計算機的散熱方式及發展前景

張澤龍

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計算機的散熱方式及發展前景

張澤龍

（北京科技大學附屬中學，北京，100083）

近年來，伴隨計算機硬件的快節奏發展，計算機散熱問題再次成為計算機領域的焦點問題。本文從計算機散熱的重要性、高溫對CPU性能的影響機理、計算機散熱研究現狀和傳統散熱技術缺陷以及運用進行了詳細闡述。并對未來這些技術的發展前景進行展望。

CPU芯片；散熱技術；計算機散熱；影響機理

1 引言

自1970年至今，人們使用的是大規模集成電路機，它的邏輯元件采用大規模和超大規模集成電路（LSI和VLSI）。伴隨著科技的進步與發展，以及人們日益增加的對于計算機性能的要求。計算機微處理器CPU朝微縮化、集成化的趨勢發展。眾多電子原件放置于一塊主板上，各自產熱。器件與器件之間間隔距離很小，從而引起了熱量聚集以及散熱不暢等問題，至使計算機工作效率嚴重下降。據研究表明，CPU的發熱效率也隨之成指數勢上漲[1]。

2 高溫對CPU性能影響的機理

高溫本身對于CPU的損傷占很小的一部分，而在這其中高溫損傷計算機CPU的主要機理是“電子遷移”現象。[4]“電子躍遷”現象于上世紀五十年代中的微電子科學領域被首次提出，基本內容是指某種金屬原子受到電子流的激發影響而產生的流動現象。在計算機CPU中，高溫以及高強度的電流促使電子獲得更大的動量，時，導線以及CPU中的金屬原子在較高動量的電子的流動激發下開始移動。使得原本光滑的導線以及CPU中受到金屬原子的沖擊，從而使光滑的金屬表面變得凹凸不平。而這種影響是有積累效應的。[5]在持續的金屬原子轟擊下，導線以及CPU中的受創程度越來越嚴重，以至于對整體電路系統和CPU產生不可恢復的影響。CPU高溫以及高強度電流更是加劇了最終損傷時間，至使計算機的計算能力快速下降，也加快了CPU的報廢時間。

3 計算機散熱技術的重要性

由于CPU體積小，組成材料、結構特殊。現代的CPU是使用硅材料制成的，半導體單晶硅集成了幾億幾千萬晶體管。數量龐大的集成晶體管導致了CPU發熱嚴重，體積小的特點更加提高了其散熱難度。正式由于CPU的這些特點，才另其相比于別的設備、器件散熱難度的不同。

計算機ＣＰＵ散熱系統的強度對于計算機穩定性能和整體性能有直接和深遠的影響。計算機工作過程中會大量產熱，產出熱量將加強“電子遷移”，從而直接影響CPU的使用性能以及使用壽命。CPU溫度升高 1℃其運行穩定性降低約3.8%，而 CPU溫度下降 10%其將壽命增加約50%。美國空軍機載電子設備中由高溫造成的失靈的約占 55%。[2]若不及時排出產生的熱量，由于系統出于自我保護而降頻，導致的運算變慢，性能降低等問題。長期的高溫影響，甚至會使CPU損壞。[3]高效的散熱技術是計算機系統高效、穩定運行的保障。不難得出，在設計計算機時，研究其更高效散熱技術是十分重要的一步。

4 計算機散熱研究現狀

4.1 CPU的散熱方式

CPU的散熱方式通常以兩大方式為主：被動式散熱、主動式散熱。[6]被動散熱方式主要為早期計算機使用。它的特點是CPU核心溫度始終處于環境溫度以上。被動散熱方式沒有核心制冷系統，該方式主要依靠物理散熱片進行散熱。散熱片靠近主板位置，散熱片通過散熱板將CPU產生的熱量通過預留好的散熱孔、鍵盤等自然窗口，運用通風、對流的方式將熱量散入到環境中去。主動散熱方式主要被當前計算機廣泛使用。它的特點為，存在核心制冷系統，該制冷系統溫度較低，使得CPU核心溫度可以維持在環境溫度以下，從而更有效的為計算機CPU降溫，提高降溫效率，使計算機可以維持在穩定的操作水平。

4.2 早期與當前主要計算機散熱方式

傳統的CPU被動冷卻技術擁有較為簡單的結構組成和工作原理。因為其存在時間長，更容易被人們普遍接受，所以其擁有較為龐大的貿易市場，在市場競爭中壓力較小，得到了較為普遍的應用。

典型被動和主動CPU冷卻技術包括：

4.2.1 散熱片冷卻：

計算機散熱片冷卻是最普遍的被動散熱方式。是指直接將散熱銅管或鋁管安裝在芯片上的一種散熱方式如圖一是其示意圖。散熱效率較低。

圖一 散熱片冷卻

4.2.2 風扇冷卻；

計算機的風扇冷卻技術作為主導冷卻方式在計算機散熱領域已經非常普遍和成熟，并且一直被沿用。當代散熱廠商為使風扇冷卻技術在計算機芯片散熱中不被取代，開始對風扇的葉形及流道進行優化，還采用有效措施對其進行降噪處理。

4.2.3 氣體壓縮制冷；

拌隨著新技術的不斷成熟與發展，新循環系統被再次提出。氣體壓縮制冷可以達到更低的溫度，從而更好的保障集中式終端服務器的有效散熱。

4.2.4 宏觀管路水冷：

相比于風扇冷卻，宏觀水管冷效果更好，其在計算機芯片散熱中也得到了廣泛的運用。

4.2.5 熱管技術冷卻：

熱管又被稱為“熱超導管”，其主要利用工質的相變進行熱量傳導。如圖二為其工作原理。普遍的熱管由管殼、冷卻液、吸液芯和端蓋組成。冷卻液在熱管管芯中吸熱成為蒸汽，蒸汽經過絕熱段進入冷凝段，在冷凝段大量放熱再次凝結成冷卻液，隨后開始下一個循環。

IBM公司首次將熱管技術應用于筆記本電腦中，并于1998年正式發布其熱管冷卻產品。熱管的安裝方式根據CPU的總功率大小而改變。功率較小的CPU的熱板安裝于鍵盤下方，依靠鍵盤與外界空氣的接觸而達到冷凝效果。而功率較大的CPU的熱板則需安裝于靠近底座附近再由散熱風扇散去熱量。這樣更加提高了CPU的散熱效率。將熱管技術應用于 CPU 冷卻，已成為現今 CPU 散熱的發展趨勢。

圖二 熱管工作原理圖

4.2.6 熱電制冷：

又被稱為半導體制冷，其主要應用的為珀耳帖效應，如圖三為其工作原理。珀耳帖效應是指當有電流通過不同的導體組成的回路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。可以被簡單理解為，在外加電場的條件下，電子發生定向移動，將一部分內能帶到電場的另一端。

在接通電源的情況下，導線中迅速形成電場，電子開始定向移動。由P端和N端組成熱電對，一端吸熱，一端放熱，從而達到散熱目的。該技術使無冷卻介質成為可能，該設備集成了，無噪音冷卻，冷卻效率高，使用壽命長等優點。

但為提高熱電制冷效率，制冷器件的結構還需近一步優化，新的熱電材料及熱電堆的布控方式也有待探索。

圖三 熱電制冷原理圖

4.2.7 熱聲制冷：

熱聲制冷在冷卻紅外探測器件、超導電子學器件等低溫固體電子器件的微型低溫制冷領域具有特殊的優點，如圖四為其示意圖。同時在普通制冷領域具有成為替代氟利昂制冷的潛在能力，因而受到廣泛的關注。

圖四 熱聲制冷

該制冷方式主要依靠于熱聲效應，熱聲效應機理可以描述為在聲波稠密時加入熱量，在聲波稀疏時排出熱量，則聲波得到加強；反之聲波稠密時排出熱量，在聲波稀疏時吸入熱量，則聲波得到削弱。近些年，熱聲技術主要應用于冰箱和空調的制冷而代替氟利昂，但是已經逐步開始推進其在計算機散熱中的應用。微型化、模塊化為熱聲制冷的發展方向。微型熱聲制冷機的實現為熱聲制冷應用到計算機散熱領域帶來了曙光。

但由于其功率較小、效率較低，目前還不能適應高功率芯片散熱的標準有待進一步研究與發展。

傳統主動和被動CPU制冷系統同時存在很多缺陷與不足：

（1）制冷效率和制冷效果普遍較差。這種效率較低的制冷方式難以適應當今快速發展的信息時代。伴隨著計算機硬件的升級以及強化，CPU產熱快速增加，這使得傳統制冷方式難以適應

（2）傳統制冷系統帶有較易損壞的可運動部件，如風冷所用風扇葉片等，這就另這些制冷系統可靠性有所下降，同時另計算機縮短使用壽命。

未來的計算機散熱研究趨勢會更加趨于集成化、數據化、高效化。盡量縮小大規模散熱模塊，使其如CPU一般集成化、微量化，更好的應用于體型較小的筆記本電腦中。熱模擬對散熱情況的分析也會更加深入計算機散熱系統的研究。借助電子軟件，為研究人員提供更加全面的散熱數據，更方便于進一步的研究與改善。散熱的高效也將成為計算機散熱研究的重點。未來的計算機為適應人類更高的需求會變得更加復雜，擁有更多功能，同時也使其產熱率大大提升，這就要求未來的散熱系統提高散熱效率，更好的適應計算機硬件快速的發展趨勢。綜上，現今我們所廣泛使用的傳統制冷技術仍然需要得到進一步完善。以更好的適應我們對于計算機性能的需求。

5 結語

雖然隨著科技的進步以及時代的發展，許多新興的散熱方式已經出現在人們的視野中：液態金屬冷卻、納米微氣流冷卻、微槽群散熱、激光冷卻等。但是這些新興冷卻技術還欠缺大量的實驗數據以及廣闊的市場應用前景，所以目前傳統計算機散熱技術依然占據主導地位，而傳統技術有著諸多的瑕疵和問題，不能很好的適應如今快節奏、高技術的硬件發展水平。這使我們認識到，現在計算機散熱領域問題的當務之急是升級傳統CPU冷卻技術，并加快對于新技術的研究與發展，更好的應用新材料、新技術、新理念，完善計算機散熱問題的空缺。我相信，在不久的未來，我們一定會解決高度集成化CPU的散熱問題，讓計算機更好的為人類服務。

[1] Chu R C, Simons R E, Ellsworth M J, et al.Review of Cooling Technologies for Computer Products[J]. IEEE Trans. on Device and Materials Reliability, 2004, 4(4): 568~585

[2] 謝德仁. 電子設備熱設計工作點評. 電子機械工程, 1999,(1):26～28

[3] 程蓉蓉.計算機CPU芯片散熱技術研究[J].遼寧師專學報(自然科學版),2014,16(04):90-93.

[4] TanCM , Zhan gG.Ov e r c o mi n gi n t r i n s i cwe a kn e s so f ULS Ime t a l l i z a t i o ne l e c t r o mi g r a t i o np e r f o r ma n c e s [ J ]. Th i nSo l i dFi l ms , 2004, 462: 263-268

[5] 王卓.高溫對計算機CPU性能影響機理及散熱技術分析[J].南方農機,2015,46(08):76+83.

[6] 劉一兵.計算機CPU芯片散熱技術[J].低溫與超導,2008(06):78-82.

Computer cooling method and development prospects

Zhang Zelong

(Affiliated High School, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083)

In recent years, with the rapid development of computer hardware, computer heat dissipation has once again become a focus of the computer field. This paper elaborates on the importance of computer heat dissipation, the influence mechanism of high temperature on CPU performance, the research status of computer heat dissipation and the defects and application of traditional heat dissipation technology. And look forward to the future development of these technologies.

CPU chip; heat dissipation technology; computer heat dissipation; influence mechanism

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2019.03.010

TP332

A

1672-9129(2019)03-0031-04

張澤龍（2001-）男，北京，高中。E-mail：1176257079@qq.com