筆記本CPU散熱簡(jiǎn)介

1、筆記本CPU散熱簡(jiǎn)介1.CPU散熱背景介紹2.CPU散熱系統(tǒng)3.CPU散熱弊端4.CPU散熱優(yōu)化1.1 CPU散熱器發(fā)展背景 早期的早期的CPU芯片功率不足芯片功率不足10W，不需要用散熱器。，不需要用散熱器。上世紀(jì)上世紀(jì)90年代中期以后，隨著年代中期以后，隨著CPU主頻和集成度大幅度提高，主頻和集成度大幅度提高，CPU的功的功率和發(fā)熱量明顯提高。率和發(fā)熱量明顯提高。到到2004年年Intel公司推出的公司推出的Pentium4主頻主頻為為3.6GHz的的CPU功率更是達(dá)到功率更是達(dá)到115W。如此巨大的功率嚴(yán)重威脅。如此巨大的功率嚴(yán)重威脅到到CPU的工作和發(fā)展，而的工作和發(fā)展，而CPU必須借

2、助散熱器才能工作，雖然必須借助散熱器才能工作，雖然Intel在在2006年下半年推出酷睿雙核將功耗降低近一半，每個(gè)核年下半年推出酷睿雙核將功耗降低近一半，每個(gè)核心的功耗只有心的功耗只有30W至至35W，與上一代因特爾臺(tái)式機(jī)處理器產(chǎn)品相，與上一代因特爾臺(tái)式機(jī)處理器產(chǎn)品相比，因特爾酷睿比，因特爾酷睿2臺(tái)式機(jī)處理器在提供臺(tái)式機(jī)處理器在提供1.4倍的倍的CPU計(jì)算性能同時(shí)，計(jì)算性能同時(shí)，能耗降低了能耗降低了40%，但是對(duì)于現(xiàn)在一些四核的，但是對(duì)于現(xiàn)在一些四核的CPU來(lái)說(shuō)，功率仍然來(lái)說(shuō)，功率仍然很高。為適應(yīng)很高。為適應(yīng)CPU的不斷發(fā)展，的不斷發(fā)展，CPU散熱器也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。散熱器也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。1

3、.2 CPU的溫度CPU是由晶體管組成的是由晶體管組成的晶體管最耐受高溫度為晶體管最耐受高溫度為130度度，一般，一般的晶體管元件的的標(biāo)稱最高溫度是的晶體管元件的的標(biāo)稱最高溫度是120度度。所以其理論最高熱耐。所以其理論最高熱耐受溫度應(yīng)該和晶體管元件一樣為受溫度應(yīng)該和晶體管元件一樣為120度度。但實(shí)際上到了。但實(shí)際上到了100度度左左右就會(huì)對(duì)右就會(huì)對(duì)CPU內(nèi)部的晶體管造成永久性傷害，過(guò)高的溫度會(huì)使內(nèi)部的晶體管造成永久性傷害，過(guò)高的溫度會(huì)使晶體管效能降低，同時(shí)加速晶體管效能降低，同時(shí)加速CPU的老化，我們建議最高將的老化，我們建議最高將CPU的溫度控制在的溫度控制在75度以下度以下以維護(hù)電腦的穩(wěn)

4、定性和以維護(hù)電腦的穩(wěn)定性和CPU的壽命。的壽命。1.3 CPU熱量的來(lái)源CPU的溫度來(lái)自哪里，為什么會(huì)產(chǎn)生這么高的溫度呢？的溫度來(lái)自哪里，為什么會(huì)產(chǎn)生這么高的溫度呢？了解了解CPUCPU的發(fā)熱我們要先來(lái)了解一個(gè)的發(fā)熱我們要先來(lái)了解一個(gè)CPUCPU的重要參數(shù)的重要參數(shù)TDPTDP。TDPTDP的英文全稱是的英文全稱是“Thermal Design PowerThermal Design Power”，中文翻譯為，中文翻譯為“熱熱設(shè)計(jì)功耗設(shè)計(jì)功耗”，是反應(yīng)一顆處理器熱量釋放的指標(biāo)，它的含義是當(dāng)處，是反應(yīng)一顆處理器熱量釋放的指標(biāo)，它的含義是當(dāng)處理器達(dá)到負(fù)荷最大的時(shí)候，釋放出的熱量，單位為瓦（理器達(dá)到

5、負(fù)荷最大的時(shí)候，釋放出的熱量，單位為瓦（W W）。）。CPUCPU的的功耗包括功耗包括“運(yùn)算所用功耗運(yùn)算所用功耗”和和“發(fā)熱功耗發(fā)熱功耗”兩部分，而且兩部分，而且“運(yùn)算所運(yùn)算所用功耗用功耗”和和“發(fā)熱功耗發(fā)熱功耗”在實(shí)際運(yùn)行中是隨著在實(shí)際運(yùn)行中是隨著CPUCPU負(fù)荷的大小動(dòng)態(tài)負(fù)荷的大小動(dòng)態(tài)變化的。而變化的。而TDPTDP是指是指CPUCPU電流熱效應(yīng)以及其他形式產(chǎn)生的最大熱能，電流熱效應(yīng)以及其他形式產(chǎn)生的最大熱能，是一個(gè)固定值。顯然是一個(gè)固定值。顯然CPUCPU的的TDPTDP（最高釋放熱量）小于（最高釋放熱量）小于CPUCPU的最大功的最大功耗，但在實(shí)際運(yùn)行中，耗，但在實(shí)際運(yùn)行中，CPUCP

6、U的功耗和發(fā)熱往往最不總是以最大狀態(tài)的功耗和發(fā)熱往往最不總是以最大狀態(tài)出現(xiàn)。出現(xiàn)。進(jìn)一步區(qū)分，進(jìn)一步區(qū)分，CPU的功耗是的功耗是CPU從主板上獲取的功率從主板上獲取的功率，是要求，是要求主板供電設(shè)計(jì)時(shí)考慮的。而主板供電設(shè)計(jì)時(shí)考慮的。而TDP是是CPU最大發(fā)出的熱量，是對(duì)散熱最大發(fā)出的熱量，是對(duì)散熱系統(tǒng)提出要求，要求散熱系統(tǒng)能夠把系統(tǒng)提出要求，要求散熱系統(tǒng)能夠把CPU發(fā)出的熱量及時(shí)的散掉，發(fā)出的熱量及時(shí)的散掉，也就是也就是TDP是要求是要求CPU的散熱系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)必須能達(dá)到的必須能達(dá)到的最大熱量驅(qū)散速度最大熱量驅(qū)散速度。1.3 CPU熱量的來(lái)源 CPU的熱量來(lái)自的熱量來(lái)自三個(gè)部分三個(gè)部分： 第

7、一個(gè)是正常的運(yùn)算過(guò)程中晶體管第一個(gè)是正常的運(yùn)算過(guò)程中晶體管里的里的電熱效應(yīng)電熱效應(yīng)，這個(gè)是無(wú)法避免的，因?yàn)槌顺瑢?dǎo)體之外的任何，這個(gè)是無(wú)法避免的，因?yàn)槌顺瑢?dǎo)體之外的任何導(dǎo)體都有電阻就都會(huì)發(fā)熱。導(dǎo)體都有電阻就都會(huì)發(fā)熱。 還有兩種發(fā)熱是由于還有兩種發(fā)熱是由于CPU里的里的兩種泄漏電流兩種泄漏電流導(dǎo)致的。導(dǎo)致的。這兩種電流：這兩種電流：一是門泄漏：一是門泄漏：這是電子的一種自發(fā)運(yùn)動(dòng)，由負(fù)極的硅底板通過(guò)這是電子的一種自發(fā)運(yùn)動(dòng)，由負(fù)極的硅底板通過(guò)管道流向正極的門；管道流向正極的門；二是通過(guò)晶體管通道的硅底板進(jìn)行的電子自發(fā)從負(fù)極流向正極二是通過(guò)晶體管通道的硅底板進(jìn)行的電子自發(fā)從負(fù)極流向正極的運(yùn)動(dòng)。的

8、運(yùn)動(dòng)。這個(gè)被稱作這個(gè)被稱作亞閾泄漏亞閾泄漏或是或是關(guān)狀態(tài)泄漏關(guān)狀態(tài)泄漏( (也就是說(shuō)當(dāng)晶體管也就是說(shuō)當(dāng)晶體管處于處于“關(guān)關(guān)”的狀態(tài)下，也會(huì)進(jìn)行一些工作的狀態(tài)下，也會(huì)進(jìn)行一些工作) )。這兩者都需要提高門。這兩者都需要提高門電壓以及驅(qū)動(dòng)電流來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。這兩種情況都加大了能量消耗和電壓以及驅(qū)動(dòng)電流來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。這兩種情況都加大了能量消耗和CPUCPU的發(fā)熱量。的發(fā)熱量。 1.3 CPU熱量的來(lái)源1.3 CPU熱量的來(lái)源可以以傳統(tǒng)的白熾燈來(lái)做個(gè)類比，其可以以傳統(tǒng)的白熾燈來(lái)做個(gè)類比，其可見光部分可見光部分的能耗相當(dāng)于的能耗相當(dāng)于CPU運(yùn)算所需的能耗運(yùn)算所需的能耗，而，而熱能熱能（包括熱量和紅外線部分）則

9、類比（包括熱量和紅外線部分）則類比CPU發(fā)熱所消耗的能耗發(fā)熱所消耗的能耗。2 CPU的散熱系統(tǒng)這是典型的筆記本電腦的這是典型的筆記本電腦的散熱系統(tǒng)。它采用的是典散熱系統(tǒng)。它采用的是典型的一根熱管照顧三塊芯型的一根熱管照顧三塊芯片（片（CPUGPU北橋）的北橋）的散熱模式。這樣的設(shè)計(jì)，散熱模式。這樣的設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是 CPU 和和 GPU 會(huì)互相拖累，會(huì)互相拖累，并且很難讓兩個(gè)高發(fā)熱芯并且很難讓兩個(gè)高發(fā)熱芯片同時(shí)緊貼散熱器的吸熱片同時(shí)緊貼散熱器的吸熱面。面。筆記本散熱系統(tǒng)是一個(gè)串行的體系。熱量從源頭，通筆記本散熱系統(tǒng)是一個(gè)串行的體系。熱量從源頭，通過(guò)熱傳遞導(dǎo)出到外界

10、空氣的過(guò)程，要經(jīng)過(guò)如下介質(zhì)：過(guò)熱傳遞導(dǎo)出到外界空氣的過(guò)程，要經(jīng)過(guò)如下介質(zhì)：芯片芯片DIE、導(dǎo)熱硅脂、銅吸熱面、焊錫、熱管、焊錫、導(dǎo)熱硅脂、銅吸熱面、焊錫、熱管、焊錫、散熱鱗片。散熱鱗片。其中，其中，芯片的芯片的DIE，就是芯片晶圓的硅制外殼，它可以保護(hù)內(nèi)部，就是芯片晶圓的硅制外殼，它可以保護(hù)內(nèi)部精密的晶體管電路不受氧化和磨損，更重要的是，能把內(nèi)部電路產(chǎn)精密的晶體管電路不受氧化和磨損，更重要的是，能把內(nèi)部電路產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到表面。生的熱量傳導(dǎo)到表面。從上圖可以看出，熱量從芯片內(nèi)部產(chǎn)生后，要經(jīng)過(guò)從上圖可以看出，熱量從芯片內(nèi)部產(chǎn)生后，要經(jīng)過(guò)7層介質(zhì)，才層介質(zhì)，才會(huì)散發(fā)到周圍的空氣中。類比電路，我們可

11、以看出，這里的熱量傳會(huì)散發(fā)到周圍的空氣中。類比電路，我們可以看出，這里的熱量傳導(dǎo)，是一個(gè)串行的體系。各種介質(zhì)，導(dǎo)熱的能力，有一個(gè)物理常量導(dǎo)，是一個(gè)串行的體系。各種介質(zhì)，導(dǎo)熱的能力，有一個(gè)物理常量來(lái)衡量，那就是導(dǎo)熱系數(shù)，又稱導(dǎo)熱率。下面，我們就對(duì)于這些介來(lái)衡量，那就是導(dǎo)熱系數(shù)，又稱導(dǎo)熱率。下面，我們就對(duì)于這些介質(zhì)進(jìn)行分析。質(zhì)進(jìn)行分析。熱導(dǎo)率定義為單位截面、長(zhǎng)度的材料在單位溫差下和單位時(shí)間熱導(dǎo)率定義為單位截面、長(zhǎng)度的材料在單位溫差下和單位時(shí)間內(nèi)直接傳導(dǎo)的熱量。內(nèi)直接傳導(dǎo)的熱量。Q：傳遞的熱量，：傳遞的熱量，L：長(zhǎng)度，：長(zhǎng)度，S：截面積，：截面積，T：兩端溫差，：兩端溫差，t：時(shí)間。時(shí)間。QLSTt

12、常見的介質(zhì)導(dǎo)熱率如下：常見的介質(zhì)導(dǎo)熱率如下：名稱導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)w/(mk)銅401鋁238固態(tài)硅脂0.5-2傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏2-7液態(tài)金屬70焊錫66我們我們CPUCPU所用的導(dǎo)熱硅脂，也就所用的導(dǎo)熱硅脂，也就“傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏傳統(tǒng)導(dǎo)熱膏”的導(dǎo)熱率，是最的導(dǎo)熱率，是最大的瓶頸。但是，為什么我們還要用導(dǎo)熱硅脂呢大的瓶頸。但是，為什么我們還要用導(dǎo)熱硅脂呢? ?3 CPU散熱弊端散熱弊端因?yàn)椴煌橘|(zhì)之間，往往接觸是不完好的，縫隙中混入了空氣，空因?yàn)椴煌橘|(zhì)之間，往往接觸是不完好的，縫隙中混入了空氣，空氣的導(dǎo)熱率更低。這樣會(huì)造成很大的氣的導(dǎo)熱率更低。這樣會(huì)造成很大的接觸熱阻接觸熱阻( (熱阻是導(dǎo)熱率的倒熱阻是導(dǎo)

13、熱率的倒數(shù)數(shù)) )。所以我們必須在芯片表面涂上導(dǎo)熱硅脂。所以我們必須在芯片表面涂上導(dǎo)熱硅脂。導(dǎo)熱硅脂必須存在，但是，這不可避免的，會(huì)造成了散熱體系中的導(dǎo)熱硅脂必須存在，但是，這不可避免的，會(huì)造成了散熱體系中的瓶頸。瓶頸的存在，導(dǎo)致了它的前端介質(zhì)不斷的堆積熱量，也就導(dǎo)瓶頸。瓶頸的存在，導(dǎo)致了它的前端介質(zhì)不斷的堆積熱量，也就導(dǎo)致了芯片的溫度持續(xù)升高。致了芯片的溫度持續(xù)升高。這樣的導(dǎo)熱硅脂，價(jià)格便宜，穩(wěn)定性好，廣泛用于我們的筆記本電這樣的導(dǎo)熱硅脂，價(jià)格便宜，穩(wěn)定性好，廣泛用于我們的筆記本電腦里。我們把他稱為液態(tài)硅脂，因?yàn)樗浅柿黧w狀的。這樣的液態(tài)腦里。我們把他稱為液態(tài)硅脂，因?yàn)樗浅柿黧w狀的。這樣的

14、液態(tài)硅脂還有一些添加銀粉和其他添加劑制程的高端硅脂，例如硅脂還有一些添加銀粉和其他添加劑制程的高端硅脂，例如信越信越7783，就含有納米級(jí)的銀粉，導(dǎo)熱率從普通硅脂的，就含有納米級(jí)的銀粉，導(dǎo)熱率從普通硅脂的0.5-2w/mk提升提升到了到了7w/mk顯卡芯片上方有一塊比較厚的固態(tài)硅脂，這不同于之前的液態(tài)硅脂，顯卡芯片上方有一塊比較厚的固態(tài)硅脂，這不同于之前的液態(tài)硅脂，它的導(dǎo)熱能力更差。它的導(dǎo)熱能力更差。由于厚度往往在毫米級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸面之由于厚度往往在毫米級(jí)別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸面之間的縫隙，所以熱阻比液態(tài)硅脂要大間的縫隙，所以熱阻比液態(tài)硅脂要大10倍以上倍以上。單熱管照顧兩塊以上的芯片時(shí)，就要保

15、證兩塊芯片都要在一個(gè)水平單熱管照顧兩塊以上的芯片時(shí)，就要保證兩塊芯片都要在一個(gè)水平面上，或者高度為定值。焊接在熱管上的兩塊銅制吸熱面，要同時(shí)面上，或者高度為定值。焊接在熱管上的兩塊銅制吸熱面，要同時(shí)保證嚴(yán)格緊貼兩塊芯片的表面，在力學(xué)上是很難的，勢(shì)必加大了成保證嚴(yán)格緊貼兩塊芯片的表面，在力學(xué)上是很難的，勢(shì)必加大了成本和裝配時(shí)的報(bào)廢率。本和裝配時(shí)的報(bào)廢率?？繌椥月萁z或者彈性金屬片的下壓固定方式，只能保證一個(gè)芯片和靠彈性螺絲或者彈性金屬片的下壓固定方式，只能保證一個(gè)芯片和吸熱面的良好接觸，另一個(gè)芯片，只好妥協(xié)了，用導(dǎo)熱率不怎么高吸熱面的良好接觸，另一個(gè)芯片，只好妥協(xié)了，用導(dǎo)熱率不怎么高的固態(tài)硅脂填充

16、縫隙，不僅解決了力學(xué)上的問(wèn)題，還提高了流水線的固態(tài)硅脂填充縫隙，不僅解決了力學(xué)上的問(wèn)題，還提高了流水線裝配的速度，多方面都降低了成本，代價(jià)就是有一塊芯片的散熱效裝配的速度，多方面都降低了成本，代價(jià)就是有一塊芯片的散熱效率會(huì)變差，并且會(huì)隨著固態(tài)硅脂的老化，成為散熱的瓶頸。率會(huì)變差，并且會(huì)隨著固態(tài)硅脂的老化，成為散熱的瓶頸。4 CPU的散熱優(yōu)化的散熱優(yōu)化CPUCPU的散熱優(yōu)化最根本途徑是降低其功耗，這依賴于科技的的散熱優(yōu)化最根本途徑是降低其功耗，這依賴于科技的進(jìn)步以及新型材料長(zhǎng)足的發(fā)展。但在日常生活中我們也可以根進(jìn)步以及新型材料長(zhǎng)足的發(fā)展。但在日常生活中我們也可以根據(jù)自己的需求改良一下自己的筆記本

17、散熱系統(tǒng)，以避免高溫對(duì)據(jù)自己的需求改良一下自己的筆記本散熱系統(tǒng)，以避免高溫對(duì)CPUCPU的傷害。的傷害。對(duì)筆記本芯片傷害較大是部分對(duì)筆記本芯片傷害較大是部分熱點(diǎn)熱點(diǎn)的存在，使得局部溫度過(guò)的存在，使得局部溫度過(guò)高的地方熱量無(wú)法迅速的散發(fā)出去，而這些散熱瓶頸往往出現(xiàn)高的地方熱量無(wú)法迅速的散發(fā)出去，而這些散熱瓶頸往往出現(xiàn)在熱導(dǎo)率較低的地方，這就是我們前面提到的在熱導(dǎo)率較低的地方，這就是我們前面提到的接觸熱阻接觸熱阻。上圖是用紫銅片代替固態(tài)硅脂，用液態(tài)金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的上圖是用紫銅片代替固態(tài)硅脂，用液態(tài)金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)熱硅脂而對(duì)導(dǎo)熱硅脂而對(duì)GPUGPU散熱進(jìn)行優(yōu)化。散熱進(jìn)行優(yōu)化?？梢钥闯龈脑烨昂透脑旌蟠龣C(jī)溫度和極限溫度明顯下降了不少?？梢钥闯龈脑烨昂透脑旌蟠龣C(jī)溫度和極限溫度明顯下降了不少。這是筆記本硅脂替換測(cè)試的效果成績(jī)這是筆記本硅脂替換測(cè)試的效果成績(jī)從圖上看出硅脂替代散熱效果較好的為液態(tài)金屬和含銀硅脂，從圖上看出硅脂替代散熱效果較好的為液態(tài)金屬和含銀硅脂，其熱導(dǎo)率也比較高，但不足的是液