重裝CPU、GPU時代下的機內散熱設計(1)PC散熱技術演化歷程

tracy68

多年以來，國內的資訊製造業都是以個人電腦（Personal Computer；PC）為中心主軸，因此對散熱技術的關注也多半集中在個人電腦上，直到最近的三、五年，由於日本業者的技術轉移，開始投入投影機、大尺寸平面電視等消費性領域，才較為關注個人電腦之外的產品散熱設計。即便如此，個人電腦也依然是國內資訊製造的重心之一。

　因此，以下本文將以個人電腦的角度及發展歷程，來說明與瞭解資訊相關散熱技術的進化提升。
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▲打從1981年的IBM PC開始就有使用電動風扇來散熱，圖中右處的供電器鐵盒內即有電動風扇。
■通風孔技術

　雖然在1981年8月IBM公司推出IBM PC（Model 5150）之前，就已經有MITS公司的ALTAIR 8800、Apple公司的AppleⅡ等受歡迎的個人電腦（或稱：微電腦，Microcomputer），但是真正的產業規模啟動仍多是以IBM PC問世起算。

　以IBM PC來說，當時機內的電路板完全只用「對流散熱，Convection Cooling」即可，也就是俗稱的氣冷法，機內的空間足以讓冷熱空氣進行對流，不過為了讓冷空氣更快引入、熱空氣更快排出，因此仍會在機身的較不顯眼處（例如：前端底座位置）打上連續成排的散熱通風孔（Ventilation Hole），使機內的對流散熱更為穩定。

　所以，第一部個人電腦（在此指IBM PC）完全只用對流散熱？答案是否，事實上IBM PC就已經用上電動風扇來散熱，不過只用於電源供應器（Power Supply，俗稱：供電器，也時也稱Power Supply Unit，簡稱：PSU）部分，IBM PC最初只用63.5瓦特（另一說是67瓦特）的電源供應器，之後的後續機種才有用120瓦、150瓦、180瓦的供電器。

　此一冷卻風扇主要是為了加速供電器部分的電路散熱，而非機內運算電路板（即：主機板，大陸方面稱為：主板）部分的散熱，雖然它對主機板方面也有些許的散熱效果。

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  ▲典型的晶片封裝用散熱片（Heat Sink）。
■散熱片技術、電動風扇技術

　在IBM PC之後，即便是PC XT、PC AT等也都還是維持僅電源供電器部分有用上風扇，其餘的運算電路部分皆完全倚賴對流散熱，不過在80286後期與80386前期時開始有讓CPU使用散熱鰭片（Heat Sink，簡稱：散熱片），這是在80286將運作時脈的頻率從16MHz提升到20MHz時所使用，另外80386SX也有使用，除此之外x86處理器多半用新封裝、新製程的技術方式來克服散熱，使其保持不用散熱片也能正常運作，如此一直到80486SX-20、80486DX-25為止，此後的80486DX-33就幾乎都要搭配散熱片，甚至要電動風扇（Fan）來散熱。

　雖說自80486DX-33之後的x86處理器都會用上散熱風扇，不過除了處理器外，主機板上的其他電子元件都還不用特別的散熱設計，仍然是使用傳統的對流散熱。

　■硬體監督技術

　接著進入Pentium世代，在Pentium世代處理器的封裝外散熱技術開始有兩項改變，首先是網路電腦（Network Computer；NC）的衝擊，支持NC的業者認為PC對企業用戶而言有著高昂的維護管理成本，尤其資訊管理人員發現PC最先也最頻繁故障的就是風扇系統，因此經常要花費心力來保養、換新風扇，或者風扇故障仍無法察覺，以致PC逐漸過熱而導致當機，使企業用戶蒙受損失。
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▲晶片（處理器）封裝上先連接散熱片，之後再運用電動風扇加以散熱，是今日普遍的機內高熱晶片散熱法。
為此PC陣營提出了硬體監督機制的補強、改善方案，透過處理器溫度、風扇轉速等的監控，使風扇散熱效率減弱或失效等問題能獲得事先的預警，以預防PC的過熱及當機。

　■致冷器技術

　其次是處理器用電愈來愈兇且愈來愈熱燙，用電動風扇散熱已逐漸難以因應，因此開始有業者提出用熱電致冷器（ThermoElectric Cooler；TEC）的方案，將致冷器裝置於處理器封裝的上端，然後再將散熱片、電動風扇裝置於致冷器之上，如此致冷器快速將封裝表面的溫度導引到散熱片上，然後再用風扇加速對流，以此使熱獲得更快的消散。

　硬體監督機制與致冷器，都約在1996年、1997年間提出，硬體監督機制從提出到今已經成為各型款PC的基礎管理功能，而致冷器則因諸多因素而未能持續，一是致冷器與電動風扇相同，自身也需要耗用電力，屬主動式的散熱器（Active Cooler），且相同的熱能消散要比風扇耗用更高的電力，致使PC的總體用電量大幅增加。

　致冷器的另一個問題是：若設計與考量不當，致冷器的強力散熱效果會使周遭的空氣凝結成水，如同從冰箱拿出一杯冰水放在室溫的客廳，杯子因過於冰冷而使杯子的外部表面開始凝結出水滴（杯外附近的空氣遭受冷卻），致冷器若因強冷而將空氣凝成水滴，且水滴未全然蒸發而流至電子系統板上，就會招致危險。

　不過，之後業者將硬體監督機制與致冷器結合，當偵測到處理器溫度降低時，也會連帶控制致冷器將冷卻效率降低，如此就不會發生冷卻過度而產生空氣凝結成水的問題，使致冷器用於散熱設計的實用性獲得提昇，然而致冷器的冷卻用電效率依舊偏高，所以依然只在高階高熱處理器（或GPU繪圖處理器）上使用，而未大量普及。
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▲2000年Apple Computer公司推出的個人電腦：PowerMac G4 Cube，就以全機完全無風扇為其特點，完全只用散熱片進行散熱。
■嘗試捨棄風扇　失敗

　Pentium世代之後是PentiumⅡ世代，由於PentiumⅡ處理器捨棄過往傳統的接座式連接，而改採卡匣型態的插槽式連接，如此使處理器的體積大增，同時也因此讓Intel有意改善處理器散熱的想法，期望不再用額外消耗電能的風扇散熱，而只用不需電力的散熱片、被動式散熱器（Passive Cooler），不過由於PentiumⅡ處理器實在太熱，即便可裝置比過往處理器更厚大的散熱片，依舊無法完全因應，所以後續（266MHz以後）的PentiumⅡ仍然回歸到風扇散熱的作法。

　■熱導管技術

　因體積與面積的大增，而短暫嘗試完全回歸到無風扇的純散熱片散熱時代，這主要是指桌上型電腦所用的PentiumⅡ處理器，而筆記型電腦所用的PentiumⅡ，也因為高熱問題也引出了新的散熱手法：熱導管（Heat Pipe，大陸方面直接翻譯成：熱管）。

　熱導管與散熱片相同，散熱運作時都不需要使用電能，屬被動式散熱器，熱導管過去是用在航太領域以及大型主機（或其他相關的大型運算設備、系統），然而行動用的PentiumⅡ處理器發出太多的熱能，加上筆記型電腦不似桌上型電腦，並沒有太寬裕的機內散熱空間與電能，尤其是電能問題，在電池電能有限的情況下必須盡可能不使用風扇、致冷器等額外用電的散熱方式，否則筆記型電腦的待機時間、電池使用時間將會更加縮短，如此外出攜用的價值與意義也會打折扣。

■挑戰零風扇　再度失敗

　嚴格來說，個人電腦除了IBM相容機（x86架構）外也包含蘋果電腦公司（Apple Computer）的麥金塔（Macintosh，俗稱：Mac）系列，而Mac電腦向來標榜創新，過去至今一直是IBM相容PC的追趕、抄仿對象，Mac電腦在1999年、2000年間也在散熱設計上嘗試突破，即是從第二代的iMac（1999年）以及PowerMac G4 Cube（2000年）的機種上，嘗試全面棄捨風扇式散熱，不僅是處理器用的風扇，包括電源供應器部份的風扇也要棄捨。

　麥金塔個人電腦嘗試全面揚棄風扇的原因並非是「維護管理」方面的考量，而是「使用舒適性」方面的考量，由於風扇運作時容易產生噪音，而麥金塔電腦的使用者多數都從事創作、設計性質的工作，且習慣於深夜工作，如此較能夠專注或產生靈感，然而寧靜的深夜卻因風扇噪音而不得安寧，反而妨礙、影響了工作情緒。

　取消風扇後的作法其實與過去Intel的嘗試相同，改以較厚大的散熱片來幫助散熱。不過，這項嘗試似乎也未成功，不僅PowerMac G4 Cube有過熱問題，且後續的麥金塔電腦也依舊使用風扇。

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▲2004年Apple Computer公司推出新款的PowerMac G5個人電腦，該電腦使用2顆2.5GHz的PowerPC 970FX處理器，並用上水冷循環的散熱系統（圖中G5字樣的鐵盒內）。
■動態調控技術

　再次的挑戰雖然失敗，但用戶對電腦運作寧靜度的意識也已經抬頭，然風扇依然是「必要之惡」，因此有了折衷的作法，即是調適性的控制風扇轉速，由於風扇轉速愈快也也意味著噪音的提升，所以除非處理器溫度上升，否則不對應提升風扇轉速，讓風扇轉速與處理器溫度呈隨時動態性的正比對應調整，以此來減少風扇噪音量。

　■循環水冷技術

　在使用了通風孔、散熱片、電動風扇、致冷器、熱導管等散熱技術後，個人電腦依然持續尋求更精進、良善的散熱方法，對此方案業者引入了水冷散熱（Water Cooler）技術，2004年Apple推出新款的PowerMac G5個人電腦，該新款電腦使用2.5GHz的PowerMac G5（PowerPC 970FX）處理器，較之前的1.8GHz、2.0GHz版的處理器更為快速，然而也更為熱燙，過去1.8GHz、2.0GHz版仍可用散熱片與風扇散熱，而2.5GHz則是加入了水冷式循環散熱，但同時也仍然要散熱片與風扇的搭配，等於同時用上了三種散熱技術。

　水冷散熱的原理類似冷氣機，即是在一個密閉的循環管內裝入冷媒，並透過壓縮機（馬達）的運轉使冷媒於管內循環，由冷媒快速吸取處理器的熱量，並將熱量運到外端他處後加以均化消散。

　水冷散熱技術除了冷卻（吸熱）效率佳之外，另一個優點是低噪音，由於是在密閉管內進行冷媒循環，所以運作上相當寧靜，良善設計上可以低於30分貝（相當於人類耳語的程度）。相對的，電動風扇並不易降低噪音。

　既然使用上馬達，所以水冷散熱為主動式散熱，此外水冷散熱在設計與產製時也必須相當嚴謹可靠，理由與致冷器相同，倘若水冷的循環系統有所疏漏，使管內冷媒液體外洩，會對電路板造成損害。

　事實上PowerMac G5並非是第一個使用水冷散熱的桌上型運算系統，早在此之前迪吉多（Digital Equipment Corp.；DEC）公司的Alpha電腦即有使用，不過此屬於工作站電腦，而非一般的個人電腦，此外過去在x86 PC的個人改裝、組裝市場中也早有嘗試水冷作法。

　在PowerMac G5使用水冷系統後，日本恩益禧（NEC）公司也在同（2004）年推出採用水冷技術的電腦，且為x86架構，NEC的ValueStar G Type TX桌上型個人電腦（Pentium 4）也使用水冷散熱系統。此外NEC也在其PC架構的伺服氣上使用水冷散熱。

　要注意的是，Apple與NEC雖都採行水冷系統，但所用的管內冷媒卻不相同，Apple用的是純水，而NEC用的是甲醇。

　■持續突破

　很明顯的，散熱設計所考慮的，絕不單單只是效率問題，還要考慮空間、體積、寧靜、電力、維護、安全等問題，甚至成本也必須在意，特別是PC日益低廉的今日，而新的散熱技術也通常意味著較高的實現成本，如此在更熱燙、更低廉之間求取平衡，將是PC散熱設計的重大課題，特別是過去曾發生過為了精省成本，將原本該用三根熱導管的機內散熱系統降成只使用兩根熱導管，進而在出貨後過熱當機而影響聲譽，由此更可知散熱設計的重要性。
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