功耗高发热大的数码时代我们靠什么散热科技硬刚大火炉

“你功耗高，你发热大”本是一句硬件玩家圈子里针对某个品牌CPU的黑话，没想到今天竟然真的风水轮流转成了另一个品牌的黑料。在电子数码领域高功耗高发热似乎是一个轮回。

随着智能设备的蓬勃发展，对性能的要求越发严苛，让非常多普通人也体会到了功耗和发热的蓬勃发展。

其实这也是半导体发展的一个规律，每当半导体芯片的工艺制程成为瓶颈，想要提高性能最简的方法就是提高频率，而提高频率也伴随着功耗的增加。

另一方面，即便工艺制程有了突破，芯片的发热和功耗得到了缓解，但另一方面，更小的芯片面积也让即便不大的发热更难导出，造成了所谓的积热问题。

芯片制程工艺发展

总之，发热和散热是半导体时代永不过时的热门话题，甚至可能是一场我们身边最精彩的技术大战，我们每一个人都可能是这场大战的亲历者。

首先，我们需要明确一个前提，半导体芯片的发热是目前无法彻底解决的问题，我们也不去探讨如何降低功耗和发热，只从半导体散热的角度谈一谈人类为散热科技都做了哪些努力。

首先打开物理课本，看一看传热的三种方式：热传导、热对流、热辐射，我们一种一种来看。

热传导是通过材料微粒的微观碰撞和电子的移动来传递内部能量，我们日常接触得比较多的是固体材料的热传导，比如金属材质的铁锅要比砂锅导热更快，才能实现爆炒。

生活中很多常见的操作都包含传热的三种方式

热对流则与流体相关，最简单的例子是用锅烧水，燃气炉产生的热量通过热传导给水加热，锅底的水受热密度变小，向上流动置换掉顶部较冷密度较大的水，如此循环往复就形成了对流，让锅里的水温度趋于均匀，当然这种自然对流需要重力环境。

最后是热辐射，所有温度高于绝对零度的物体都会发出电磁波，是热能到电磁能的转换，白炽灯、取暖用的小太阳这些都是热辐射的典型例子。

小太阳取暖器是热辐射的典型案例

传热的三种形式中，热传导和热对流是人类散热科技发展中重点关注的对象，而热辐射虽然无处不在，但在电子元器件散热领域研究得的确较少。

我们以某品牌沿用了9年的原装CPU散热器为经典案例，其包含一个铝制翅片和一个风扇，在翅片主体与CPU顶盖接触的部分涂有导热硅脂。

在它工作时，热量从CPU经导热硅脂传导至铝制翅片，翅片与空气接触，进而形成对流加速散热，风扇的加入则强制空气对流提高散热效率。

整个过程中，热量的流动主要通过热传导和热对流，当然还有无处不在的热辐射，但体量较小在此就忽略不讨论，热量从CPU芯片产生最终散失到空气当中。

经典流传的原装散热器

在这个经典的CPU散热系统中，有三个环节可以加强。第一是CPU与金属翅片的接触，通常使用导热硅脂，这是一种具有一定流动性，良好导热性以及良好绝缘性的材料。

硅脂可以填补CPU顶盖与散热器表面微观的不平整，增大实际接触面积。不同的硅脂配方也有不同的性能，一般用导热系数来衡量，体现的是材料本身导热的能力。

导热硅脂具有一定的流动性，良好的导热性和绝缘性

为了追求极致，甚至有玩家直接使用导热系数十倍于硅脂的“液态金属”充当导热剂（常见硅脂的导热系数在10W/mK以下，液态金属可以达到70W/mK以上），放弃了更安全的硅脂。

液金导热剂昂贵且不安全

然而在实际应用中，导热剂的导热系数并不能真实地反映出热传导的效率，同一种导热剂在不同的几何尺寸下导热的效率也可以天差地别。

因此需要引出一个新的物理量——热阻，当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻。

对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为L/(k*A）。其中L为平板的厚度，A为平板垂直于热流方向的截面积，k为平板材料的热导率。

可以发现，热阻与导热剂的厚度、面积和导热率相关，与前者成正比，与后两者成反比。具体到CPU散热的系统中，提高导热效率的方法除了更换导热系数更高的硅脂外，还可以把硅脂压得更薄，或者对填充界面进行抛光，增大实际的导热面积。

导热硅脂涂得越多越厚导热效果可能越差

第二个可加强的环节是散热器导热的金属，一般较为廉价的散热器会采用铝制，一方面铝的金属加工非常成熟，另一方面铝的导热系数达到237 W/mK，是铁的3倍左右。

高端一点的散热器可能会在中心增加铜柱，或者直接使用纯铜的翅片，不过需要考虑到散热器整体的重量，安装后可能会对强度不高主板带来毁灭性打击。

铜基本就是金属翅片的顶配了，其导热系数高达401 W/mK，当然还可以用导热系数429 W/mK的银，但从成本和提升来看是不太实际的。

然而，为了突破金属材料的导热极限，人类开发出了堪称外挂级的散热核心科技——热管，它将散热器的导热系数提升到了“突破天际”的100000 W/mK（无限长度理想状况下，实际工况下也可以达到10000 W/mK）。

热管原理示意图

热管是如何突破金属材料导热上限的？这里用到了一个很常见的物理现象，液体的相变，即液体蒸发吸热，凝结放热的现象。

一个典型的热管可以分为蒸发段和冷凝段，在蒸发段热管内的液体介质受热蒸发，蒸汽带走热量流向冷凝段，在冷凝段凝结成液体并释放热量，最终液体通过重力、离心力或毛细作用返回到蒸发段，完成循环。

热管横截面结构

常见的热管为铜制，外表面可能采用镀镍工艺，热管内壁由毛细多孔材料构成，填充的工作液体通常就是水或酒精，常常会被人讹传为“液冷”或“水冷”，由于移动设备芯片功耗渐涨，这种把热管当水冷的恶心营销也屡见不鲜。

或许你会有疑问，水不是要烧到100℃才会相变蒸发吗？现实中总不可能要芯片温度到100℃热管才开始工作吧？实际上热管内部一般会抽负压，低压状态下水的沸点会变低，随着温度升高，热管内的蒸汽压力变大，沸点又会升高，因此以水为工作液体的热管可以在30~250℃的范围内工作。

热管内部的金属粉末烧结吸液芯

在一些工作温度极低的环境中也可以用液氮、液氦等，相反工作温度极高的环境中可以用液态的钾、钠、锂、银等。

比如我国的青藏铁路，为了防止冻土融化，维护铁路路基的稳定性，冻土段铁轨两旁插了“铁棒”，这其实就是一种工作温度较低的热管，内部填充的工作介质是氨，全称为氨-碳钢热虹吸管。

青藏铁路轨道两旁的热管

至于前面提到的水冷或液冷，又是另一个新的发明，其原理是通过流动的液体介质（通常也是水）将热量传导至热交换器，最终通过热交换器把热量散到空气中。

从热量流动的起点和终点来看，水冷其实与常见的金属翅片散热器差别不大，但水冷的热对流效率更高，具体取决于水泵的功率和流速，加上水的热容量大，可以让水冷系统有更平稳的温度表现。

另外，水冷系统通过管路相连，热交换器的安装更为灵活，尺寸设计得更大，要比所谓的风冷系统性能更强一些。

360mm规格一体水冷巨大的热交换器和豪华的风扇配置

不论过程如何，这些散热器最终都要将热量通过热对流的方式散发到空气中，系统符合所谓的木桶效应，即最薄弱的环节决定了整体的上限。

在热管塔式散热器和水冷散热器中，最薄弱的环节其实是第三个环节，即空气的热对流，而提高这一环节最简单的方法就是增大散热翅片规模，加大风扇的功率。

所以对于CPU散热器而言，顶级的产品往往少不了暴力的风扇，优秀的风扇不仅可以让散热器的上限更好，也可以在同性能下实现更小的噪音。

工业级暴力风扇效果好，但噪音极大

以上就是关于典型散热系统中三个环节的强化，可以说是非常简化且不严谨的小科普，只希望能够帮助大家理解过程。

最后，还要说一下另一个被包装成“散热黑科技”的手机冰封背夹风扇，有的号称10秒结霜。实际上这是一种利用珀尔帖效应来制冷的技术，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

简单来说就是制冷片的一面制冷，相反的一面发热，同时过程中还要额外产生一定的焦耳热，总之发热量大于制冷量。一个小小的手机冰封背夹风扇，功率甚至接近10w，相当于手机芯片的最大功率，其实效率并不高。

某品牌手机冰封背夹散热器的宣传

在移动设备上或许不痛不痒，但当爱好者把这种制冷片用于台式机CPU散热时就会发现，除了低负载下的温度极低外，并不比普通的散热系统高效，要达到理想的效果，制冷功率甚至超过了芯片的热功耗，还容易产生冷凝水损害电子元器件，实在有些费力不讨好。

相信每个人都希望用上性能优秀、功耗低、发热小的电子数码设备，但受限于物理规律，它们可能构成了一个不可能三角。

但散热技术是可能有突破的，新的材料、新的发明，意味着新的希望。再不济，也可以期待一下电脑热水器一体机的出现吧

[1]孔森,温智,吴青柏,王大雁.热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价[J].中南大学学报(自然科学版),2019,50(06):1384-1391.

[2]王杰,王茜.热管科学及吸液芯研究进展回顾与展望[J].化工进展,2015,34(04):891-902.

[3]夏再忠. 导热和对流换热过程的强化与优化[D].清华大学,2001.

处理器顶盖有什么作用？我们靠什么散热科技硬刚“大火炉”？

CPU上的硅油脂是CPU的温度效应，硅油脂是冷却和隔热效应，因为CPU会在非常高的温度下工作，硅油脂它将降低温度，防止CPU耗尽和烧毁设备。

硅油脂对CPU有什么影响？

硅脂CPU效果是计算机CPU传热的条件。硅脂CPU由纤维有机材料硅凝胶主体制成磁中央处理器屏蔽材料、填充物等。硅脂热中央处理器是硅元素材料，也称为硅脂热中央处理器硅热处理器脂肪硅热处理器脂肪。在电子元件中，材料的传热，例如CPU和冷却器之间的适当充电间隙，Thierstor元素二极管、大功率三极管、面板（铜和铝）充电间隙，可以降低电子设备的工作温度。广泛用于充电数据的模型的好处信息是由智能控制器控制的硅，在高功率电气控制器和冷却器之间冷却。

由于CPU表面、吸热器底部之间存在凹口，CPU底部的吸热器间隙相对较大，如果不添加硅油脂，则表面连接较小持续的高温无法迅速释放。当CPU过热时，很容易突然出现蓝屏、重启、卡住、CPU和低车速除此之外，硅CPU具有良好的传热性能、较高的耐热性和绝缘水平。它更适合材料介质，因为它具有较高的耐热性。模型的有用性不会导致使用过程中的腐蚀，不会对金属接触产生重大影响。离心机散热材料的选择完全取决于原材料的选择，如传热、耐热、绝缘等。金属材料腐蚀、不干燥、蒸发性低。硅脂导热粘合剂使用有机化学品铜硅作为原料，此外还具有优异的耐高温性和导电性热原材料，最好的硅油脂含有大量矿物质，一些优质的硅油脂含有银、铅、锡，甚至有些提供良好的导热性。

可以在CPU上使用牙签代替油脂硅胶吗？

众所周知，牙签的主要成分是摩擦剂，例如碳酸氢钙、乳酸钙片、氢氧化镁以去除烟雾痕迹等。它还包括表面、地面混合物、保湿剂，香水、甜味剂等。一些牙签和磷化氢以更强的荧光剂的形式出现在牙齿表面，可以防止牙齿腐烂。荧光是腐蚀性的。CPU表面的腐蚀如果长期使用，中央热泵处理是一种并非不可能的规则。此外，牙签是导电的。不合理的擦拭或长期使用可能会导致短路故障因此，不建议使用牙龈代替硅脂CPU。事实上，多年前，人们测试过牙龈代替硅脂CPU。结果如何？起初，这是出乎意料的，但最终，牙签的性质出现了。

谁给介绍下关于笔记本电脑的散热系统和主要的发热元件

散热风扇：目前风扇的基本上可以分为两种类型：轴向型风扇Axial (fan) 和辐射型风扇(离心鼓风机)(Centrifugal - blower)。向型风扇，技术成熟，成本较低，可以通过调节RPM来调节风量，气流有涡流，机壳的阴影效应，占用体积大，存在气流的耗尽层。辐射型风扇具有很薄的叶片，没有涡流，气流方向性好，气流密度较高，点用体积小，技术较新，但成本相对高，声学噪音受叶片的几何形状影响较严重，在笔记本中，由于空间不够，加上噪音的影响，所以辐射型风扇被普遍采用。和台机不同，笔记本的散热风扇不能直接吹CPU，这不但占用空间，而且吹出的热风还会影响到内存或者硬盘的正常工作，一般它们采用的是通过导热管转移到风扇，然后再通过它来把热风直接吹到机外的方法。这种方法不但操作简单，效率较高，而且由于长期的生产和使用，已经成为了一种“公版“设计，厂商直接就可以拿来使用，免除了研发费用，降低了成本。不过，经过十几年的发展，笔记本慢慢的开始往往两个方面发展，要么机身越来越轻薄，要么性能越来越强劲，面对这两个“背道而驰”的现状，使用同样的散热方法，显然不太合适。于是，厂商就开始针对不同的机型，研究出了不同的散热方法。双风扇的设计：这样的设计往往出现在性能强劲的大机器上，如SONY GRX系列、SONY NV系列、Dell Insprion 8100等。不过这两个风扇的作用都不尽相同，当然其中一个都是用来给CPU散热了。这一点是确信无疑的，而另外一个就要视机器而定了。SONY GRX系列的一个用来给CPU散热，另外一个用来给显卡散热，SONY NV系列的CPU正面和反面各一个散热风扇而Dell Insprion 8100的两个风扇同样也是都给CPU，不过视温度的高低而启动其中的一个或两个风扇工作。有朋友可能会怀疑，双风扇的设计会不会很费电呢？呵呵，答案是否定的，往往双风扇会更加省电。这是因为如果只有一个风扇那么必须使用大功率的风扇而且一般都设计为双速，双速的目的不是为了节约电，而是减少噪音。CPU使用两个风扇，可以采用低功率的风扇，再根据热量的需求使风扇单/双；低/高速运行。在大多数的运用，最终双风扇还更节电，有更低的噪音。采用小风扇的另一个好外在于可以使用轴向风扇，这样的风扇有更低的噪音和更长的寿命。无风扇的设计：这类设计一般出现在超薄机器中，一般松下的超薄笔记本多采用这样的设计。但严格的说，没有风扇并不等于不散热，它们依然采用了散热措施，只是你很难想到他们是如何散热的，呵呵，对了，他们采用的是键盘辅助散热的方法。我们不得不承认，键盘辅助散热不失为一个很有创意的方法。大家知道，笔记本电脑很薄，当把键盘装到主机板上时，键盘底部就会和主机板接触，于是，正好可以利用键盘底部将CPU产生的热种量传导出去。厂商们正是利用这种方法，对笔记本内部进行散热的，而且在键盘上，还密密麻麻的分布了很多的“透气孔“，热量从孔中排除散发到空气中，而热量的交换就在你敲击键盘的时候完成的，呵呵，的确是一个非常有创意的想法。外壳散热：这样的设计最常出现在苹果的PowerBook G4笔记本上，而且由于本身功耗和发热也特别低，所以采用这种散热方式比较可行。这样设计的一大好处就是没有风扇的噪音，而且减少体积和重量，降低功耗和成本。而且由于降低了不必要的风扇运转造成电力损耗及噪音，使系统更加稳定，电池的待机时间更长。内存的散热：由于内存的属于半导体部件，对热量的要求没有CPU那么高，所以我们过去很少听说有给笔记本内存散热的，不过随着内存单条容量的直线增加，动辄单条512MB的内存在满负荷工作的时候发热量也非常可观，所以部分内存生产商家开始想方设法让内存“凉快“ 一下。就比如我们下面看到的那片带散热器的玻璃封装内存。虽说这样设计的确可以让内存凉快了许多，不多有利就有弊，增加了散热器后内存的整体厚度有所怎大，由于内存插槽的设计问题，有一些机器就很难插上，即使可以插上也无法完全接触，不得不让人感到有些遗憾。电池的散热：虽说现在还没有一家厂商推出过专门为笔记本电池散热的装置，不过这并不代表电池的热量对它没有伤害，电池过热也会导致电池的使用寿命下降，甚至是电池流液导致电脑损坏。目前，笔记本电脑的电池一般分为2种：主电池和副电池（也称为第二电池），象NEC Versa 系列采用超轻型锂电池，虽然标称容重1900mAh,仅为一般笔记本电池容量的一半。必要时可以使用第二块电池，将连续作业时间延长3倍。同时，双锂电池的设计从另一个侧面可以使得系统的散热性能得到解决，用户可以在一块电池使用一定时间之后换用第二块备用电池。水冷散热：笔记本电脑发展到现在，某些方面越来越向台式电脑靠拢，甚至有些在台式机上都还为普及的技术，今天笔记本已经超前一步有所创新了。水冷散热就是其中最有代表性的一个。它是目前比较复杂但效果最好的一种散热方式。根据热力学的原理，液体的导热效率远远大于空气的导热效率。受传统汽车良好的散热系统的启发，东芝公司发明了具有里程碑意义的Super Cooling技术——水冷散热技术。这种散热的主要原理是用过在管内诸入适量的含有防冻液的水不断在机器内进行循环来吸收包括CPU、显存等发热部件的热量来达到散热的目的的。同时铝管内置于笔记本电脑主机中，还与电脑的散热板相互接触，可将CPU等产生的热量传给这个散热板，从而就可以冷却不断循环的水。总结：到目前为止，散热问题仍然是笔记本的一个“老大难“问题，不过还算让我们感到欣慰的是就现今的笔记本散热技术已经可以让热量控制在使用者可以接受的范围之内了。但科技的发展总是让人意想不到，至于今后还会有什么样更古怪的设计我们还不得而知，不过我们相信，随着笔记本散热性能的不断提升，笔记本的性能终有一天会它的“火气”成反比的。