与CPU的温度作斗争！消费电子散热漫谈（其一）

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用手机聊微信，手机不会太热，但用手机来一把农药，就热的不行了，你有没有想过这是为什么？废话，当然是因为手机里面的CPU在发热啊！所以我今天想来聊一聊为啥玩农药就热的不行，而聊微信却没啥感觉。凡是需要用到电的地方，不可避免的都有热的转换，而这经常是产品需要克服和改善的地方。有鉴于此，这一系列文章将会围绕着消费电子产品的发热，来详细地说说散热的那些事儿。
电 x 热

当你按下手机(电脑/游戏机/etc.)的电源开关时，电流在集成电路中开心的奔走，让你的电子产品焕发出活力，为你呈现出精彩缤纷的图像与生动悦耳的声音，同时，它们会发出热量，向外传播。手里的手机可能烫手甚至关机！游戏机和电脑的散热风扇会暴走，发出直升机般的轰鸣，这一切都和它们的起源有关。

您可能会说，但我按下空调的开关就没发热啊，还很凉快呢！额，这个..不在今天的讨论范围之内。如果读者还有幸记得一点点初中物理知识，那么可能会想起来有一种叫做电阻的东西，一直存在于各种类型的电路之中，对的，包括集成电路，甚至还是其重要的组成部分。那么电阻有什么特点呢，没错，就是会发热。

哎，没有电阻就好了，那不就不发热了嘛，可以开开心心的一直爽下去了。

但是很遗憾，由于人类的技术水平限制，无法将现有的制造工艺改进到如此的程度，加上CPU本身的工作特性决定了不发热是不可能的，既然如此，我们就将热量转移走不就行了，没错，这就是今天的主题，为了和这些热量作斗争，我们都采用了哪些工程上的解决方法呢，请接着往下看。
不起眼的基石

在炎炎夏日，没有空调的时候，我们最渴望的除了一瓶冰镇快乐水就是一阵足够凉快的风。在电子工业发展的早期，由于人类制造工艺水平相对低下，集成电路还没有出现的时候，元器件的尺寸比较大，所以虽然早期的计算机体积庞大，但是正由于庞大的体积让热量可以有足够的空间进行消散，仅依赖于空气的自然流动即可满足散热的效果。

但随着人类科技水平的不断提高，电子元器件的尺寸越做越小，并且集成度也越来越高，集成电路的出现不仅标志着电子工业的飞跃，也代表着对散热的需求也越来越高。于是乎人们开始采用一些辅助措施来帮助电子元器件们降降温。

首先出场的便是散热片（Heat sink），长这样。

散热片的工作原理根据牛顿热力学定律和傅里叶定律blah..blah..

简单的说，温度高的地方会不由自主的将热量往温度低的地方传递，我们的电子元器件一般情况下都会被空气所包围，于是将散热片紧紧地贴在元器件的表面，由于热量产生自元器件本身，那么元器件肯定是最热的那个，然后散热片是紧贴着元器件的，那么热量就会被先传导在散热片上面，然后散热片再将热量传递给附近的空气。那么你可能会问了，既然都是给空气，为啥元器件不自己来，还得套一层皮，那么我们就来看看这层皮到底有什么作用。

这是一个加装了散热片的元器件示意图，我们可以看到红色的是热源，上面这些竖条状的就是散热片，在热量散播的过程中，热源与被传递对象的接触面积是影响传递效率的一个非常重要因素，由于散热片上这些像鳍片一样的结构，让散热片整体与空气接触的面积相对于热源平面，扩大了数倍，所以散热效率自然是大大的提高。

面积的大小虽然非常重要，但还是多了一层阻隔，如果元器件产生的热量传导至散热片这一过程本身不是足够高效，那么热量还是会聚积在元器件中，造成损害，所以用来制造散热片的材料都是导热性能良好的铝，奢侈一点的甚至会使用铜。

整个散热片的工作流程如下：

热源产生热量 → 散热片接收热量 → 将热量散发至空气

由散热片散发的热量会加热空气，形成空气流动，发生空气循环，避免了热量的堆积，达到工作目的。

到目前为止，还和风没啥关系，我当然不会说散热片加热空气，引起空气对流产生了风。

随着人类技术水平的不断提高，集成电路的规模越来越大，芯片越做越小，内部包含的元器件也越来越多，只靠散热片已经无法满足散热需求了。这并不是因为散热片的工作模式有什么问题（其实是没法在低成本下找到更好的解决方案），而是因为散热片的尺寸如果做得太大，散热效率衰减会很严重，以及空气的导热效率实在太低了，无法足够有效的让冷热空气进行循环。既然找到了问题，那么解决它就行了，于是乎主动式散热器就粉墨登场了。

散热片的尺寸不够？那我们加把它们放大！变粗！变厚！空气流通太慢？那我们加个风扇呼啦地吹！

就是这么简单粗暴，更大更多的散热鳍片让其接触空气的面积进一步扩大，而在上面进行辅助散热的风扇大大加快了空气的流通速度，将散热片的工作效率最大化，达到了让元器件降温的目的。

上图这种形式的散热器（风扇 + 散热片的组合）一般称为下吹式散热器，它的工作原理十分直观，就是自上而下地将空气吹入散热片中，上面进去的是冷空气，在穿过散热片时带走散热片的热量，从底部被排出。

这样的设计最大的好处是结构简单可靠，不需要复杂的安装过程，直接扣在元器件上就可以了，而且在底部被排出的气流还能兼顾附近那些没有散热片的元器件，让它们的温度也稍微降低一点。

但这样也是最大的缺点，比如说电脑机箱中，CPU是使用的下吹式散热器，如果CPU发热严重，温度很高，而机箱内又没有良好的风道设计，那么下吹的热风会在机箱内四处奔走，将整体的温度抬高。不仅如此，由于风向是朝着元器件吹的，那么必然有一部分热量被带回给元器件本上，造成二次加热，散热效率就打了折扣。因为这样的原因，下吹式散热器一般常见于低性能和低功耗的设备使用，Intel和AMD的原装风扇都是这样。

在这种情况下，既然往下吹会把一部分热量吹回去，那我们侧着吹不就行了？

这就是侧吹式散热器，值得一提的是，侧吹式散热器是一个相当新的设计，进入21世纪之后才出现，因为以前的CPU用下吹式可以满足散热需求。2000年后Intel在CPU设计上将主频一直推高，造成CPU功耗与发热急剧提升，所以才出现了侧吹式散热器。

我们先来看一看侧吹式和下吹式的对比：

我选择了比较新的侧吹式散热器和下吹式散热器，我们可以看到最大的不同当然是风扇的位置不一样，好吧，还有别的，我们可以看到侧吹式散热器上的散热鳍片比下吹式的体积要大很多。由于侧吹式不会将热量吹回元器件本身，而是可以直接配合风道设计将热量排出机箱外面，为了最大化其散热效率，侧吹式散热器的散热鳍片布局十分的紧密，而且厚度非常的薄，更有利于扩大与空气接触的面积。

一般来说，侧吹式散热器的散热效果相较于下吹式散热器，能让元器件的温度降低5 - 10℃，但这只是被动散热的部分，既然散热鳍片的设计能对散热效果产生影响，那挂在上面的散热风扇又是什么样的情况呢？
狂风听我号令

风扇在电脑整机、游戏机等电子产品散热系统里，占了非常重要的作用，因为它承担了将散热片所接收的热量排出的任务，如果一个散热系统中的风扇性能不够或者是位置有问题，那么将会严重影响产品的正常工作，甚至出现结构性损伤，直接报废。

散热风扇发展到现在已经十分成熟，而且门类众多，近几年还流行各种LED灯光加持，配合灯效软件可以轻松打造出各种酷炫的效果，但这些灯效对散热没有任何帮助。用于电子产品的散热风扇和普通的家用落地扇以及吊扇在原理上并没有什么不一样，都是将空气朝一个方向吹出，但是由于体积限制和对噪音控制的需求，散热风扇的设计还是有以下几个特点：

转速比较高，一般的风扇起步都在600 - 800rpm，最高转速能达到 1200 - 1800rpm，特殊用途的风扇甚至能达到3000rpm

扇叶数量多，根据设计功能的不同，风扇的扇叶一般不会少于7片，多的有10多片20片

标准化，现在的散热风扇大部分都按几种固定的尺寸进行设计制造，螺丝孔位以及整体尺寸大小都是标准化了的

目前来说散热风扇分为两个大类：

风压扇（Static Pressure）

风量扇（Air Flow）

我们先说风压扇，顾名思义，这种风扇主要的特点是提供高强度的风压。在风扇工作的过程中，主要是将风扇后面的空气向前推动，从而形成气流，而空气本身是有一定阻力存在的，再回顾一下散热鳍片的设计，会进一步增加这样的阻力。风压扇就是在这样的情况下产生的，简单而言，它们能更“有力”地推动空气，让空气遇到阻碍后强行通过，更好的带走热量。

与之相对的风量扇则是以推动空气的体积为导向，一般来说风量扇会有更多更薄的扇叶，在一次旋转周期内能带动更多的空气。

风压扇一般用于水冷的冷排，或者是有防尘网的场合，因为冷排的散热鳍片密度更大，而防尘网本身就是一种阻隔，所以在这种情况下风压扇更有意义，能将更多的冷空气吸入。

而风量扇的用处十分广泛，可以用于出风和进风，让机箱内部始终保持空气的顺畅流通。

但这并不是绝对的，PC已经发展了这么多年，由于其出色的可定制性早就了无数的厂商为其生产各式各样的零部件，在散热风扇这个市场上也存在着高中低端各种各样的产品，对于低端产品来说，风量、风压的概念并没有意义，因为孱弱的性能只能是解决有无，而性能强劲的风压扇也能带来可观的风量（在高转速下），反之亦然。

虽然散热风扇的结构一目了然：马达和扇叶，但这里的学问非常的多，比如马达的类型决定了噪音的大小等，而扇叶的造型与排布方式的不同，又可以让出风量和风压完全不一样。

但这还不够，人类继续追求着更高更好的散热效果，随着散热片的体积越来越大，光靠其本身已经无法足够有效的将元器件的热量吸收并让风扇带走，于是乎一项新的武器被人们纳入了武备库，这就是热管（Heat Pipe）。

我相信只要拆过笔记本的读者肯定见过热管，因为这个东西的造型实在太“醒目”了，因为热管的造型和颜色在笔记本内部独树一帜。

热管的工作原理其实十分简单，我们都知道冰在化成水的时候会吸收大量的热，让周围的温度降低，这也是我们为啥会在可乐里面加冰的原因，热管的工作过程和这类似，不同的是热管内部是液态的物质。

我们将接触元器件的一端称为热端，而远离元器件的一端称为冷端，当元器件产生的热量传递到热端的时，热管内的液体被加热，变成蒸汽，蒸汽往冷端移动。到达冷端后由于冷端温度较低，释放热量重新成为液体。在毛细管效应、离心力或者重力（根据不同的放置情况与热管类型）的作用下，液体回流到热端，重复这个过程。热管的效率是非常高的，对于某些长热管来说，导热率能达到100kW/(m·K)。

不同的设备与产品对热管的应用有所不同，笔记本及其他的我们以后再聊，现在先来讲讲传统PC对热管的使用。

上面我们介绍了下吹和侧吹两大类散热器，热管在PC散热系统中的应用比侧吹式散热器早，比下吹式晚，还是由于CPU性能的爆炸式增长，热管最终都出现在了这两种散热器上。

图中这个下吹式散热器是AMD(yes!) Ryzen 2700X的原装散热器，这个散热器最大的特点是全透明R!G!B!风扇，不对，是在上一代1700原装散热器的基础上添加了四根热管，我们可以很明显的看到弯弯曲曲的，从散热鳍片中横穿而过的热管。这样布置的热管可以让尽可能多散热鳍片接受来自CPU的热量，但热管的加入并不能改变下吹式散热器性能不够的情况，只能说尽量地提高了一点性能。

出于成本和尺寸的考量，下吹式散热器一般都是四根热管，而到了目前主流的侧吹式散热器那就是另一个情况了。
起步当然和下吹式散热器一样，是四根热管，既然有了四，那我们再加两根怎么样？都加了两根了，那再来俩吧。既然都八根热管了，那么散热鳍片再来一套？

既然有了四，那我们再加两根怎么样？

都加了两根了，那再来俩吧。

既然都八根热管了，那么散热鳍片再来一套？

在忽略了成本与体积的限制下，侧吹式散热器有很多丧心病狂的设计，而散热效率比下吹式高了不知多少，当然，价格也高了几倍。

侧吹式散热器的风扇是横着吹的，那么热管排布自然是垂直方向才能取得最好的效果，而且垂直排布的热管长度可以比纵向排布的长度要更长，这样也可以让散热鳍片的面积和规模更大，更加有利于散热效果。这也是侧吹式性能完爆下吹式的根本原因。

介绍完散热器、风扇，还有一个至关重要的东西不能忘了，在元器件的封装，即那些各种颜色的外壳与散热片的接触并不能保证是完全无缝的，如果有空气在中间的话，那么传导效率会大大下降，所以这就引出了下一个重要的配件，散热膏。

而散热膏只是一个统称，我们常见的都是硅脂，是一种流体，看起来黏糊糊的。还有固体状态的散热垫，一般的卖点是可以重复使用，以及小众而暴力的液态金属。

常见的硅脂导热效率一般在3 - 6W/(m·K)，而液态金属的到热效率可以达到恐怖的73W/(m·K)。但是高性能带来了高风险，我们日常使用的散热膏都是完全绝缘的，就算是在使用过程中出现了失误，除了会弄得有点脏以外没有别的影响，但是液态金属就不一样了，它是，金属。如果没有做好保护措施或者不慎漏了出来，那么轻则烧毁使用的部件，重则整机报废。而且液态金属的价格也比常规硅脂高很多，基本上高端硅脂的价格在 10 - 15元/g，而液态金属的话需要80元甚至更高的价格才能购买1g。

有需求才有进步

硬件设计工程师们通过散热片、散热膏、散热风扇以及无处不在的热管，打造了一系列强而有力的散热产品，归根结底还是因为芯片行业的飞速发展。自20世纪80年代后，以Intel为代表的一系列芯片厂商开始崭露头角，为人类的信息革命提供了强劲的动力，芯片的性能遵照着摩尔定律开始稳步提升。人类通过最尖端的加工工艺制造出了一块块堪称艺术品的工业结晶，而这些结晶需要最强有力的散热系统作为支撑才能稳定高效的工作。

对于PC游戏来说，CPU的高频率永远是最重要的，在Intel开发出Turbo Boost睿频技术之后，CPU实现了自动超频，随之带来的是更高的性能与更多的热量，为了保护CPU自身不受损，CPU厂商都设置了温度墙，当CPU核心温度达到一定范围时会自动进行降频操作，避免过热损坏。为了维持CPU持续稳定的高性能输出，才有了侧吹式与热管相结合的散热器。更强的散热能力可以让CPU发挥出更强的性能，举一个非常常见的例子，游戏直播。

在过去，单个CPU在有相对应显卡与足够内存的支持下，可以完美流畅的运行3A游戏，这是理所当然的，但在此之上还想要进行高画质的网络直播，那性能可能就不够了，除非将CPU超频至非常夸张的程度。比如Intel i7 7700K不需要超频都不会成为任何游戏的瓶颈，卡顿那也只可能是显卡不够，但是加上网络直播这样需要进行实时视频转码编码的强CPU负载的任务时，其四核心八线程的性能便成为了明显的短板，就算强行超频到可以勉强流畅直播的程度，芯片所发出的热量也无法正常工作（起码在常规散热条件下）。于是乎大部分网络主播采用的都是一台电脑作为游戏主机，一台电脑作为专门的直播推流主机，这样才可以保证自己正常游戏的前提下，进行高画质流畅的直播。这样做几乎没有缺点，除了一个，你得配两台电脑，而且推流的主机配置还不能太低，成本会非常的高。

但是随着CPU性能的进一步提高，2018年的现在，一台电脑，一块CPU完全可以实现高画质游戏的同时，进行流畅高品质（1080p 60fps 8000kbps）的游戏直播工作。拿Intel最新的八代i7 8700K作为对比，六核心十二线程的设计，理论性能比i7 7700K要高出50%，不仅如此，在增加了两个物理核心的情况下，对于核心频率没有任何妥协。依然是极高的基础频率和睿频频率，能够满足同时运行PUBG高画质与直播推流的任务需求。这样网络主播们就可以省下一台推流主机的钱，投入到显卡或者是别的外设上去。不仅如此，多核心带来的性能提升还体现在更多的方面，小到解压缩文件，大到进行视频渲染，对用户体验的提升是全面性的。虽然性能是大幅度提升，随之而来的就是热量的大幅度增加，超频至4.8Ghz的i7 8700K对于普通的单塔侧吹式六热管散热器（上图的千石船）来说，已经不是压不压得住的问题了，而是会不会破90℃的问题，更不要提“基本盘”5.0Ghz了，所以性能更强的散热产品就有了用武之地，比如一体式水冷或者是分体式水冷。

正是由于芯片性能的不断进步，才让各大厂家不遗余力的推出各种散热产品，让广大用户的体验进一步提升。
总结

散热系统充分体现了木桶效应，有一个环节有瓶颈，那么整体散热效果就会非常糟糕。一个设计良好的散热系统应该具有以下几个特点：

成本可控，维护方便

性能合理，既不追求极限地降低温度，也不存在过热现象

R!G!B!

下一篇文章我将简要介绍一下水冷和笔记本的相关内容，感谢各位老爷看到这里，我们下篇文章再见。