論散熱設(shè)計(jì)的重要性！復(fù)合合金冷板在筆記本散熱上展示優(yōu)勢(shì)

       對(duì)于一款筆記本電腦來(lái)講，除了性能要強(qiáng)大、身形要輕薄外，出色散熱性也是大家關(guān)注的重點(diǎn)，畢竟誰(shuí)也不想隨身帶著個(gè)“火爐”工作或?qū)W習(xí)。那么這就對(duì)筆記本廠商提出了要求，既要不增加筆記本厚度還要有強(qiáng)勁的散熱能力。

       如果大家經(jīng)常關(guān)注筆記本的拆機(jī)圖，就不難發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇和散熱鰭片都特別占用空間，很多高端游戲本甚至需要搭配雙風(fēng)扇+四組鰭片才能解決散熱的隱憂。如果筆記本想實(shí)現(xiàn)更性感的輕薄化設(shè)計(jì)，拿厚實(shí)占地兒的風(fēng)扇和鰭片“開刀”就在情理之中了。

當(dāng)筆記本取消了風(fēng)扇（包括鰭片），它能獲得如下好處：

       在搭配SSD時(shí)可以營(yíng)造一個(gè)零噪音的工作環(huán)境；

       可以實(shí)現(xiàn)更輕薄小巧的外觀設(shè)計(jì)；

       可以塞進(jìn)更大的電池，獲得更持久的續(xù)航。

       以華為MateBook X 2020為代表的極致輕薄型筆記本（13.6mm，1kg）就享受到了這3個(gè)優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上，這種無(wú)風(fēng)扇的被動(dòng)式散熱并非華為獨(dú)創(chuàng)，在很多極致輕薄的筆記本和二合一設(shè)備上我們也經(jīng)?？梢钥吹筋愃频脑O(shè)計(jì)，其中最具代表性的就是微軟Surface Pro系列。

Surface Pro 6拆機(jī)圖，左上角的凹槽是預(yù)留給高配版的風(fēng)扇位置

        最近幾代的Surface Pro都延續(xù)了一種策略：搭載i3和i5的低配/中配型號(hào)采用無(wú)風(fēng)扇的散熱模塊，通過(guò)多根熱管和大面積的石墨貼片實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式散熱。

無(wú)風(fēng)扇的代價(jià)

        在輕薄本領(lǐng)域，1個(gè)風(fēng)扇、1組散熱鰭片，1根8mm寬度的熱管（如果是獨(dú)顯平臺(tái)需要雙熱管或雙風(fēng)扇）是確保15W TDP處理器高水平發(fā)揮的基礎(chǔ)。

        如果取消了其中的風(fēng)扇和鰭片，單靠熱管很難疏導(dǎo)處理器的發(fā)熱量，很容易觸發(fā)降頻機(jī)制而導(dǎo)致性能驟降。

        因此，英特爾才會(huì)在15W TDP的U系列酷睿的基礎(chǔ)上，衍生出4.5W~9W TDP的Y系列酷睿處理器，通過(guò)進(jìn)一步降低主頻和睿頻頻率，以滿足無(wú)風(fēng)扇的被動(dòng)式散熱環(huán)境。

MateBook X 2020內(nèi)部設(shè)計(jì)

       MateBook X 2020屬于比較特殊的存在，它雖然沒(méi)有內(nèi)置風(fēng)扇和鰭片，但選用的卻是15W TDP的i7-10510U或i5-10210U。為了提升散熱效率，這款產(chǎn)品取消了傳統(tǒng)的熱管，改用大面積的VC散熱板），并將VC散熱板與轉(zhuǎn)軸緊密結(jié)合，可以將熱量通過(guò)轉(zhuǎn)軸向屏幕后側(cè)的A面?zhèn)鬟f，從而獲得更大的散熱面積。

MateBook X 2020內(nèi)部設(shè)計(jì)

       但即便如此，MateBook X 2020的無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)也需要付出極大的代價(jià)。在AIDA64的CPU單烤測(cè)試中，i7-10510U在滿載時(shí)的實(shí)時(shí)功能只有7W，主頻也只能維持到1.8GHz左右，基本就是Y系列處理器的性能表現(xiàn)。

復(fù)合合金冷板在筆記本散熱上展示優(yōu)勢(shì)

       目前，采用熱管、散熱片和風(fēng)扇組合的冷卻系統(tǒng)在筆記本電腦熱管理市場(chǎng)占主要的份額，是應(yīng)用最為成熟，性價(jià)比最為突出的筆記本電腦散熱方案。

       筆記本電腦一般采用2-3根，甚至多達(dá)5根的扁平熱管將CPU或GPU芯片的熱量傳遞到散熱片上，然后用風(fēng)扇的氣流將熱量帶離散熱片耗散到空氣中。熱管一般焊接在銅材料冷板上，再通過(guò)涂抹薄層熱界面材料（導(dǎo)熱硅脂）與CPU或GPU芯片接觸進(jìn)行熱交換。芯片的熱量首先要透過(guò)冷板，才能傳遞到熱管。

       設(shè)計(jì)師基于材料的發(fā)展現(xiàn)狀與散熱模組整體成本等因素綜合考量，經(jīng)常選擇銅作為冷板材料。最近，英特爾的研究人員發(fā)現(xiàn)，用熱導(dǎo)率更高的復(fù)合合金冷板來(lái)替代傳統(tǒng)的銅冷板，筆記本的散熱系統(tǒng)顯示出更高的效率，給設(shè)備帶來(lái)顯著的性能提升。

       研究成果發(fā)表在2020年第19屆IEEE電子學(xué)會(huì)熱力學(xué)和熱力學(xué)現(xiàn)象研討會(huì)（ITherm）上，題目為《Relative Thermal Burst Performance Comparison with the Use of Copper and Silver-diamond Composite as Cold Plate Materials Below Heat Pipes in Notebooks》，作者是英特爾公司的Sankarananda Basak博士。

圖1：銀-金剛石合金冷板替代傳統(tǒng)銅冷板對(duì)筆記本電腦散熱影響的研究成果發(fā)表于IEEE

測(cè)試系統(tǒng)

       為測(cè)試高導(dǎo)熱系數(shù)冷板材料對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，研究人員創(chuàng)建了僅包含筆記本電腦CPU SoC區(qū)域的簡(jiǎn)化CFD模型。3根扁平熱管用于傳遞SoC熱量，熱傳遞路徑上包含了熱界面材料（TIM）、冷板、熱管等主要導(dǎo)熱材料，下面SoC的垂直堆疊圖反映了散熱系統(tǒng)的構(gòu)成。

圖2：采用熱管冷卻的SoC垂直堆疊示意圖

突發(fā)功率提升10%至12%

       研究人員將銀-金剛石冷板替代傳統(tǒng)銅冷板，并對(duì)筆記本散熱系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試及CFD仿真后發(fā)現(xiàn)，銀-金剛石冷板更有助于SoC散熱， 突發(fā)功率在SoC最高溫度達(dá)到T_j_max閾值前可以持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間 。銀-金剛石復(fù)合材料可使筆記本電腦在3-5秒鐘內(nèi)的短期突發(fā)功率增加10%-12％，帶來(lái)更強(qiáng)勁的計(jì)算性能。

熱量傳遞平衡，避免熱管干燒

       SoC熱點(diǎn)區(qū)域并不會(huì)均衡分布在熱管之間，CFD仿真發(fā)現(xiàn)，SoC熱點(diǎn)位于中間熱管下方時(shí)，銅冷板不能快速的將熱量往四周擴(kuò)散，產(chǎn)生熱流不平衡；在突發(fā)功率持續(xù)時(shí)間內(nèi)熱量更多的進(jìn)入中間熱管，而兩側(cè)熱管通過(guò)較少的熱量，這可能導(dǎo)致中間熱管干燒問(wèn)題，并降低了系統(tǒng)的整體熱效率。

       冷板材料的導(dǎo)熱系數(shù)為385 W / mK，而銀-金剛石合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)900W / mK，更高的導(dǎo)熱系數(shù)意味著SoC熱量在冷板中能夠更快速的擴(kuò)散，冷板各處的溫差更低。事實(shí)也證明了，合金材料冷板中的熱量分布更加均勻，熱量平衡的傳遞到三根熱管中，避免了過(guò)多熱量傳遞給中間熱管，提高了熱管的利用效率。

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