超能课堂(142):是什么决定了CPU风冷散热器的性能?

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  一款优秀的风冷散热器,往往不是说在单一方面有什么突出的表现,而是在于各方面都有较好的平衡,特别是现在风冷散热器的轻量化、个性化已经趋向主流,这种平衡的维持就更能突显散热器厂商的实力了。

  本文约4874字,需8分钟阅读

  对于PC硬件玩家来说,CPU散热器肯定不会陌生,因为要让CPU维持“冷静”,散热器可以说是至关重要的。不过要说到什么因素对于散热器的效能影响最大,那很多玩家恐怕也只是“知其然而不知其所以然”。因此今天我们就一起来,如此常见的CPU风冷散热器中究竟蕴含这多少学问。

  

  其实影响CPU风冷散热器散热性能的因素很多,比如材质的导热系数、鳍片面积、鳍片间距、底部厚度、接触面积、流体流向等,这是一个完整系统的研究课题,当中包含的学问非常丰富,这次我们也只是讲解一二,更多内容留待以后再进行深入讨论。

  散热器的分类:有热管与无热管,塔式与下压式

  
这类无热管散热器就算能有颜值优势,在效能上也是无法与热管散热器相比的

  如果让我们先给风冷散热器分个类,那么我们会按照有无热管分为热管散热器和无热管散热器,前者是目前各种第三方散热器的主流结构,而后者则多见于英特尔和AMD的原装散热器,以及部分不讲究效能的第三方散热器。从效能上来说,前者基本上是碾压后者的,为此现在英特尔也仅仅是在不能超频的CPU产品上配置散热器,解锁倍频的产品直接不提供原装散热器,AMD方面也仅仅实在入门级的CPU产品上提供无热管的原装散热器,高端产品基本都配置了带热管的原装散热器。

  由于这种无热管的散热器由于效能偏弱,在市场上已经不能称之为主流,因此这次我们就不详细解说了,重点放在目前主流的热管散热器身上。目前的热管散热器大体上分为两种,一种是塔式结构,又叫做侧吹式结构,另一种则是下压式结构,也可以叫做下吹式结构。

  
采融的Samuel 17是一款经典的下压式散热器

  首先我们来看看下压式结构,顾名思义它是一种散热器“躺在”CPU上,然后风扇自上而下送风的结构。这种结构的好处一般有两个,第一是高度比较矮,可以适应各种机箱,特别是空间有限的Mini-ITX机箱,大多数都只能采用下压式的风冷散热器;第二是它可以利用风流给CPU周边的元件散热,如供电电路和内存等,可以避免这些元件出现热量累积的问题。

  然而这样的设计也有很大的劣势,一来不利于机箱内部的风道,容易引起机箱内部乱流,第二是风扇中心下方有风力盲区,散热效能难以最大化;第三是部分气流会被主板反弹,影像风流的走向,使得热交换效率进一步受到损失,因此下压式散热器很难做到很高的散热效率,这也是为什么其慢慢退出主流的原因。

  
采融Basic 83散热器是典型的塔式散热器

  而塔式结构的首要好处就是可以解决风力盲区的问题,气流平行通过散热鳍片的,气流截面的四条边上的气流速度最快,而CPU的发热点正好位于一条边上,另外一个好处是没有反弹的风压,热交换效率要高于下压式散热器;同时塔式散热器也有利于机箱内部风道的建设,可以引导风流尽快从机箱后部的散热口排出。

  当然塔式散热器也是有缺点的,就是不能直接吹到到热源,也无法给人员周边的元件进行散热。因此塔式散热器的效率很大程度上要依赖热管的传热效率,同时主板上的其他元件也要作出相应的优化,例如供电电路应该加上散热片,以确保自身不会过热等等。

  热管:热量的超导体

  在讲热管散热器之前,我们先来看看热管的一些基本常识,热管散热是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术,单讲技术的话已经有数十年的历史,但是直到近些年才被广泛用在PC散热领域中,随后的发展也非常迅速,不仅是CPU、显卡以及主板的散热器,我们甚至在机箱上都可以看到热管的身影,可以说已经是相当成熟的技术了。

  

  典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成,将管内抽到的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),根据需要可以在两段中间布置绝热段。

  热管的工作原理很简单,热管分为蒸发受热端和冷凝端两部分。当受热端开始受热的时候,管壁周围的液体就会瞬间汽化,产生蒸气,此时这部分的压力就会变大,蒸气流在压力的牵引下向冷凝端流动。蒸气流到达冷凝端后冷凝成液体,同时也放出大量的热量,最后借助毛细力和重力回到蒸发受热端完成一次循环。

  由于热管具有热传递速度极快的优点,安装至散热器中可以有效的降低热阻值,增加散热效率,具有极高的导热性,高达纯铜导热能力的上百倍,因此其有“热超导体”之美称。工艺过关、设计出色的热管CPU散热器,将具有普通无热管风冷散热器无法达到的强劲性能。

  
烧结式热管

  
沟槽式热管

  目前热管可以按照内部结构分为烧结式和沟槽式两种,烧结式热管的内部是通过高温下铜粉烧结制造而成,而沟槽式热管则是热管毛细结构中制造相对简单的一种,采用整体成型工艺制造,成本是一般烧结式热管的三分之二,但缺点十分明显,其对沟槽深度和宽度要求很高,而且方向性很强,当热管出现大弯折的时候,沟槽式方向性的特性就成了致命缺点,会导致导热性能大幅度下跌,因此目前主流的散热器都会采用烧结式热管,而沟槽式热管仅少部分的入门级产品有在使用。

  
目前主流的是6mm热管

  相比于热管的内部结构,热管的传热效率其实更受直径的影响,有数据显示,在工艺水平基本一致的前提下,直径为3mm的热管要传递15W的热量需要2.8个标准热传递周期,而直径为5mm的热管在1.8个热传递周期中,热传导量就达到了最大45W的水平,而8mm热管产品只需0.6个周期就可以传递高达80W的热量。

  显然热管的直径对传热有很明显的影响,直径越大则效果越好,但并非一味直径大就能造出很好的产品,中间涉及到热管的组合、排列、结合方式及成本等,因此大部分的散热器都是采用多根6mm热管组合的方式来进行热量传递,只有少部分产品会采用8mm或以上级别的热管。

  底座:铜底与热管直触的竞争

  在常见的金属材料中,银的导热系数最高为420W/m·K,但它的成本昂贵,铜的导热系数为383W/m·K,比较接近银的水平,但加工工艺复杂而且太重,纯铝的导热系数为204W/m·K,价格低廉、加工特性好、表面容易处理,性价比较高,因此目前主流风冷散热器的材料一般都会选用铝合金。

  
镀镍铜质底座

  有研究表明,当散热器采用铜底座铝鳍片结构时,在CPU接触处的温度为44.876℃(特定测试环境下的数据,下同),散热效果良好;当散热器的底座与鳍片均采用铜材料时,接触处的温度为44.636℃,与铜座铝片的情况相差无几,但重量却翻了一倍;当散热器的底座与鳍片均采用铝材料时,接触处的温度上升到49.861℃,导热能力下降很多。因此目前大多数中高端散热器采用了铜质底座与铝制鳍片的组合,可以在成本与散热效能之间有良好的平衡。

  
热管直触工艺

  而除了铜质底座外,目前还有一种常见于主流级散热器的底座构成,那就是热管直触技术。热管指出是指热管直接与热源接触,而不是包夹在底座当中。理论上这种设计可以减少底座与热管之间的热阻,热管利用率可以大大提高,堪称是追求极致效能的技术。

  然而这只是理论上的事情,由于CPU表面并不是真正意义上的平面,存在着很多我们肉眼难以识别的凹凸,在压上散热器后还会带来二次形变,因此散热器的底部要与CPU表面吻合,本身就是一件不容易的事情。热管直触技术需要在热管上铣一刀,会让原本硬度就不是很够的热管变得更加容易形变,会进一步影响了CPU与热管之间的热传导效率,而铜底对于非完全平面来说有比较大的误差接受度,在接触吻合度上要胜过热管直触。

  因此目前散热器领域中都有一种普遍的共识,那就是热管直触技术能做出性价比很好的散热器,但不能做出顶尖性能的产品,这也是为什么绝大多数的高端风冷散热器都采用传统的铜质底座,而非理论上效能更好的热管直触技术的原因。

  散热鳍片:散热面积、间距与厚度之间的平衡艺术

  在底座和热管结构相同的情况下,想要提升散热器的效能,增大散热面积无疑是最直接的方式,而增加散热面积的方式无外乎二种,第一种是通过增大体积的方式添加更多或者更大的散热片,另外一种则是通过缩小散热片间距、降低散热片厚度等方式,在体积不变的情况下增加更多的散热片。

  
散热鳍片

  然而这两种方法都有各自的弊端,第一种方法会让散热器的体积变得难以控制,在安装上会带来额外的烦恼;第二种方式会让风道的尺寸减少,风阻增加,鳍片间也很容易淤积灰尘,从而影响散热效果。

  曾有研究表明,当鳍片间距从2mm增加到3mm,并且厚度从1mm增加到1.2mm时,散热面积明显减少,CPU接触处的温度从原来的44.876℃上升到52.049℃;但如果鳍片间距从2mm减小到1.5mm,厚度还是保持在1mm,此时散热面积虽有增加,但接触处的温度仅比原来略有下降,为44.423℃,可见风阻增加所带来的负作用也不可忽视。

  因此想要提升散热器的效能,一味地追求更大的散热面积是不可取的,散热器的体积和重量,散热鳍片的厚度和间距,甚至是风扇尺寸和类型都要进行细致的考量,这里就很考验厂商的研发实力了,以利民Ultra 120 Extreme Rev.C版散热器为例,其散热面积约6500平方厘米,相比起旧版的7400平方厘米有较大的下降,只是散热鳍片的间距从1.5mm增大到了1.8mm,原理上来说其散热效能应该不如旧版产品,但事实上由于其风流的通过能力更高,在搭配低转速风扇使用时,散热效果反而是优于旧版产品的。

  如果说散热鳍片的面积、间距与厚度是一组需要相互配合的参数,那么散热片与热管的连接方式就要简单得多了,毕竟热管传导的热量如果无法快速转移到散热鳍片上,那么再科学的鳍片参数也不过是摆设而已,因此热管与鳍片如何完美结合是非常关键的。

  
焊接工艺

  目前热管与散热鳍片的集合方式主要有两种,分别是焊接(Solder)和穿Fin(Fin Penetration ),焊接工艺的界面热阻值较低,但是成本比较高,比如铝鳍片与铜热管焊接,基本都需要对热管进行电镀处理,方可与铝鳍片焊接到一起,而且焊接对工艺要求也比较高,焊接不均匀或者内部产生气泡,热传导效率都会明显受损。

  
穿Fin工艺

  而穿Fin就是通过机械手段让热管直接穿过鳍片,这种工艺工序简单,但是对技术要求并不比焊接低,因为它要求散热鳍片与热管要有紧密的接触,如果穿Fin不过关,那不仅散热效率会大打折扣,散热鳍片甚至可能会直接脱落。同时为了保证鳍片阵列不变形,穿Fin工艺往往还会配合扣Fin技术使用,就是鳍片的边缘折弯,以卡扣的形式相邻的鳍片结合,用于确保散热鳍片间距不会改变。

  从成本上来说,穿Fin工艺的成本是略低于焊接工艺的,而且理论上接触面的热阻比焊接也要略高一点。要识别散热器采用是哪种工艺,我们可以通过观察散热鳍片看出,焊接工艺的都会在散热鳍片与热管的接触位留出焊接孔,而穿Fin工艺则是鳍片直接包裹住热管。

  需要注意的是,优秀的穿Fin工艺与焊接工艺相比并不会有明显的性能差距,这与散热鳍片的面积、厚度与间距的结论类似,关键还是要看厂商的工艺水准,不过因为焊接工艺在耐用性和稳定性上都有优势,因此现在高端的散热器多数使用焊接工艺,而讲究性价比的主流级产品则基本是穿Fin工艺。

  总结:好的散热器不是有一点突出,而是每一点都能相互配合

  热管、底座与散热鳍片,这是目前主流型风冷散热器的三个主要组成部分,每一个部分都对散热器的散热效能都会起到重要的影响,而且三部分也是相互关联的,单纯增强其中一部分未必会给散热器的效能带来质的飞跃,但是有任何一部分没有做好,对于散热器的效能来说却是沉重的打击。

  因此一款优秀的风冷散热器,往往不是说在单一方面有什么突出的表现,而是在于各方面都有较好的平衡,特别是现在风冷散热器的轻量化、个性化已经趋向主流,这种平衡的维持就更能突显散热器厂商的实力了。

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