重装CPU、GPU时代下的机内散热设计(1)PC散热技术演化历程

多年以来，国内的资讯制造业都是以个人电脑（Personal Computer；PC）为中心主轴，因此对散热技术的关注也多半集中在个人电脑上，直到最近的三、五年，由于日本业者的技术转移，开始投入投影机、大尺寸平面电视等消费性领域，才较为关注个人电脑之外的产品散热设计。即便如此，个人电脑也依然是国内资讯制造的重心之一。

　因此，以下本文将以个人电脑的角度及发展历程，来说明与了解资讯相关散热技术的进化提升。

▲打从1981年的IBM PC开始就有使用电动风扇来散热，图中右处的供电器铁盒内即有电动风扇。



　■通风孔技术

　虽然在1981年8月IBM公司推出IBM PC（Model 5150）之前，就已经有MITS公司的ALTAIR 8800、Apple公司的AppleⅡ等受欢迎的个人电脑（或称：微电脑，Microcomputer），但是真正的产业规模启动仍多是以IBM PC问世起算。

　以IBM PC来说，当时机内的电路板完全只用「对流散热，Convection Cooling」即可，也就是俗称的气冷法，机内的空间足以让冷热空气进行对流，不过为了让冷空气更快引入、热空气更快排出，因此仍会在机身的较不显眼处（例如：前端底座位置）打上连续成排的散热通风孔（Ventilation Hole），使机内的对流散热更为稳定。

　所以，第一部个人电脑（在此指IBM PC）完全只用对流散热？答案是否，事实上IBM PC就已经用上电动风扇来散热，不过只用于电源供应器（Power Supply，俗称：供电器，也时也称Power Supply Unit，简称：PSU）部分，IBM PC最初只用63.5瓦特（另一说是67瓦特）的电源供应器，之后的后续机种才有用120瓦、150瓦、180瓦的供电器。

　此一冷却风扇主要是为了加速供电器部分的电路散热，而非机内运算电路板（即：主机板，大陆方面称为：主板）部分的散热，虽然它对主机板方面也有些许的散热效果。

　

▲典型的晶片封装用散热片（Heat Sink）。



　■散热片技术、电动风扇技术

　在IBM PC之后，即便是PC XT、PC AT等也都还是维持仅电源供电器部分有用上风扇，其余的运算电路部分皆完全倚赖对流散热，不过在80286后期与80386前期时开始有让CPU使用散热鳍片（Heat Sink，简称：散热片），这是在80286将运作时脉的频率从16MHz提升到20MHz时所使用，另外80386SX也有使用，除此之外x86处理器多半用新封装、新制程的技术方式来克服散热，使其保持不用散热片也能正常运作，如此一直到80486SX-20、80486DX-25为止，此后的80486DX-33就几乎都要搭配散热片，甚至要电动风扇（Fan）来散热。

　虽说自80486DX-33之后的x86处理器都会用上散热风扇，不过除了处理器外，主机板上的其他电子元件都还不用特别的散热设计，仍然是使用传统的对流散热。

　■硬件监督技术

　接着进入Pentium世代，在Pentium世代处理器的封装外散热技术开始有两项改变，首先是网路电脑（Network Computer；NC）的冲击，支持NC的业者认为PC对企业用户而言有着高昂的维护管理成本，尤其资讯管理人员发现PC最先也最频繁故障的就是风扇系统，因此经常要花费心力来保养、换新风扇，或者风扇故障仍无法察觉，以致PC逐渐过热而导致当机，使企业用户蒙受损失。

　

▲晶片（处理器）封装上先连接散热片，之后再运用电动风扇加以散热，是今日普遍的机内高热晶片散热法。



　为此PC阵营提出了硬体监督机制的补强、改善方案，透过处理器温度、风扇转速等的监控，使风扇散热效率减弱或失效等问题能获得事先的预警，以预防PC的过热及当机。

　■致冷器技术

　其次是处理器用电愈来愈兇且愈来愈热烫，用电动风扇散热已逐渐难以因应，因此开始有业者提出用热电致冷器（ThermoElectric Cooler；TEC）的方案，将致冷器装置于处理器封装的上端，然后再将散热片、电动风扇装置于致冷器之上，如此致冷器快速将封装表面的温度导引到散热片上，然后再用风扇加速对流，以此使热获得更快的消散。

　硬件监督机制与致冷器，都约在1996年、1997年间提出，硬件监督机制从提出到今已经成为各型款PC的基础管理功能，而致冷器则因诸多因素而未能持续，一是致冷器与电动风扇相同，自身也需要耗用电力，属主动式的散热器（Active Cooler），且相同的热能消散要比风扇耗用更高的电力，致使PC的总体用电量大幅增加。

　致冷器的另一个问题是：若设计与考量不当，致冷器的强力散热效果会使周遭的空气凝结成水，如同从冰箱拿出一杯冰水放在室温的客厅，杯子因过于冰冷而使杯子的外部表面开始凝结出水滴（杯外附近的空气遭受冷却），致冷器若因强冷而将空气凝成水滴，且水滴未全然蒸发而流至电子系统板上，就会招致危险。

　不过，之后业者将硬体监督机制与致冷器结合，当侦测到处理器温度降低时，也会连带控制致冷器将冷却效率降低，如此就不会发生冷却过度而产生空气凝结成水的问题，使致冷器用于散热设计的实用性获得提昇，然而致冷器的冷却用电效率依旧偏高，所以依然只在高阶高热处理器（或GPU绘图处理器）上使用，而未大量普及。

　

▲2000年Apple Computer公司推出的个人电脑：PowerMac G4 Cube，就以全机完全无风扇为其特点，完全只用散热片进行散热。



　■尝试捨弃风扇　失败

　Pentium世代之后是PentiumⅡ世代，由于PentiumⅡ处理器捨弃过往传统的接座式连接，而改採卡匣型态的插槽式连接，如此使处理器的体积大增，同时也因此让Intel有意改善处理器散热的想法，期望不再用额外消耗电能的风扇散热，而只用不需电力的散热片、被动式散热器（Passive Cooler），不过由于PentiumⅡ处理器实在太热，即便可装置比过往处理器更厚大的散热片，依旧无法完全因应，所以后续（266MHz以后）的PentiumⅡ仍然回归到风扇散热的作法。

　■热导管技术

　因体积与面积的大增，而短暂尝试完全回归到无风扇的纯散热片散热时代，这主要是指桌上型电脑所用的PentiumⅡ处理器，而笔记型电脑所用的PentiumⅡ，也因为高热问题也引出了新的散热手法：热导管（Heat Pipe，大陆方面直接翻译成：热管）。

　热导管与散热片相同，散热运作时都不需要使用电能，属被动式散热器，热导管过去是用在航太领域以及大型主机（或其他相关的大型运算设备、系统），然而行动用的PentiumⅡ处理器发出太多的热能，加上笔记型电脑不似桌上型电脑，并没有太宽裕的机内散热空间与电能，尤其是电能问题，在电池电能有限的情况下必须尽可能不使用风扇、致冷器等额外用电的散热方式，否则笔记型电脑的待机时间、电池使用时间将会更加缩短，如此外出携用的价值与意义也会打折扣。

■挑战零风扇　再度失败

　严格来说，个人电脑除了IBM相容机（x86架构）外也包含苹果电脑公司（Apple Computer）的麦金塔（Macintosh，俗称：Mac）系列，而Mac电脑向来标榜创新，过去至今一直是IBM相容PC的追赶、抄仿对象，Mac电脑在1999年、2000年间也在散热设计上尝试突破，即是从第二代的iMac（1999年）以及PowerMac G4 Cube（2000年）的机种上，尝试全面弃捨风扇式散热，不仅是处理器用的风扇，包括电源供应器部份的风扇也要弃捨。

　麦金塔个人电脑尝试全面扬弃风扇的原因并非是「维护管理」方面的考量，而是「使用舒适性」方面的考量，由于风扇运作时容易产生噪音，而麦金塔电脑的使用者多数都从事创作、设计性质的工作，且习惯于深夜工作，如此较能够专注或产生灵感，然而宁静的深夜却因风扇噪音而不得安宁，反而妨碍、影响了工作情绪。

　取消风扇后的作法其实与过去Intel的尝试相同，改以较厚大的散热片来帮助散热。不过，这项尝试似乎也未成功，不仅PowerMac G4 Cube有过热问题，且后续的麦金塔电脑也依旧使用风扇。

　

▲2004年Apple Computer公司推出新款的PowerMac G5个人电脑，该电脑使用2颗2.5GHz的PowerPC 970FX处理器，并用上水冷循环的散热系统（图中G5字样的铁盒内）。（资料来源：http://www.apple.com）



　■动态调控技术

　再次的挑战虽然失败，但用户对电脑运作宁静度的意识也已经抬头，然风扇依然是「必要之恶」，因此有了折衷的作法，即是调适性的控制风扇转速，由于风扇转速愈快也也意味着噪音的提升，所以除非处理器温度上升，否则不对应提升风扇转速，让风扇转速与处理器温度呈随时动态性的正比对应调整，以此来减少风扇噪音量。

　■循环水冷技术

　在使用了通风孔、散热片、电动风扇、致冷器、热导管等散热技术后，个人电脑依然持续寻求更精进、良善的散热方法，对此方案业者引入了水冷散热（Water Cooler）技术，2004年Apple推出新款的PowerMac G5个人电脑，该新款电脑使用2.5GHz的PowerMac G5（PowerPC 970FX）处理器，较之前的1.8GHz、2.0GHz版的处理器更为快速，然而也更为热烫，过去1.8GHz、2.0GHz版仍可用散热片与风扇散热，而2.5GHz则是加入了水冷式循环散热，但同时也仍然要散热片与风扇的搭配，等于同时用上了三种散热技术。

　水冷散热的原理类似冷气机，即是在一个密闭的循环管内装入冷媒，并透过压缩机（马达）的运转使冷媒于管内循环，由冷媒快速吸取处理器的热量，并将热量运到外端他处后加以均化消散。

　水冷散热技术除了冷却（吸热）效率佳之外，另一个优点是低噪音，由于是在密闭管内进行冷媒循环，所以运作上相当宁静，良善设计上可以低于30分贝（相当于人类耳语的程度）。相对的，电动风扇并不易降低噪音。

　既然使用上马达，所以水冷散热为主动式散热，此外水冷散热在设计与产制时也必须相当严谨可靠，理由与致冷器相同，倘若水冷的循环系统有所疏漏，使管内冷媒液体外洩，会对电路板造成损害。

　事实上PowerMac G5并非是第一个使用水冷散热的桌上型运算系统，早在此之前迪吉多（Digital Equipment Corp.；DEC）公司的Alpha电脑即有使用，不过此属于工作站电脑，而非一般的个人电脑，此外过去在x86 PC的个人改装、组装市场中也早有尝试水冷作法。

　在PowerMac G5使用水冷系统后，日本恩益禧（NEC）公司也在同（2004）年推出採用水冷技术的电脑，且为x86架构，NEC的ValueStar G Type TX桌上型个人电脑（Pentium 4）也使用水冷散热系统。此外NEC也在其PC架构的伺服气上使用水冷散热。

　要注意的是，Apple与NEC虽都采行水冷系统，但所用的管内冷媒却不相同，Apple用的是纯水，而NEC用的是甲醇。

　■持续突破

　很明显的，散热设计所考虑的，绝不单单只是效率问题，还要考虑空间、体积、宁静、电力、维护、安全等问题，甚至成本也必须在意，特别是PC日益低廉的今日，而新的散热技术也通常意味着较高的实现成本，如此在更热烫、更低廉之间求取平衡，将是PC散热设计的重大课题，特别是过去曾发生过为了精省成本，将原本该用三根热导管的机内散热系统降成只使用两根热导管，进而在出货后过热当机而影响声誉，由此更可知散热设计的重要性。

　

▲准系统机内的空间狭隘，如今已愈来愈常同时使用上散热片、热导管、电动风扇等三项散热技术。