重裝CPU、GPU時代下的機內散熱設計(4)電子散熱設計、管理速析

francisey

各位是否相信？電子產品的散熱技術、散熱管理等的設計，其重要性正與日遽增中，有愈來愈多的電子應用在設計時必須要考慮到熱的問題，但同樣的應用設計在過去卻沒有問題，或是使用簡單的追加設計就能解決，如今卻無法用相同的作法來打發。

　另外，從今而後的散熱設計也愈來愈艱困，過去的散熱設計主要即在於保護性，保護產品在運作時不致發生過熱，或在過熱之前加以因應，而今這只是散熱設計的最初步，現在則有更多的取向、因素必須去滿足。

　因此，本文以下將討論今日電子散熱設計的兩個層面：1.有哪些電子設計應用需要在散熱方面投入更多的心力？為何過去不用而今日需要？2.散熱設計除了達到過去一貫的「避免運作過熱的保護」要求外，今日又有哪些新的設計要點必須重視與留意？
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■製程不斷縮密的挑戰

　今日電子散熱設計所要面對的第一個問題就是：半導體製程仍持續不斷的縮密，從90nm、65nm、邁向45nm，製程縮密的同時漏電功耗也遽增，以致在相同的單位面積內，所需要的用電量與廢熱產生也愈來愈大，1997年的PentiumⅡ不過58瓦特的用電，在當時已是怪獸級的空前用電，而今即將問世的Intel四核版處理器卻已經破200多瓦特的用電，並直指300瓦特的大關，就連處理器在閒置的省電狀態下都需要100多瓦特的電量。

　不單是製程更縮密、裸晶電路面積更嬌小化，相對的晶片封裝面積也在嬌小化，近年來常言的晶級封裝（Chip Scale Package；CSP）只允許封裝面積比裸晶面積大個50％，使得散熱面積與以往相比更加有限。

　更令人頭痛的是，過去高熱化的晶片通常只有一個，那就是中央處理器（Central Processing Unit；CPU），也只有中央處理器需要額外的散熱關注與設計心力，特別是PC主機板的規格標準從AT轉換成ATX時，ATX開始加入主機板上各元件配置位置的高度配置，美其名是要避免板卡插置時的空間衝突，但90年代中後期已少有長型板卡，板卡位置衝突的發生性已經很少，因此限定組件高度的絕大部分用意是為了處理器的散熱，避免處理器的氣流路徑（Air Path）遭到阻礙。

　至於現在，現在PC機內不再只有中央處理器是高熱發散元件，繪圖處理器（Graphics Processing Unit；GPU）成了第二號重點，有時甚至凌駕於CPU，特別是近年來GPU在電晶體用量上有超越CPU的趨勢。更進一步的連晶片組也開始高熱化，90年代後期的若干款PC晶片組已開始需要配屬散熱片，而今有些主機板製造商已經為晶片組加裝電動風扇，特別是主機板不知道會配置到哪種機殼內，因此必須以最壞的機內氣流環境設想、打算。
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除CPU、GPU、晶片組外，記憶體也開始高熱化，自DDR SDRAM、DDR2 SDRAM開始記憶體模組也需要配屬散熱片，這在過去根本不需要，不單是如此，已經獲得JEDEC定案通過的新標準：FB-DIMM（Full Buffered Dual Inline Memory Module），更是讓記憶體的熱問題更加嚴重，一條DDR2 SDRAM約耗用4瓦特∼5瓦特的用電，改採FB-DIMM設計後，由於追加了AMB（Advanced Memory Buffer）的轉換、橋接晶片，使每一條DIMM的用電達10瓦特∼11瓦特的倍增。

　更痛苦的是，FB-DIMM就是為了更密集、大量配置記憶體模組而設計，FB-DIMM的推行者表示：在標準相同的線路數目、相同的電路板面積內，FB-DIMM能夠比傳統DIMM多出三倍的模組配置量。如此仔細一算，傳統模組換成FB-DIMM都足以讓用電倍增，若再想發揮FB-DIMM的密集、大量配置模組，則會使相同的電路板面積比過去多出5倍的用電（發熱）量。

　另外，近年來成長快速的FPGA也在散熱問題上不可忽略，大型、高密度的FPGA已經達上千隻的接腳，同時也積極採行最新、最縮密的半導體製程，只是一般量產的PC中不易見到，但在其他電子設計應用中，大型FPGA的散熱問題也必須要開始考慮。

　凡此種種，或許可以用另一種說法來概括：「摩爾定律」這帖藥方持續有效，但藥效之外的「副作用」卻也愈來愈大。尤其製程再更縮密後，裸晶的發熱位置將更縮小、集中，如此晶片封裝的散熱技術就更重要，能否將裸晶的熱，快速且平均導到封裝面積上，也成為封裝工藝上的一項空前新挑戰。
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■短小輕薄的設計壓力

　有些人以為只有手持行動用的掌上型電子產品，才會有短小輕薄的設計壓力，事實上幾乎所有使用、應用層面的電子產品，都遭受空前的空間設計壓力。

　手持式在此就不用多提了，各位看看居家客廳的電視，平面化電視是今日的趨勢，平面化電視的標榜也包含了「薄型化」的特點在其中，如此也等於限縮了電視機內可用的散熱空間。

　即便不談論LCD、PDP等數位薄型電視，而來談論使用CRT陰極射線管（俗稱：映像管）的傳統電視，在其發展的後期也開始標榜「短管」、「超短管」，也就是限縮映像管的長度，進而使電視的厚度減少，如此一樣使機內散熱空間減少。

　除了電視機外，再看看會議簡報、家庭劇院所用的投影機，投影機也一樣愈來愈講究短小輕薄，過去需要用手推車搬運的投影機，如今已經小到可以用手提箱攜行，有些甚至已經到只比便當盒大一點的水準，所以投影機也同樣面臨機內體積限縮的問題，連帶的也給散熱設計更大的壓力。
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再者，各位看看高效運算（High Performance Computing；HPC）領域的超級電腦，網際資料中心（Internet Data Center；IDC）的端緣運算佈建、刀鋒伺服器，這些運算設備愈來愈重是的不再只是效能，也不再只是價格效能比，而是效能用電筆、效能體積比，特別是效能體積比，由於機房佔地有限，不可能在短時間獲得拓建，所以現在的超級電腦、伺服器用戶都比過去更加要求：必須在相同的機房、機櫃空間內，裝入更多部伺服器、更多顆處理器，如此最後還是一樣：苦了散熱設計。

　而且，現在的機房業者愈來愈講究用電的精省，因為電費在業者的營運成本中佔有極高的比重，新設備若需要更高的用電，或在地發電業者將電費漲價，將明顯衝擊與影響其收益，所以業者也會盡可能希望使用最省電的散熱作法，如此使用電能進行散熱的電動風扇、致冷器、水冷循環等技術將有較大的顧忌，而必須更加善用散熱片、熱導管等不需電力的技術。

　■高亮度、高功率LED應用

　再來就是新電子照明所產生的散熱問題，由於藍光、白光LED在亮度方面的技術突破，使LED成為新興的電子照明應用，過去用EL、CCFL做為背光（Backlight）的LCD顯示器，如今開始改用LED/WLED做為背光，然而就用電效率與散熱等特性而言，LED/WLED並沒有過去EL、CCFL等來的理想。

　特別是在大畫吋的電視應用上，大畫吋電視若以LED/WLED為其背光，則LED/WLED的使用數量將相當高，達數百、上千之譜，加上必須密集排列、配置LED/WLED，如此散熱問題也就更加嚴重，這迫使背光部分必須用上電動風扇來加速散熱，不過這也經常招致消費者抱怨，他們在觀賞電視時不僅聽到節目的聲音，也聽到了不想聽到的機背風扇聲。

　LED/WLED不僅用於液晶電視的背光，另一個被看好的高亮度LED應用是汽車的車燈，特別是頭燈的部分，一旦頭燈也改用LED照明，則全車就有機會達到完全以LED做為照明與指示的設計，進而完全棄捨過去的車用照明技術。

　不過，過去WLED不能做為汽車頭燈、主照燈，而只能做為方向燈、指示燈的原因，就在於亮度問題，而今開始可行的原因是在於LED業者積極在亮度技術上突破，然而積極於亮度方面的結果也產生了相同的老問題：更大的功耗與散熱，因此車頭燈改用WLED已是可行，且有愈來愈多的車款如此採行，但散熱設計也就必須比過去更加投入與費心。
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當然！WLED不僅在液晶背光或車用燈，包括紅綠燈的交通號誌，以及美術燈等各種照明層面都開始普遍使用，這同樣要考驗散熱設計，特別是這些照明應用都是長時間使用，且經常在各種公眾環境使用，如此散熱方面就更難設計，尤其風扇最忌沙塵、濕淋等問題，在客廳、辦公室可以用風扇，但在公眾環境用風扇就有較大的困難。此外也開始有業者用LED/WLED做為投影機的燈泡，如此對過去的投影機散熱設計師而言，也必須適應新的散熱設計方式。

　■金磚四國市場也重視散熱

　最後，以金磚四國為目標市場的電子產品，恐怕也得比過往的相同產品更注重散熱問題，單以PC為例，在先進國度中PC多是在有完善空調的辦公、居家等場合中使用，但在金磚四國市場，由於現有購買力的因素，可能會先推行公用電腦，如Intel的Community PC、Microsoft的FlexGo等即是此種構想的代表，然公用電腦所處的公眾場合、環境可能相當高溫，如此以外部空氣對流以進行散熱的作法（如散熱片、散熱風扇）將會打折扣，恐必須更考慮內部熱交換作法的熱導管、水冷循環設計。

　此外，金磚四國市場的交通便利性尚不如先進國度，加上金磚概念產品多半訴求平價，如此就必須減少銷售後的支援維修，所以必須盡可能少使用電動風扇技術，理由是：與其他散熱技術相比，電動風扇的組件壽命較短，經常頻繁保養與換新，且若以印度為使用設想，還必須防止沙塵、昆蟲等對風扇的影響，因此風扇部分還必須比過往有更好的抗塵侵、抗蟲入等設計。

　凡此種種，都在在說明：散熱設計、散熱管理已到了空前的新挑戰局面，散熱不僅要穩定可靠，還要舒適安靜，還要因應產品的短小輕薄，還要盡可能節能，散熱設計不再只是專注於避免運作過熱，從今而後有更多更多因素層面需要列入考慮。


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