超頻了，1700 和1800 幾乎一個不落的被拿回家去超頻。
為此INTEL推出了規范機箱的ATX 2.03標準，就是出于對目前高散熱問題的擔憂。過大散熱片會因為自重問題而綴壞主板，而高轉速的風扇又無法解決強大噪音的問題，而且機箱內部問題過熱也困擾著硬盤、光驅和顯卡這些高散熱的附件。也正是拜Intel和AMD的所賜，一些列專門設計制造風冷散熱套件的公司應運而生。
風冷散熱分析
擠壓熱表面，實現高低不等能量體傳遞能量，這幾乎是目前風冷散熱一致性的散熱傳導模式。盡管物理學上還有對流和輻射，但是能夠依靠大面積的散熱片輻射出去的能量并不多，尤其是面對高熱的CPU和狹小的機箱空間，而風扇對散熱片的持續送風，則可以被視為對流傳遞能量?？梢园l現一個小小的風冷散熱套件居然將物理學上的三大熱傳導方式都集于一身，可謂苦心經營。不過風冷散熱套件仍然是成本最低的模式，相比水冷又更加實用與安全，畢竟電子設備與導體水之間的隔閡還是非常大。
目前風冷散熱主要的組成部件還是散熱片、風扇和扣具三部分，一些新的風冷散熱套間還加裝了可調節的風扇，往往通過一個PCI卡口附帶調節按鈕來實現，這要歸罪于風扇轉速過高而引發的噪音危機。很多人并不重視風冷散熱套件，畢竟相比CPU、顯卡等重要部件，一個散熱零件，不論在技術含量上，還是從價格上，似乎都不值得用戶費那么多注意力來關注。其實面對后DIY時代，計算機零件越來越標準化，可選擇性其實是越來越小，而散熱問題由于其較強的動手性和可操作性，被越來越多喜愛DIY過程的用戶視為難得的樂趣所在。
散熱片：銅鋁合體的技術優勢
目前普遍使用的散熱材料集中在銅、鋁上，從比熱角度看，鋁的卡/千克*°C為217，銅則為93，也就是說加熱同重量的鋁和銅，要分別輸入217和93卡的能量，從這個角度看鋁的比熱很具有優勢，這也是為什么目前大多數散熱片都以它為主要原料。而熱傳導系數也是一個不可低估的指數，從CPU到散熱片表面的傳導外，散熱片整體的能量分布如何也是一個很關鍵的問題。鋁為237W/單位長度卡，而銅則為400W/單位長度卡。此外鋁和銅的質量比也是值得我們注意的數字，銅的質量是鋁的三倍，也就是說在相同體積情況下，銅的單位重量將是鋁的三倍。雖然銅的比熱沒有鋁好，但是它可以在較小的面積上實現更高的密度，如果簡單用鋁的比熱217和三倍它的銅的比熱93*3=279計算就會發現，銅在相等面積上的優勢，而且銅的熱傳導系數又高達400W/單位長度卡，幾乎是鋁的一倍，所以目前散熱片往往銅的效果更好。但是這并不代表銅將一統天下，鋁仍有自己的位置，除了低端產品仍然使用鋁外，即便是銅散熱片，也離不開鋁的參與。因為鋁的質量輕，如果整個散熱片都是用銅，那無疑極度沉重，很難做出大的表面積給風扇作熱對流，而鋁小質量大面積，熱傳導性能也不錯的特性，使得鋁往往成為銅的配角。所以銅鋁合體的散熱片成為了兩個集合的優化組合。
此外散熱片的散熱鰭片也是一個頗具學問的部位，鋁幾乎是散熱鰭片的絕對材料，除了能夠增大散熱表面積外，便于塑注也是很重要的原因，因為鋁是最普遍和方面的被添加其他材料作為鋁合金的材料，所以為了增強散熱片的硬度，往往在其上加入一些鐵或者鉛，雖然鋁的純度不再是100%，但是1%的雜質并沒有過多的降低散熱的熱傳導性能。卻能夠大大增強鋁的延展性和可切割性。這令散熱鰭片可以做的千奇百怪。根據散熱片鍛造工藝壓注法的不同，鰭片做成多種立體形狀，除了表面積的考慮外，如何令風扇送風覆蓋平均，不出現熱能回流是設計中非常具有學問的。
在于cpu直接接觸的表面，很多廠商往往貼上一個半金屬的副墊，因為金屬散熱片接觸點不能保證100%平滑，如果有一個觸點沒有與cpu碰到，結果將只有燒毀cpu，所以很多廠商往往貼上半金屬的副墊。但是副墊的效果還是不夠理想，良好的硅膠仍是最佳的選擇。硅膠就像膩子一樣撫平每個細小的點，令cpu與散熱片能夠真正的100%接觸。
風扇：轉速、噪音與無聊的閃燈
評判風扇的好壞，將直接影響整套散熱系統的效能。比較重要的指標還是看風扇的風量與風壓，這兩個指標將直接影響效能，而不僅僅是風扇的轉速，此外如何在轉速、噪音與何種軸承之間尋找一個平衡點也是很重要的問題。ALTHON XP2600 和PENTIUM 4 2.80GHz幾乎成為了一道難以逾越的分水嶺，在這里，所有用戶能夠忍受的噪音與散熱效果這個平衡點將遭受極大的挑戰。此外這里也將是散熱風冷系統價格的畫檔線，70元以上和70元以下的不同風扇就此分開。
實際上轉速高的風扇并不等于散熱效果好的系統，因為風量和風壓這兩個直接效果指標將受到來自于風扇扇葉本身尺寸、角度和厚度的影響，只要搭配合理，即便2500轉的風扇效果并不比4000轉的低，而且風扇扇葉的增加也是一個捷徑的解決方案，扇葉的增加意味著風量的增大。但問題又出現了，風量的增加對應的風壓會降低，所以平衡點在風扇上將體現得無處不在。此外受風的散熱片和其繁多的鰭片的布局也是很重要的，不然高壓風吹進鰭片的流動不暢，也會增大磨耗和噪音。因為風扇的標準大小是60*60mm，所以制造商們往往在厚度上下功夫，越大噪音也大的規律雖然不能一棒子打死，但整體趨勢確實如此。
此外軸承也是一個值得重視的部件，很多不必要的噪音都是來自于此。目前比較流行的是單滾珠軸承、雙滾珠軸承、油封軸承和液壓軸承，而磁懸浮、汽化軸承等則造價高昂。不同的軸承對于風扇的轉速略有影響，但并不大，更多的是涉及噪音問題。液壓軸承噪音最小，以此類推將是油封軸承、雙滾珠軸承、單滾珠軸承。但是液壓軸承和油封軸承都受到嚴重的壽命困擾，油封軸承幾乎可以肯定壽命超不過2年，自然的揮發將是不可避免的。所以在購買之前都是需要考慮的問題。
最近散熱風扇跟隨機箱一起，開始流行使用發光二極管營造色彩，雖然夜里看炫目多彩，但是計算機作為實用主義的東西，尤其是風扇這種消耗品，過多的在其上增加二極管并沒有什么真正的意義，甚至有可能影響風扇的轉速。從這里我們似乎又看到了后DIY時代華而不實的風格。
