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論高效筆記本電腦散熱解決方案是如何被設計出來的

2019-08-03 11:24:39 | 來源:NotebookCheck | 作者:HikariCalyx
設計一個適當的冷卻系統,使組件充分發揮其潛力,這是筆記本電腦研發的最重要目標之一。各種方面,從設想底盤內氣流應該如何選擇正確的材料和仿真測試開始,在確保你能夠工作或游戲而不犧牲性能方面起著至關重要的作用。

泰然自若。在筆記本電腦中設計和實施高效的熱系統需要大量的研發和適當選擇系統中的每個單獨組件,以確保所有組件發揮其全部潛力。在這篇基礎文章中,我們將了解熱設計過程的每個步驟,以及OEM如何測試和設計熱設計以實現最高效率。我們以微星的旗艦GT76筆記本電腦為例,它可以在所有核心以5 GHz的速度暢通無阻地運行,以更好地說明這一過程。

熱設計應該允許筆記本電腦在沒有節流的情況下長時間達到最佳性能

介紹

你剛剛拿到了一臺纖薄又足夠強大的筆記本電腦,理論上可以帶你馳騁游戲戰場。一切就緒后,你希望能夠充分享受游戲的樂趣,但玩了30分鐘之后,你會發現游戲迅速掉幀,筆記本電腦成為了大火爐。畢竟,理論規格和現實還是有差距的,這便是因為散熱不充分導致的節流,從而使得處理器降頻工作。

筆記本電腦適當降溫的重要性不容小覷。 Notebookcheck的老讀者將會發現我們有時會再次強調需要正確評估使用旗艦配件的筆記本電腦散熱系統以及相關的節流缺陷的文章。冷卻不當可能導致顯著的性能損失,最終的結果是大量投入沒能換來顯著性能提升。

購買筆記本電腦時,了解OEM如何實施冷卻機制是推斷良好性能潛力的一種方法。筆記本電腦中可用的散熱空間比你在臺式機中的散熱空間小,因此OEM已經提出了創新的方法來保持完整的桌面級Intel Core i9-9980HK和NVIDIA GeForce RTX 2080等不會產生太多噪音。

在本文中,我們將了解設計有效冷卻解決方案的內容,包括選擇此過程中的組件和原型設計,以及OEM最近設法實現的一些改進。有興趣了解像微星GT76這種搭載5GHz主頻的8核心處理器的筆記本電腦的內在是怎樣的嗎?請繼續往下看。

設計一個有效的散熱解決方案

設計一個良好的散熱解決方案可以滿足關鍵組件(如CPU,GPU和VRM)的散熱要求,這不是一件小事。 許多因素和測試都試圖了解芯片產生的熱量以及它們與特定筆記本電腦外形尺寸的匹配程度。

設計筆記本電腦散熱解決方案的過程是研發過程中非常重要的一個方面,這通常如下所述。 請注意,雖然每個OEM都有自己專有的熱量設計方法,以最大限度地提高性能,但使用熱塊,熱管,散熱器和風扇的概念幾乎適用于所有制造商。

散熱片下的“芯片”

來看看微星GP75 Leopard的內部結構。 這是一款非常強大的1080p游戲筆記本電腦,采用英特爾酷睿i7-9750H和NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti。 從圖像中,我們可以看到多個銅管從CPU和GPU走向風扇。 如果你仔細觀察,你會發現這些銅管實際上遠離了兩個處理器上的銅塊。這個銅塊或熱塊可以通過導熱膏與實際的CPU / GPU接觸。 因此,熱量傳遞發生在CPU / GPU>導熱膏>散熱片>熱管。 我們的想法是盡可能快地將熱量從芯片傳遞到熱塊,以實現高效散熱。為什么這很重要?

微星GP75 Leopard 9SD的散熱系統

在沒有詳細說明的情況下,每個芯片在其額定TDP下運行時,被散發出來的熱量將符合設計預期。 雖然芯片制造商對如何計算TDP沒有達成共識,但OEM會自行測試,以了解在一個特定的機箱內可達到的最大TDP。 現在,如果熱量沒有及時從芯片中吸走,芯片周圍增加的熱量包圍迫使其以較低的頻率工作以防止損壞,從而影響性能。 一個典型的例子是,由于熱設計不佳,帶有Core i9的2018 Apple MacBook Pro最初甚至無法達到額定升壓頻率。

配備Core i9-8950HK的2018年Apple MacBook Pro由于冷卻不足導致節流問題而臭名昭著。 (來源:YouTube的Dave Lee)

此外,過多的熱量意味著芯片將在時鐘周期中以較低的效率工作,盡管它可能看起來達到所需的頻率,但整體性能受到損害,超頻的能力也會受到嚴重阻礙。

因此,當務之急是以高效率并且盡快將熱量從芯片中抽出。由于其高導熱性,銅是散熱片的首選。大多數筆記本電腦中的銅散熱片表面粗糙,在微觀上不允許與潤滑脂充分接觸。 為了解決這個問題并提供更高效的導熱性,更強大的游戲筆記本電腦如微星GT76使用CNC拋光銅塊來最大化表面接觸面積,這有助于更好地促進處理器散熱。

常規的銅散熱片和微星GT76搭載的CNC拋光銅散熱片。(圖片提供:MSI)

良好的導熱率仍然是“熱管”的夢想

既然我們已經以有效的方式從芯片中移除了熱量,我們需要通過熱管將這些熱量從CPU / GPU組件中引出。 熱管由蒸發器部分和冷凝器部分組成,并且在技術上被稱為兩相熱傳輸系統。 在熱管中,液體(通常是水)吸收來自熱塊的熱量并轉換成蒸汽(蒸發器部分),其沿著管腔移動到較低溫度區域(冷凝器部分)。 在此,蒸汽冷凝成液體,液體被芯吸收并通過毛細作用流回原始位置,同時熱量在外面消散。

熱管的工作原理(來源:維基百科)

以附圖舉例,我們看到熱管中的液體被加熱成蒸汽,傳播到傳熱區域,傳遞熱量,并冷凝回液態。 標有“汽化”的部分可以比作我們上面討論的散熱片,而“熱轉移”區域類似于我們很快就會看到的散熱器翼片。 這就是熱量從熱塊傳遞到散熱器散熱片的方式,然后通過風扇將熱量推出。

傳熱示意圖。 (來源:Calyos)

熱管通常由銅或鋁制成,內部的芯結構或者是帶槽的,金屬絲網(纏繞的篩網),燒結的或纖維的。 其中,燒結管的制造成本最高,但從芯到壁的熱傳導性很好,反之亦然。

金屬燒結熱管的橫截面。 (來源:Frosty Tech)

雖然管芯結構是選擇合適的熱管的關鍵標準,但是有效的熱管性能必須同樣考慮其他幾個因素。 第一個是數量——熱管的數量越多,從散熱片到管道的熱傳遞越好。但是,決定管道數量取決于熱管的總熱輸出和可用的表面積。

管道的長度和直徑直接影響空腔內的蒸汽行進速率。直徑越大,可傳遞的蒸汽量越大。管道的長度不能太長,較短的管道可以傳輸比較長的管道更多的熱量,較短的管道也具有較高的毛細管限制,即流體從冷凝器返回蒸發器的速率。

許多筆記本電腦經常在CPU和GPU上布置熱管。雖然這節省了成本,但CPU和GPU之間的管道部分相對較冷,這可能導致液體過早冷凝,從而妨礙傳熱效率。 因此,在微星GT76等高端游戲筆記本電腦中,CPU和GPU都有自己相應的熱管和風扇組件,以實現最大的熱傳遞。

微星GT76中CPU和GPU的獨立熱管的排布

由于筆記本電腦沒有足夠的空間容納圓柱形熱管,因此管道必須先平整,然后才能用于熱力系統。 這增加了另一層復雜性,因為不均勻或過度的扁平化會阻礙芯內的液體轉移。 緊彎也是有害的。 但事實證明,只要彎曲半徑是管道直徑的3倍,性能就不會受到影響。

更好的氣流確保筆記本電腦溫度更低

成功地從處理器傳遞熱量還只是完成了一半,將熱量完全從機箱中排出同樣具有挑戰性。 這是散熱器和風扇進入的地方。在一個非常基本的層面上,散熱器增加了來自熱管的熱量的表面積,而風扇通過從外部吸入冷空氣來驅走這些熱量。

示意圖顯示了典型筆記本中冷空氣(藍色)和熱空氣(紅色)的進出。(來源:Inyes.org)

決定風扇和散熱器的類型不僅僅是挑選最佳的部件,所討論的風扇必須在葉片數量和它們之間的間距之間取得平衡——在太小的空間中塞入太多的葉片意味著沒有足夠的空氣被推出。同時,當刀片較少且刀片間空間較大時,效率會下降。 那么如何確定最佳冷卻風扇結構呢?

典型的筆記本電腦散熱套件,帶有散熱片,熱管和散熱器。 (來源:Any PC Part經過適當編輯)

答案是使用仿真軟件。許多OEM使用行業標準的仿真軟件,可以對給定機箱的氣流進行公平的評估。 使用仿真軟件的想法是找出哪種風扇組件最適合給定的冷卻要求,而不是簡單地踩在市場上最快(也可能是最吵)的風扇上。 仿真軟件考慮了許多特性,例如氣流如何進入機箱內外,機箱內可用空間,風扇設計產生的空氣量(CFM),散熱器散熱片的表面積等。 軟件可以預測不同負載仿真下機箱內的溫度分布。 這有助于OEM更好地了解和改進其冷卻設置,以實現最高效率。

MSI GT76的散熱器具有更多的散熱片表面積和額外的風扇。

在下面的仿真動畫中,我們可以了解氣流仿真如何幫助理解冷卻實施的可能結果。 在這里,我們看到這種特殊的樣品設計導致將熱空氣吸回進氣口,導致溫度升高。

在右側進行必須的改動后,我們現在看到所有熱風都被風扇推出,從而產生更均勻的溫度分布。 因此,通過使用這種仿真,可以在原型階段本身中改變冷卻設計,且還有助于檢測可能無法識別的物理缺陷。

現在,我們來代入實際場合來考慮這是如何工作的。以微星 GT76舉例,GT76的目標是在Core i9-9900K的所有內核上以5 GHz的長期持續性能。 如圖所示,GT76的冷卻系統具有不少于11個熱管,兩個CNC拋光散熱片,增強型散熱器和四風扇設計。 散熱器跨越筆記本電腦的整個長度,四個風扇的有助于將整個后側一次性散熱出來,而不僅是一兩個角落。

GT76可以沿機器后面的整條散熱孔散熱。

微星表示,充分的仿真已經幫助它設計了新的氣流系統,與GT76的風扇推動96 立方米/每分鐘的空氣相比,其他氣流系統實現了2.25倍更好的氣流。 新型散熱器的較大翅片表面積也起到了防止9900K節流的作用。 GT76的CPU側面的鰭片表面積為252910平方毫米,是GT75 Titan(110045平方毫米)的2.3倍。

與競品相比,GT76的風扇可以排出125%的空氣。

GT76的翼片表面積比去年的GT75高出130%。

在我們對GT76的評測中,我們發現即使經過60分鐘的FurMark和Prime95烤機測試,筆記本也沒有節流,盡管我們注意到組件比常規更熱。 我們還注意到筆記本電腦可以在Cinebench R15環路中以4.7 GHz的頻率連續運行而不會節流。

結論

設計一個適當的冷卻系統,使組件充分發揮其潛力,這是筆記本電腦研發的最重要目標之一。各種方面,從設想底盤內氣流應該如何選擇正確的材料和仿真測試開始,在確保你能夠工作或游戲而不犧牲性能方面起著至關重要的作用。

雖然我們已經深入研究了冷卻的一些硬件方面,但還需要進行大量的軟件優化,以確保系統能夠感知熱量包絡并相應地對其進行調節。我們希望有關如何設計筆記本電腦散熱解決方案的入門手冊,可以幫助你進一步了解筆記本電腦購買中這一重要但經常被忽視的方面。

微星表示,具有更好散熱解決方案的筆記本電腦將成為即將到來的返校計劃的焦點,因此期望在整個產品組合中看到增強的散熱解決方案。

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