重裝CPU、GPU時代下的機內散熱設計(5)Intel向右轉 新世代散熱技術應運而生

ishara

在PC的世界中，CPU的時脈速度長久以來一直被奉為是評斷一台PC性能優劣的第一指標，其次才會去考量硬碟、記憶體、繪圖單元等其他的功能性。不過，這種由Intel所塑造的「主頻崇拜」現象，卻也由Intel自己一手打破。

　Intel上任總裁Craig Barrett卸任前，在2004年10月15日對6500位業界高階人士演講時，坦誠該公司過去的晶片計畫確實走錯了方向，除了為此深感愧疚外，更向聽眾單腳屈膝表示：「請原諒我們。」他承認以時脈速度做為晶片性能評斷主要標準的觀念已不合時宜，並宣佈Intel不會再推出4GHz的Pentium 4處理器。

　當時採用90奈米先進製程的Prescott遲遲無法推出市場，正是卡在它的功耗太高，性能卻反而不如上一代的Northwood。Prescott Pentium 4產生的功耗動輒超過100W，若時脈真的推出4GHz以上，那耗電量更可能上衝到200W左右，更新一代預定時脈超過5GHz的Tejas和超過6GHz的Nehalem，其耗電量和高熱的情況將更難以想像，而這是市場上無法接受的，請參考（圖一）。繼任的現任總裁Paul Otellini形容這種尷尬的發展瓶頸，就像是一頭撞向無解的高功耗硬牆，除了轉向另謀出路外，別無它途。這也是Intel轉向擁抱多核心架構的所謂「向右轉」時代的開始。
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     ▲圖一：Intel Pentium系列的功耗密度隨製程而愈來愈接近核反應爐。
在應用功能持續升級時，伺服器、PC、筆記型電腦或Tablet PC、Mini PC等電腦家族產品想迴避眼前這座由處理器、硬碟、繪圖晶片／繪圖顯示卡、記憶體、電源供應器等所帶來的高熱量厚牆，必須採取更積極的因應措施。整體來說，可以採用的策略包括：現在見到的雙核心／多核心架構，以降低由處理器高時脈帶來的高熱；透過電源管理技術，以更智慧性的省電模式來降低晶片與系統的功耗；以更有效率的散熱技術與架構來帶出或冷卻熱量，並同時考量風扇噪音的問題。本文將著重在電腦熱管理（Thermal Management）技術上的探討。

　■熱管理策略：散熱模組與風扇

　每個晶片在運作時皆會產生耗熱，當晶片溫度過高時，就很容易造成工作上的誤差，甚至會機器當掉，或晶片過熱燒掉。以CPU來說，當在室溫約35℃時，Intel或AMD會要求CPU的內部不能超過100℃的安全工作範圍，而系統廠商會進一步要求以更低的溫度為控制規格（如95℃）以確保產品的穩定性。為了達到此目的，就必須對CPU的溫度進行監控，並搭配散熱片（heat sink）、熱導管（Heat Pipe）等傳導方式將晶片發出的熱帶出，再經由風扇將熱吹到空氣中，最後再經空氣的對流將熱氣帶出機殼。

　以傳導方式達成的散熱作法，稱為被動散熱方式（Passive Cooling Method），以風扇的強制對流（Forced Convection）方式來帶出熱量，則屬於主動散熱方式（Active Cooling Method）。在早期的Pentium時代，由於CPU產生的熱量較少，只要利用散熱片、片（Fin）和熱管的被動散熱設計即可解決散熱需求；但到了PentiumⅡ時代，無風扇的被動方式已不敷需求，除了低階電腦外，新一代電腦都得加上風扇才行。到了今日，熱量的問題已愈來愈棘手，也迫使散熱器和風扇的技術必須不斷進步。

　目前常見的散熱片是採用高熱傳導係數的鋁（Al）、銅（Cu）所組成，而熱管則是藉由液、氣相間的相變化（phase change）吸收熱量，並以氣體分子來傳輸熱量，因此可得到高於鋁、銅近50倍的熱傳導係數，具有更佳的傳熱效果。此外，在一些伺服器及Apple的PowerMac中也可見到水冷（Liquid cooling）式迴路散熱器，但它需要有一個熱交換器和一個大風扇。在風扇方面，則可分為軸流式風扇（axial fan）和徑流式風扇（radial fan）兩大型式，前者用於尺寸較大的PC、伺服器，後者則適用於扁平造型、空間有限的筆記型電腦。

　■新一代架構：從ATX到BTX

　今日的桌上型盒裝處理器往往會和散熱模組（即散熱器加風扇）一起出貨，以確保CPU的散熱效能。然而，就電腦系統來說，CPU只是其中的一個熱源，其他會產生高熱的組件／元件還包括硬碟、繪圖晶片／繪圖卡、記憶體和電源供應器等。因此，主機板、設備業者就得從系統機構的整體性角度來看待散熱問題，才能提出有效的解決方案。

　目前市場上主流的電腦造型（form factor）架構，還是ATX（Advanced Technology eXpanding），此架構是Intel在十年前提出的，用以替代上一代的AT架構。雖然這些年來ATX也歷經了幾次的改良，但仍有一些瓶頸難以突破，除了規格上的改朝換代外，如PCI-E 16X取代AGP、DDR2取代DDR、SATA硬碟取代IDE硬碟等，最大的難題還是在於散熱和噪音問題，因此Intel近年來開始主推新的BTX（Balanced Technology Extended）架構。

　打開ATX的機殼，可以發現CPU的周圍前有記憶體、硬碟、光碟機，上方有電源供應器，後有背板輸出入介面，可以說是處於被圍剿的窘況，再加上風扇的不當配置，造成機殼內的空氣對流相當紊亂，CPU的熱氣很難順利被排出。即使採用了極佳的散熱片和導管，以及轉速快的大風扇，但這只會造成熱空氣在內部滯留循環，冷空氣又無法有效進入機殼內，在內部熱量的持續累積下，使得目前機殼內的溫度普遍高於週邊環境達數十度。此外，ATX中為降低溫度而採用多顆風扇，以及對CPU等熱源採用高速的大風扇，這都會發出擾人的風扇噪音。

　新一代的BTX則對主機板的架構做了全面性的調整與規範。在標準的BTX配置中，CPU散熱模組被規劃在外頭冷空氣進入的機殼前方，吹入的冷空氣在冷卻CPU散熱模組的溫度後，會再往後一併冷卻南北橋晶片與旁邊的顯示卡溫度，再從後方的散熱孔排出；電源供應器仍在原來的位置，另配有散熱風扇來將其產生的熱量及機殼內部的部分餘熱帶到機殼外。請參考（圖二）。
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                              ▲圖二：BTX主機板架構的全新配置。
更仔細來看，BTX將整個機構分成多個容積區域（Volumetric Zones），在主機板部分就區分成四大區域：「CPU區域（Zone A）」、「南北橋、I/O介面（Zone B）」、「記憶體、電源區域（Zone C）」、「擴充槽區域（Zone D）」，如（圖三）；此外，BTX還對機殼內部的CPU散熱器、電源供應器、硬碟、光碟機等元件的規劃位置與規格做了相關的規範。在此架構下，雖然只用了CPU散熱模組和電源供應器兩個主風扇，只要各個元件都安置在所屬的容積區域中，並配置相應的散熱進出風口，就能產生極佳的內部空氣對流，並提供比ATX更佳的散熱效益。除了散熱效益外，BTX的優勢還包括：

　1.支援新的介面線路（如SATA、PCI-Express）、窄板設計。

　2.採用全新的主機板佈局，在電路佈線上更具彈性，在安裝上也更為簡便，也能讓主機板的空間利用更有效率。

　3.由於散熱效率佳，風扇的轉速可以降低，再加上風扇減少的作法，這都能有效降低噪音。
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                                          ▲圖三：BTX容積區域作法。
■散熱技術的推陳出新

　除了BTX的新造型規格外，Intel也配套推出了多項新的散熱管理相關技術與標準。這些作法包括簡單序列傳輸（Simple Serial Transport；SST）匯流排、數位溫度感測器（Digital Thermal Sensor；DTS），以及平台環境式控制介面（Platform Environmental Conrtol Interface；PECI），都被應用在Intel採用雙核心運算的核心微架構（Core Microarchitecture）中，簡介如下：

　SST在溫度感測數據的傳送上，過去採用SMBus，但它在使用上有三大缺點，包括傳輸速度太慢、噪訊問題嚴重以及傳送的資訊不夠準確。新的SST則針對這些問題做出改善，進而能提供系統等級的溫度管理方案，請參考（圖四）。

　在傳輸速度上，SMBus是100Kbps或400Kbps；相較之下，採用單線序列傳輸協定SST匯流排最大傳輸速度可達2Mbps（現在的應用速度是1Mbps），最低為2Kbps。在噪訊問題上，SMBus的誤碼率（BER）相當高，容易產生訊息損毀（message corruption）；SST針對不同的協定進行整合、改善訊息大小，並提出對每個訊息封包的訊框檢查序列（frame check sequence；FCS）作法，進而有效改善了噪訊的狀況。

　在資訊的準確性上，SMBus是一個單位元組（single-byte）協定，在每個傳送序列的晶片位址和暫存器指標（register pointer）位址資料中，所能接收的承載資料（payload）是一組單位元組的資料。為了改善傳輸訊息的效益，SST讓單一訊息中具有讀寫多位元組能力的新協定。
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           ▲圖四：SST的架構包括MCH、ICH8和溫度感測器。
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     ▲圖五：雙核心Xeon 5100系列處理器中的PECI拓樸架構。
2. DTS

　今日Intel的CPU核心上都安置了兩種感測器，一是傳統的溫度二極體（thermal diode；TD），另一種是新的數位溫度感測器（DTS）。DTS具有類比轉數位轉換器（ADC），當DTS感測到溫度值後會將結果儲存在CPU暫存器中，再透過PECI介面將數據資料傳送出去，如（圖六）。DTS在CPU晶片上位於更佳的位置，雖然它並不正好位於實際的熱源（hot spot）上頭，因為這樣會影響到CPU的運算能力，不過相較於溫度二極體來說，它的位置已改善許多。

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              ▲圖六：雙核心Xeon 5100系列處理器的DTS區域。



■結論

　散熱雖然是電腦市場的重大的議題，Intel也為此推出了BTX架構，並預估在今年（2006年）能攻佔一半的市場，但目前看起來，ATX仍是市場的主流架構。回顧歷史，PC產業的新造型架構往往需要花上5∼6年才能取得八成以上的市佔率，進而成為主流的架構，但預估BTX可能要花上更多的時間。

　BTX的先期採用者是Dell、HP和Gateway等最大品牌的廠商，但在通路市場還很難未出現，相信還需要一段時間才看得到。Intel一開始時雖然大力推動BTX，但仍同時持續推出ATX造型的主機板。目前BTX較受重視的優勢在於它的低噪音表現，因此對於娛樂性和辦公室的應用很有吸引力，尤其是超薄型的PC，但它卻非唯一的選擇。

　在散熱技術上，AMD雖然也已基於AMD相容的主機板SuperIO介面的腳位描述而開發出使用兩線介面的CPU數位溫度計，但在公開資料上仍難看到相關的散熱策略或技術。Intel在這方面確實領先不少，已提出上述多項技術標準。預料上AMD將會觀望市場的發展，當Intel的規格作法在ODM/OEM的接受度提升到一定程度後，就會跟進。

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