深入分析CPU主流散熱技術(shù)
2020-07-16 13:16:12
供稿：網(wǎng)友
隨著CPU單位面積內(nèi)集成的晶體管數(shù)量越來越多，晶體管數(shù)量的增加會使能量消耗以及因此而轉(zhuǎn)換的熱量也隨之水漲船高，更嚴(yán)重的是，它是集中在一個很小的尺寸空間里，這將給散熱帶來相當(dāng)大的難度。若不能有效解決散熱問題，這將是阻礙CPU超頻的一大瓶頸 ，所以給CPU選一款品質(zhì)和散熱效果好的散熱器顯得尤為重要。
除了CPU，顯卡超頻也在近幾年異軍突起，目前頂級的桌面級顯卡GPU集成的晶體管的數(shù)量已經(jīng)數(shù)倍于CPU。比如NVIDIA的G70顯示核心，集成3.02億個晶體管，是Athlon64 X2 4800 的1.31倍，集成度令人嘆為觀止，由于晶體管數(shù)目驚人，顯卡的發(fā)熱量也相當(dāng)客觀，GeForce 7950GX2的TDP已經(jīng)達(dá)到了140瓦，功耗級別不亞于任何一款桌面處理器。在顯卡的超頻上，干冰＋大炮的組合也已經(jīng)使用的相當(dāng)廣泛，創(chuàng)造3D Mark世界紀(jì)錄的顯卡無一例外使用了相當(dāng)極端的冷卻方式。我們將在文章的下面為大家介紹目前主流的散熱解決方案和散熱技術(shù)，希望能為大家在購買散熱器時提供有用的幫助。
目前常見的散熱方式有風(fēng)冷，水冷和干冰/液氮等幾種。相對于后幾種方案，風(fēng)冷散熱器因為成本較低，制造技術(shù)成熟，平臺適用性強等特點而被廣泛使用，加上一些有實力廠商對風(fēng)冷技術(shù)的二次開發(fā)（比如新興的熱管技術(shù)），風(fēng)冷散熱器依舊占據(jù)了當(dāng)面散熱器市場的主流。下面就給大家講講目前常見的散熱器風(fēng)扇技術(shù)，這也是本文重點要介紹的部分?！ ?br />
液壓軸承風(fēng)扇
作為全球最大散熱器制造廠商之一的AVC在引領(lǐng)CPU風(fēng)扇技術(shù)變革過程中的作用不容忽視，其磁懸浮液壓軸承和折緣風(fēng)扇技術(shù)無可質(zhì)疑地成為風(fēng)扇技術(shù)發(fā)展進程中的一個眩目的亮點。AVC的磁懸浮液壓軸承技術(shù)在設(shè)計上獨特而新穎，它它利用磁力懸浮結(jié)構(gòu)配合高度油膜的潤滑，有效延長風(fēng)扇使用壽命，既達(dá)到了雙滾珠軸承穩(wěn)定長壽的目的，又成功解決了高溫運轉(zhuǎn)時的噪音問題。
磁懸浮液壓軸承改進了傳統(tǒng)風(fēng)扇的底部非密封設(shè)計，將風(fēng)扇底部全部密封起來，形成密閉式保油設(shè)計。這樣有效防止了潤滑油脂的揮發(fā)和灰塵進入風(fēng)扇內(nèi)部。如此一來的結(jié)果是風(fēng)扇使用壽命得以大幅度延長。傳統(tǒng)風(fēng)扇由于底部是非密封設(shè)計，潤滑油無法存儲太多。而磁懸浮液壓軸承風(fēng)扇利用底部密閉的特點，設(shè)計了超大儲油空間，可以存儲大量潤滑油脂。這使得軸承時刻保持潤滑狀態(tài)，大大提高了風(fēng)扇使用的穩(wěn)定性?！ ?br />
懸掛靜音風(fēng)扇
彩豐開發(fā)了Colorful獨有的懸掛式靜音風(fēng)扇技術(shù)。該懸掛式靜音風(fēng)扇構(gòu)思巧妙地將風(fēng)扇的支撐點和走線布置轉(zhuǎn)移到了風(fēng)扇的頂端，使送風(fēng)通道沒有任何阻礙，風(fēng)流直接導(dǎo)入散熱片組中。這樣做的效果是既減少了送風(fēng)時因為風(fēng)扇支撐竿的阻礙而導(dǎo)致的風(fēng)向紊亂及哮音，而且在外部使用環(huán)境上起到了風(fēng)扇罩的保護效果。
納米軸承風(fēng)扇
富士康是納米軸承風(fēng)扇技術(shù)的主要推動廠商，因此這也成為富士康最具特點的專利技術(shù)。軸承是風(fēng)扇的核心部件之一，而風(fēng)扇的軸承品質(zhì)的優(yōu)劣將對風(fēng)扇的主要工作效能、散熱風(fēng)扇本身的使用壽命等諸多方面產(chǎn)生重大的影響，富士康的納米陶瓷軸承技術(shù)采用了納米級高分子材料與特殊添加劑充分融合，使用沖模及燒結(jié)工藝制成，內(nèi)含陶瓷粉，具有堅固、光滑、耐磨等特性，能夠承受更惡劣的使用環(huán)境，包括酸性、氧化、高溫等不同環(huán)境。使用這種材料所制成的風(fēng)扇軸承將能夠保持更穩(wěn)定的工作狀態(tài)和抵抗機箱內(nèi)部的局部高溫，具有更長的使用壽命。普通的雙滾珠軸承風(fēng)扇的平均使用壽命一般在8萬小時左右，而采用納米軸承的風(fēng)扇使用壽命能夠達(dá)到12～15萬個小時左右，大大延長散熱器的總使用時間。另外，富士康納米陶瓷軸承的工作表面非常光滑，摩擦系數(shù)僅為軸承鋼的1/8，其直接的好處就是風(fēng)扇在高速轉(zhuǎn)動情況下，不容易磨損和發(fā)熱，自然也就經(jīng)得起長時間工作的考驗。不過從目前實際的銷售情況看，由于成本問題，此類產(chǎn)品銷路并不是很好。//本文來自武林網(wǎng)www.49028c.com轉(zhuǎn)載請注明
擠壓技術(shù)
鋁擠壓技術(shù)是 CPU散熱片制作工藝中較為成熟的技術(shù)，主要針對鋁合金材料的加工，因為鋁合金材料密度相對較低，可塑性比較強。適合采用擠壓技術(shù)。但是隨著CPU主頻的不斷提升，CPU制造工藝的不斷發(fā)展，集成度提高，發(fā)熱量的增加，為了達(dá)到較好的散熱效果，采用擠壓工藝的散熱器體積不斷加大，給散熱器的安裝帶來了很多問題。并且這種工藝制作的散熱片有效散熱面積有限，要想達(dá)到更好的散熱效果勢必提高風(fēng)扇的風(fēng)量，而提高風(fēng)扇風(fēng)量又會產(chǎn)生更大的噪音?！?br />
切割技術(shù)
切割技術(shù)就是把一整塊金屬一次性切割，散熱片很薄、很密，從而有效地增加了散熱面積，這樣就可以在減少電機風(fēng)量情況下，達(dá)到更好的散熱效果，從而大大減少風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音。而且這種工藝可以用于比鋁的散熱系數(shù)更好的銅材料上，和鋁擠壓技術(shù)相比較它的散熱效果要好得多。也是目前市場上中高檔的CPU散熱片使用的制造工藝。
折葉技術(shù)
折葉技術(shù)是是將單片的鰭片排列以特殊材料焊接在散熱片底板上，由于鰭片可以達(dá)到很薄，鰭片間距也非常大，在單位面積可以使有效散熱面積倍增，從而大大提高散熱效果。不過折葉技術(shù)也很復(fù)雜，一般廠家很難保證金屬折葉和底部接觸緊密，如果這點做得不好，散熱效果會大打折扣。
鍛造技術(shù)
鍛造技術(shù)采用了含鋁較高的合金材料，使用鍛造技術(shù)可以將散熱片鑄造的很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁擠壓工藝。鍛造技術(shù)大大提高了散熱器有效散熱面積。但是這種工藝模具損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)成本成倍提高，市場上也少見采用此種技術(shù)的產(chǎn)品。
風(fēng)扇的作用是加快散熱片表面空氣的流動速度，從而提高散熱片和空氣的熱交換速度。風(fēng)扇作為風(fēng)冷散熱器的兩大重要部件之一，它的性能的好壞往往對服務(wù)器散熱器效果和使用壽命起著一定的決定性作用。我們在選購服務(wù)器風(fēng)扇的時候，考慮風(fēng)扇的基本指標(biāo)有以下幾點：
1、風(fēng)扇功率
功率越大，風(fēng)扇風(fēng)力越強勁，散熱效果也就越好。而風(fēng)扇的功率與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速又是有直接聯(lián)系的,也就是說風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，風(fēng)扇也就越強勁有力?！ ?br />
2、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速
風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇的功率是密不可分的，轉(zhuǎn)速的大小直接影響到風(fēng)扇功率的大小。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，向CPU傳送的進風(fēng)量就越大，CPU獲得的冷卻效果就會越好。但是一旦風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速超過它的額定值，那么風(fēng)扇在長時間超負(fù)荷運作之下，本身產(chǎn)生熱量也會增高，而且時間越長產(chǎn)生的熱量也就越大，此時風(fēng)扇不但不能起到很好的冷卻效果，反而會“火上澆油”，另外，風(fēng)扇在高速動轉(zhuǎn)過程中，可能會產(chǎn)生很強的噪音，時間長了可能會縮短風(fēng)扇壽命；還有，較高的運轉(zhuǎn)速度需要較大的功率來提供“動力源”，而高動力源又是從主板和電源中的功率中獲得的，一旦超出主板的負(fù)荷就會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，我們在選擇風(fēng)扇的，同時應(yīng)該平衡風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和發(fā)熱量之間的關(guān)系，最好選擇轉(zhuǎn)速在3500轉(zhuǎn)至5200轉(zhuǎn)之間的風(fēng)扇?！ ?br />
3、風(fēng)扇噪聲
太大的噪音將會影響我們操作電腦的心情，噪音太小通常與風(fēng)扇的功率有關(guān)，功率越大、轉(zhuǎn)速也就越快，噪音自然不可避免的會增大。我們在購買風(fēng)扇時，一定要先試聽一下風(fēng)扇的噪音，如果太大，那么最好是不要買，除非你有特殊的用途。如今風(fēng)扇為了減輕噪聲都投入了一些設(shè)計，例如改變扇葉的角度，增加扇軸的潤滑度和穩(wěn)定度等。現(xiàn)在有很多便宜的風(fēng)扇用的軸承都是油封的，由銅質(zhì)外套和鋼制軸芯組成，長時間工作之后扇軸潤滑度不夠，風(fēng)扇噪音增大、轉(zhuǎn)速減低，這很容易導(dǎo)致機器過熱而出現(xiàn)死機現(xiàn)象，嚴(yán)重的時候還有可能把機芯燒壞?，F(xiàn)在有許多知名品牌的風(fēng)扇開始使用滾珠軸承，這種軸承就是利用許多鋼珠來作為減少摩擦的介質(zhì)。這種滾珠風(fēng)扇的特點就是風(fēng)力大，壽命長、噪音小，但成本相對較高，只有中高檔風(fēng)扇才可能使用到它?！?br />
4、風(fēng)扇排風(fēng)量
風(fēng)扇排風(fēng)量可以說是一個比較綜合的指標(biāo)，因此我們可以這么說排風(fēng)量是衡量一個風(fēng)扇性能的最直接因素。如果一個風(fēng)扇可以達(dá)到5000轉(zhuǎn)/分，不過如果扇葉是扁平的話，那是不會形成任何氣流的，所以關(guān)系到散熱風(fēng)扇的排風(fēng)量的時候，扇葉的角度也是很重要的一個因素。測試一個風(fēng)扇排風(fēng)量的方法很容易，只要將手放在散熱片附近感受一下吹出的風(fēng)的強度即可，通常質(zhì)量好的風(fēng)扇，即使我們在離它很遠(yuǎn)的位置，也仍然可以感到風(fēng)流，這就是散熱效果上佳的表現(xiàn)?！ ?br />
5、風(fēng)扇葉片
同一風(fēng)扇如果其他部分保持不變，只將葉片由五扇葉改為七扇葉，風(fēng)量變化可能不會增加多少。但是就風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速而言，七扇葉的轉(zhuǎn)速會低于五扇葉（通風(fēng)量相同的情況下），相對的如果采用七扇葉風(fēng)扇，軸承的磨損，漏油情況較少，風(fēng)扇的壽命較長。如果五扇葉和七扇葉的轉(zhuǎn)速相同，七扇葉的通風(fēng)量會更大。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，相應(yīng)的壽命就越短，噪音也越大。另外，風(fēng)扇的扇葉越厚，葉片斜角越大，則風(fēng)壓也越大。扇葉的入口角（以45度為最大）也是決定風(fēng)扇通風(fēng)量的重要因素之一。
我們知道，一般來說，風(fēng)扇散熱片底部的厚度越厚越好，對于底部較厚的散熱片，它可以很快吸收到CPU的熱量，存儲的熱量也更多。為了不使CPU長期工作在高溫環(huán)境下。除了要求散熱片本身的導(dǎo)熱性較好以外，還需要更大的風(fēng)流來吹散CPU熱量。如果要把底部的熱量吹走，就需要風(fēng)扇產(chǎn)生足夠的風(fēng)壓，能將風(fēng)流吹到散熱片的底部，對流方式的散熱才能從底部開始進行，這點是請大家在購買散熱器的時候要注意的。
風(fēng)冷散熱器雖然效果不錯，拆卸也比較方面，但由于風(fēng)冷依靠的是空氣對流來進行散熱，受周圍環(huán)境的制約較大。另外，如果過分追求風(fēng)量而提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，不可避免的會帶來噪音過大，電機使用壽命減少等負(fù)面影響。這個時候，水冷散熱的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來，水冷本身就具有較好的散熱效果，與具有熱管的高價風(fēng)冷散熱器相比性能還會更好一些，市售的水冷產(chǎn)品還普遍具有靜音特點，這也是風(fēng)冷散熱器無法媲美的。水的比熱為4.2kJ/(kg*C)，遠(yuǎn)高于銅（0.39kJ/(kg*C)）和鋁（0.88kJ/(kg*C)）的比熱，優(yōu)點是相當(dāng)突出的，高效散熱與靜音使之有在超頻領(lǐng)域絕對充足的存在理由。此外，由于水循環(huán)的特點，大多數(shù)水冷系統(tǒng)包含了CPU、GPU、NorthBridge的一整套散熱方案，是一個較為全面的解決方案。
基本上，一套水冷系統(tǒng)包括具有水箱的水泵，處理器用的散熱組件，以及內(nèi)建風(fēng)扇的輔助熱交換器等幾個部分。為了讓整體散熱效果達(dá)到理想的狀況，水冷系統(tǒng)必須組成一套有機的水循環(huán)體。目前水冷系統(tǒng)的水循環(huán)采用來水泵實現(xiàn)。當(dāng)然，水泵基于自身的工作原理會發(fā)出一定的噪音，不過大多數(shù)噪音能量在水中轉(zhuǎn)換成機械波，而且在外殼的層層包裹之下，幾乎聽不到明顯的噪音。不過，對于水冷使用中容易遇到的問題，我們也歸納了幾點：
第一，水冷固然具有制冷效果好等特點，但也有一些缺點，尤其是對于動手能力不強的人來說，安裝水冷套裝是一件相當(dāng)麻煩的事。即便是內(nèi)置型產(chǎn)品，其安裝也得 破費一番心思，而外置型產(chǎn)品雖然安裝相對簡單，但是在機箱外部放置一個巨大的水桶并不是一種好感覺。頻繁更換容易變質(zhì)的水是相當(dāng)麻煩的，而且占據(jù)不小的空 間。當(dāng)然，水冷最大的不足還在于安全性略顯稚嫩，一旦水渠漏水，后果不堪設(shè)想。不過，隨著水冷技術(shù)逐漸受到DIY玩家的青睞，這一情況已經(jīng)得到散熱器大廠 的重視。
第二，對于水冷系統(tǒng)而言，扣具的重要性勿庸置疑。如果與CPU的表面結(jié)合得不夠緊密，那么散熱效果將大打折扣；如果扣具 設(shè)計得過緊，那么很容易順讓脆弱的CPU核心。此外，各種水管、熱交換器、電源裝置的固定也是一大難題。事實上，以上問題牽涉到不少機械設(shè)計，而這方面無 疑是國外廠商的強項。
第三，水冷周圍的生態(tài)環(huán)境問題。由于水冷液一般處于一個半封閉的使用環(huán)境，與外界空氣隔絕，而且換一次水冷 液一般要使用半年以上，液體長期的單一流動很容易導(dǎo)致細(xì)菌的滋生，時間一長甚至?xí)霈F(xiàn)“綠毛”等藻類生物，污染水冷液，導(dǎo)致水冷效果變差。另外，對于家住 在北方的玩家來說，冬季的嚴(yán)寒也是水冷系統(tǒng)的一個考驗，過低的溫度會讓水冷液結(jié)冰甚至漲破水冷泵。
干冰是二氧化碳的固態(tài)，一般有 塊狀和顆粒狀，表面溫度可達(dá)零下78攝氏度，隨著干冰的融化，會吸收周圍環(huán)境的熱量，發(fā)揮冷凍作用。二氧化碳制冷的方法有兩類，一是將二氧化碳制成干冰， 再以干冰作為消耗性制冷劑，利用干冰升華過程的吸熱現(xiàn)象制冷。另一類就是用二氧化碳作為制冷劑，通過制冷循環(huán)實現(xiàn)連續(xù)制冷。干冰的溫度是-78℃，而在實 際使用中，由于損耗的原因，給處理器表面的制冷溫度通常在零下60度左右。對比冰水冷，這個溫度要低很多，顯而易見會讓處理器有更高的超頻潛力。不過，干 冰在儲藏、運輸、使用過程中有一定的危險性，請用戶在使用前閱讀好相關(guān)說明。
價格方面，由于干冰是很常見的制冷劑，因此全國各大 城市專門的化工廠都有銷售，價格在10～15元/公斤，對于發(fā)燒友來說，這個價格還是可以接受的。常見的干冰又分為餐飲干冰、醫(yī)用干冰和工業(yè)干冰等多種類 型。餐飲干冰一般用于給食品制冷，被酒吧、餐館中廣泛使用，價格比工業(yè)干冰稍高一些，如果購買不到工業(yè)干冰亦可找這些食品銷售部門購買餐飲干冰。市售的干 冰一般以塊狀、顆粒狀或是粉末狀存在，在超頻中都是采用顆?；蚴欠勰罡杀?，盡量不要購買塊狀的，因為大塊的干冰很堅硬難以敲碎?！ ?
使用時，要注意在常溫常壓下干冰的揮發(fā)非常快，不及時使用可是會很快就消失的，尤其現(xiàn)在已經(jīng)進入夏季，一箱20公斤的干冰，放置在常溫室內(nèi)24小時后就 會全部揮發(fā)。使用干冰制冷超頻之前，有兩件事要提醒大家：一是保持房間通風(fēng)，二是戴好防護手套，由于干冰是低溫物質(zhì)，所以在使用過程中一定要注意安全，凍 傷所帶來的疼痛可不亞于燒傷。此外，要注意干冰的加入量，很多人以為把整個炮身塞滿干冰可以起到更好的制冷效果，但卻帶來了很多的凝結(jié)水，水滴到板卡上便 會造成事故。實際上，當(dāng)處理器進入穩(wěn)定運行狀態(tài)之后，制冷與散熱會有一個溫度平衡點，加入過多的干冰也不會讓處理器溫度更低。而成熟的極限超頻者，就能很 好的掌握這個平衡點，用最少的干冰取得最好的制冷效果。
液氮就是液態(tài)的氮氣，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氮氣被降溫到零下196攝氏度就變成了液態(tài)。由于是液體，和蒸發(fā)器底部的接觸比較充分，實際超頻中的損耗較小。從散 熱效果上來看，液氮無疑是最好的，因此液氮是電腦超頻中最高級的制冷手法，也是超頻達(dá)人們 能掌握的最強散熱技術(shù)，無論是挑戰(zhàn)Super Pi成績的CPU超頻陣營，還是沖刺3D Mark名人堂的顯卡超頻團隊，都是液氮超頻的堅定追隨者。
使用中，由于液氮是液體， 因此必須用合適的器械將其從儲液罐中取出，一般是采用保溫杯，然后再倒入蒸發(fā)器當(dāng)中。過程中一定注意安全，要帶上手套操作。液氮與空氣接觸的一層會沸騰， 就像沸水一樣，倒入過程中也會有很多液氮珠飛濺。如果滴落在皮膚上，只要迅速甩掉是不會造成傷害的。在超頻過程中，液氮的使用量與干冰類似，切忌倒?jié)M整個 大炮，最多只要保持2/3的量就足夠了。不過由于液氮的溫度比干冰低很多，因此更要注意防水處理，大炮身上也最好纏上一層厚實的保溫層，既能保持溫度也能 吸收水分。
價格方面，由于空氣中的大部分成分是氮氣，因此液氮的來源很充足，售價也很低廉，通常一公斤4到5元左右，在大中城市 的化工廠處有銷售。但液氮的存儲比較復(fù)雜，需要采用特制的液氮容器，相對于液氮的花費，液氮容器雖然是一次性的投資，但成本比較高，我們觀念中使用液氮超 頻成本高的概念也是因為這個原因。超頻一般使用貯存型容器，10公斤容量的貯存型液氮容器，視質(zhì)量和品牌不同價格在1500～3000元不等。同等容量的 運輸型液氮容器則大約貴出500～1000元左右。液氮容器就和保溫瓶性質(zhì)差不多，運輸要注意不要磕、保持平穩(wěn)?！ ?
關(guān)于超頻散 熱器技術(shù)的介紹就先講到這里，筆者上面寫的文字，比之于整個超頻范疇，不過是冰山一角，由于時間有限，像壓縮機相變制冷之類的散熱技術(shù)的有關(guān)介紹并沒有出 現(xiàn)在文章中，不能不說是一種遺憾。超頻是一門博大精深的學(xué)問，沒有幾年的玩機經(jīng)驗，沒有幾次超頻失敗的經(jīng)歷，是很難稱得上是一個真正的超頻愛好者?！?
