笔记本CPU散热简介

1、笔记本CPU散热简介1.CPU散热背景介绍2.CPU散热系统3.CPU散热弊端4.CPU散热优化1.1 CPU散热器发展背景 早期的早期的CPU芯片功率不足芯片功率不足10W，不需要用散热器。，不需要用散热器。上世纪上世纪90年代中期以后，随着年代中期以后，随着CPU主频和集成度大幅度提高，主频和集成度大幅度提高，CPU的功的功率和发热量明显提高。率和发热量明显提高。到到2004年年Intel公司推出的公司推出的Pentium4主频主频为为3.6GHz的的CPU功率更是达到功率更是达到115W。如此巨大的功率严重威胁。如此巨大的功率严重威胁到到CPU的工作和发展，而的工作和发展，而CPU必须借

2、助散热器才能工作，虽然必须借助散热器才能工作，虽然Intel在在2006年下半年推出酷睿双核将功耗降低近一半，每个核年下半年推出酷睿双核将功耗降低近一半，每个核心的功耗只有心的功耗只有30W至至35W，与上一代因特尔台式机处理器产品相，与上一代因特尔台式机处理器产品相比，因特尔酷睿比，因特尔酷睿2台式机处理器在提供台式机处理器在提供1.4倍的倍的CPU计算性能同时，计算性能同时，能耗降低了能耗降低了40%，但是对于现在一些四核的，但是对于现在一些四核的CPU来说，功率仍然来说，功率仍然很高。为适应很高。为适应CPU的不断发展，的不断发展，CPU散热器也有了长足的发展。散热器也有了长足的发展。1

3、.2 CPU的温度CPU是由晶体管组成的是由晶体管组成的晶体管最耐受高温度为晶体管最耐受高温度为130度度，一般，一般的晶体管元件的的标称最高温度是的晶体管元件的的标称最高温度是120度度。所以其理论最高热耐。所以其理论最高热耐受温度应该和晶体管元件一样为受温度应该和晶体管元件一样为120度度。但实际上到了。但实际上到了100度度左左右就会对右就会对CPU内部的晶体管造成永久性伤害，过高的温度会使内部的晶体管造成永久性伤害，过高的温度会使晶体管效能降低，同时加速晶体管效能降低，同时加速CPU的老化，我们建议最高将的老化，我们建议最高将CPU的温度控制在的温度控制在75度以下度以下以维护电脑的稳

4、定性和以维护电脑的稳定性和CPU的寿命。的寿命。1.3 CPU热量的来源CPU的温度来自哪里，为什么会产生这么高的温度呢？的温度来自哪里，为什么会产生这么高的温度呢？了解了解CPUCPU的发热我们要先来了解一个的发热我们要先来了解一个CPUCPU的重要参数的重要参数TDPTDP。TDPTDP的英文全称是的英文全称是“Thermal Design PowerThermal Design Power”，中文翻译为，中文翻译为“热热设计功耗设计功耗”，是反应一颗处理器热量释放的指标，它的含义是当处，是反应一颗处理器热量释放的指标，它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位为瓦（理器达到

5、负荷最大的时候，释放出的热量，单位为瓦（W W）。）。CPUCPU的的功耗包括功耗包括“运算所用功耗运算所用功耗”和和“发热功耗发热功耗”两部分，而且两部分，而且“运算所运算所用功耗用功耗”和和“发热功耗发热功耗”在实际运行中是随着在实际运行中是随着CPUCPU负荷的大小动态负荷的大小动态变化的。而变化的。而TDPTDP是指是指CPUCPU电流热效应以及其他形式产生的最大热能，电流热效应以及其他形式产生的最大热能，是一个固定值。显然是一个固定值。显然CPUCPU的的TDPTDP（最高释放热量）小于（最高释放热量）小于CPUCPU的最大功的最大功耗，但在实际运行中，耗，但在实际运行中，CPUCP

6、U的功耗和发热往往最不总是以最大状态的功耗和发热往往最不总是以最大状态出现。出现。进一步区分，进一步区分，CPU的功耗是的功耗是CPU从主板上获取的功率从主板上获取的功率，是要求，是要求主板供电设计时考虑的。而主板供电设计时考虑的。而TDP是是CPU最大发出的热量，是对散热最大发出的热量，是对散热系统提出要求，要求散热系统能够把系统提出要求，要求散热系统能够把CPU发出的热量及时的散掉，发出的热量及时的散掉，也就是也就是TDP是要求是要求CPU的散热系统的散热系统必须能达到的必须能达到的最大热量驱散速度最大热量驱散速度。1.3 CPU热量的来源 CPU的热量来自的热量来自三个部分三个部分： 第

7、一个是正常的运算过程中晶体管第一个是正常的运算过程中晶体管里的里的电热效应电热效应，这个是无法避免的，因为除了超超导体之外的任何，这个是无法避免的，因为除了超超导体之外的任何导体都有电阻就都会发热。导体都有电阻就都会发热。 还有两种发热是由于还有两种发热是由于CPU里的里的两种泄漏电流两种泄漏电流导致的。导致的。这两种电流：这两种电流：一是门泄漏：一是门泄漏：这是电子的一种自发运动，由负极的硅底板通过这是电子的一种自发运动，由负极的硅底板通过管道流向正极的门；管道流向正极的门；二是通过晶体管通道的硅底板进行的电子自发从负极流向正极二是通过晶体管通道的硅底板进行的电子自发从负极流向正极的运动。的

8、运动。这个被称作这个被称作亚阈泄漏亚阈泄漏或是或是关状态泄漏关状态泄漏( (也就是说当晶体管也就是说当晶体管处于处于“关关”的状态下，也会进行一些工作的状态下，也会进行一些工作) )。这两者都需要提高门。这两者都需要提高门电压以及驱动电流来进行补偿。这两种情况都加大了能量消耗和电压以及驱动电流来进行补偿。这两种情况都加大了能量消耗和CPUCPU的发热量。的发热量。 1.3 CPU热量的来源1.3 CPU热量的来源可以以传统的白炽灯来做个类比，其可以以传统的白炽灯来做个类比，其可见光部分可见光部分的能耗相当于的能耗相当于CPU运算所需的能耗运算所需的能耗，而，而热能热能（包括热量和红外线部分）则

9、类比（包括热量和红外线部分）则类比CPU发热所消耗的能耗发热所消耗的能耗。2 CPU的散热系统这是典型的笔记本电脑的这是典型的笔记本电脑的散热系统。它采用的是典散热系统。它采用的是典型的一根热管照顾三块芯型的一根热管照顾三块芯片（片（CPUGPU北桥）的北桥）的散热模式。这样的设计，散热模式。这样的设计，优点是成本低，缺点是优点是成本低，缺点是 CPU 和和 GPU 会互相拖累，会互相拖累，并且很难让两个高发热芯并且很难让两个高发热芯片同时紧贴散热器的吸热片同时紧贴散热器的吸热面。面。笔记本散热系统是一个串行的体系。热量从源头，通笔记本散热系统是一个串行的体系。热量从源头，通过热传递导出到外界

10、空气的过程，要经过如下介质：过热传递导出到外界空气的过程，要经过如下介质：芯片芯片DIE、导热硅脂、铜吸热面、焊锡、热管、焊锡、导热硅脂、铜吸热面、焊锡、热管、焊锡、散热鳞片。散热鳞片。其中，其中，芯片的芯片的DIE，就是芯片晶圆的硅制外壳，它可以保护内部，就是芯片晶圆的硅制外壳，它可以保护内部精密的晶体管电路不受氧化和磨损，更重要的是，能把内部电路产精密的晶体管电路不受氧化和磨损，更重要的是，能把内部电路产生的热量传导到表面。生的热量传导到表面。从上图可以看出，热量从芯片内部产生后，要经过从上图可以看出，热量从芯片内部产生后，要经过7层介质，才层介质，才会散发到周围的空气中。类比电路，我们可

11、以看出，这里的热量传会散发到周围的空气中。类比电路，我们可以看出，这里的热量传导，是一个串行的体系。各种介质，导热的能力，有一个物理常量导，是一个串行的体系。各种介质，导热的能力，有一个物理常量来衡量，那就是导热系数，又称导热率。下面，我们就对于这些介来衡量，那就是导热系数，又称导热率。下面，我们就对于这些介质进行分析。质进行分析。热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间热导率定义为单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量。内直接传导的热量。Q：传递的热量，：传递的热量，L：长度，：长度，S：截面积，：截面积，T：两端温差，：两端温差，t：时间。时间。QLSTt

12、常见的介质导热率如下：常见的介质导热率如下：名称导热系数导热系数w/(mk)铜401铝238固态硅脂0.5-2传统导热膏2-7液态金属70焊锡66我们我们CPUCPU所用的导热硅脂，也就所用的导热硅脂，也就“传统导热膏传统导热膏”的导热率，是最的导热率，是最大的瓶颈。但是，为什么我们还要用导热硅脂呢大的瓶颈。但是，为什么我们还要用导热硅脂呢? ?3 CPU散热弊端散热弊端因为不同介质之间，往往接触是不完好的，缝隙中混入了空气，空因为不同介质之间，往往接触是不完好的，缝隙中混入了空气，空气的导热率更低。这样会造成很大的气的导热率更低。这样会造成很大的接触热阻接触热阻( (热阻是导热率的倒热阻是导

13、热率的倒数数) )。所以我们必须在芯片表面涂上导热硅脂。所以我们必须在芯片表面涂上导热硅脂。导热硅脂必须存在，但是，这不可避免的，会造成了散热体系中的导热硅脂必须存在，但是，这不可避免的，会造成了散热体系中的瓶颈。瓶颈的存在，导致了它的前端介质不断的堆积热量，也就导瓶颈。瓶颈的存在，导致了它的前端介质不断的堆积热量，也就导致了芯片的温度持续升高。致了芯片的温度持续升高。这样的导热硅脂，价格便宜，稳定性好，广泛用于我们的笔记本电这样的导热硅脂，价格便宜，稳定性好，广泛用于我们的笔记本电脑里。我们把他称为液态硅脂，因为它是呈流体状的。这样的液态脑里。我们把他称为液态硅脂，因为它是呈流体状的。这样的

14、液态硅脂还有一些添加银粉和其他添加剂制程的高端硅脂，例如硅脂还有一些添加银粉和其他添加剂制程的高端硅脂，例如信越信越7783，就含有纳米级的银粉，导热率从普通硅脂的，就含有纳米级的银粉，导热率从普通硅脂的0.5-2w/mk提升提升到了到了7w/mk显卡芯片上方有一块比较厚的固态硅脂，这不同于之前的液态硅脂，显卡芯片上方有一块比较厚的固态硅脂，这不同于之前的液态硅脂，它的导热能力更差。它的导热能力更差。由于厚度往往在毫米级别，远远大于接触面之由于厚度往往在毫米级别，远远大于接触面之间的缝隙，所以热阻比液态硅脂要大间的缝隙，所以热阻比液态硅脂要大10倍以上倍以上。单热管照顾两块以上的芯片时，就要保

15、证两块芯片都要在一个水平单热管照顾两块以上的芯片时，就要保证两块芯片都要在一个水平面上，或者高度为定值。焊接在热管上的两块铜制吸热面，要同时面上，或者高度为定值。焊接在热管上的两块铜制吸热面，要同时保证严格紧贴两块芯片的表面，在力学上是很难的，势必加大了成保证严格紧贴两块芯片的表面，在力学上是很难的，势必加大了成本和装配时的报废率。本和装配时的报废率。靠弹性螺丝或者弹性金属片的下压固定方式，只能保证一个芯片和靠弹性螺丝或者弹性金属片的下压固定方式，只能保证一个芯片和吸热面的良好接触，另一个芯片，只好妥协了，用导热率不怎么高吸热面的良好接触，另一个芯片，只好妥协了，用导热率不怎么高的固态硅脂填充

16、缝隙，不仅解决了力学上的问题，还提高了流水线的固态硅脂填充缝隙，不仅解决了力学上的问题，还提高了流水线装配的速度，多方面都降低了成本，代价就是有一块芯片的散热效装配的速度，多方面都降低了成本，代价就是有一块芯片的散热效率会变差，并且会随着固态硅脂的老化，成为散热的瓶颈。率会变差，并且会随着固态硅脂的老化，成为散热的瓶颈。4 CPU的散热优化的散热优化CPUCPU的散热优化最根本途径是降低其功耗，这依赖于科技的的散热优化最根本途径是降低其功耗，这依赖于科技的进步以及新型材料长足的发展。但在日常生活中我们也可以根进步以及新型材料长足的发展。但在日常生活中我们也可以根据自己的需求改良一下自己的笔记本

17、散热系统，以避免高温对据自己的需求改良一下自己的笔记本散热系统，以避免高温对CPUCPU的伤害。的伤害。对笔记本芯片伤害较大是部分对笔记本芯片伤害较大是部分热点热点的存在，使得局部温度过的存在，使得局部温度过高的地方热量无法迅速的散发出去，而这些散热瓶颈往往出现高的地方热量无法迅速的散发出去，而这些散热瓶颈往往出现在热导率较低的地方，这就是我们前面提到的在热导率较低的地方，这就是我们前面提到的接触热阻接触热阻。上图是用紫铜片代替固态硅脂，用液态金属代替传统的上图是用紫铜片代替固态硅脂，用液态金属代替传统的导热硅脂而对导热硅脂而对GPUGPU散热进行优化。散热进行优化。可以看出改造前和改造后待机温度和极限温度明显下降了不少。可以看出改造前和改造后待机温度和极限温度明显下降了不少。这是笔记本硅脂替换测试的效果成绩这是笔记本硅脂替换测试的效果成绩从图上看出硅脂替代散热效果较好的为液态金属和含银硅脂，从图上看出硅脂替代散热效果较好的为液态金属和含银硅脂，其热导率也比较高，但不足的是液