[分享] 筆電熱傳挑戰 簡單從評測看懂散熱能力

[leo840908 (nbcaffeine)]

嗨大家好又是我 618又到了(其實差不多過了XD
這篇也是想寫很久了 但一直沒有時間
主要還是希望能有多一點關於工程上的討論 也幫助更多人有科普的觀念
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首先電子零件產品就結果來說 溫度越高故障率越高
有資料是說溫度每升高2度故障率+10%
加上熱管理策略的話 溫度會進一步使系統降頻運作 等同降低效能

筆電而言 業界標準是表面溫度42度內 core 98~100內
所以其實可以大概看一下 一般評測其實多半會測試表面溫度 就會知道定位在哪裡
當然表面溫度的高低是見仁見智 有些人會覺得大不了外接鍵盤即可

至於核心溫度其實90度以上已經是非常高溫了 筆電一般package會控制在85左右
無論是透過設計(很好)或是透過溫度牆(偷懶)的方式

最重要的是說 整個系統不能只看能量守恆(晶片產熱&排出熱量)
溫度非常重要 如果散熱模組需要與外界溫度差到80度 才能將所有熱量排出
那使用條件是相當嚴苛的 相對來說如果只要50度溫差就可以解熱 是不同等級

當然討論的時候不會用這麼複雜的整句話描述散熱能力
因此將整個系統可以簡化為單一特性方便評估 也就是引入熱阻觀念

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熱阻R一般的定義是R=T/W 亦即單位熱傳量需要的溫差
同功耗下溫差越小 散熱能力就越好 或是說熱阻就越小

所以實測不帶溫度功耗都是耍流氓
對於一樣功耗的產品 溫度是非常直觀體現散熱模組能力的
同理對於類似模具的產品 晶片差異也會看得出來 比如之前分享的天選3就是很好的例子

補充一下熱阻的特性
真實系統中的熱阻不一定是定值 因為HP(heat pipe) VC(Vapor Chamber均溫板)
等元件工作的熱阻溫度是會有影響的

整個散熱模組的熱阻約略是二次曲線 且設計在95~100度左右有最低熱阻
所以其實如果單靠散熱模組自己平衡 溫度超過最低熱阻後就會一直上升
牽扯到系統穩定性問題 其他系統的控制手段介入是必要的(增加風扇轉速、降頻限制功耗)
後面會再提 點最近開始被重視的動態熱管理(DTM) 也就是暫態問題

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實際上影響熱阻的因素相當多 當然也包含晶片本身
從晶片結構封裝PCB layout TIM HP FAN FIN
全部元件的熱阻串接最後形成這個系統的熱阻
所以有時候取代某個部分的熱阻也會增加性能(ex換導熱膏底板開孔)

而面積越大 固定熱傳係數下 熱阻也會越小(W=kA) 或是說熱通量密度問題
FIN的設計在移動端因為空間限制 幾乎是壓榨到極限
間隔越小 面積越大 但最佳間隔約為0.1~0.15mm
因為風扇流量受系統阻力影響(PQ curve)
間隔太小太多渦流 造成系統阻力增加 能量浪費 效率下降
但一致的趨勢是加大熱交換面積(冷區) 通常是加大風扇 延伸銅管

比如MSI GF63用很大的風扇 或是蛟龍16宣傳的大風扇(我好興奮RRR
https://i.imgur.com/jSYrY53.png


其次joining的均勻性 (高溫錫異質焊接) 加工良率(HP孔隙 彎折皺曲 表面)
都有相當大的影響目前HP與VC的製程相對很成熟了 除非做複合設計或換新材料

介面材料(TIM)熱傳率 厚度 面積 接觸熱阻(空氣) 這些之前提過了
一部分還有扣具壓力(壓力會影響TIM導熱係數) 不過筆電比較少這個問題

而常常提到的晶片體質 主要就是封裝技術
隨著製程越來越先進 我們也需要更好的封裝材料或設計

先進製程 如3D FET 更是會是需要考慮如何將熱導出 埋銅線或將熱往PCB及機殼導也有
目前封裝方式也有進步 比方Intel 12代處理器厚度有打薄 應該就是希望降低熱阻

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所以光增加熱容 或只有做熱分散(ex石墨烯片) 沒有傳導出去依然是高溫的
當然這些討論實際上最快的方式還是比較產品
所以可以說在特定溫度下 系統熱阻是多少 我想會更直觀去判斷散熱模組能力

而筆電方案如同之前提過的 晶片沒有銅蓋 裸晶的扣具壓力不能太大
同時空間與重量限制 與其放上非常高效能的晶片 不如尋找適當的平衡點
確立好產品定位 回歸攜帶性 這也是更能展現工程實力與提solution的能力

CPU的溫度上升對效能肯定是負面影響 溫度上升電阻上升 發熱量也更大
但時脈與電流成正比 當然也跟製程有關 不過我不是晶片設計專業就不多說太多
基本上可以看到一個挑戰是 想拉高效能(時脈) 但總功耗很難拉高(體積限制)
目前解決方案是短時高時脈(turbo) 及多核設計

我認為應用面最重要的部分 之前也提過 其實還是在單核高時脈
主要是多核並行運算有時候並不容易寫 多核的應用需要更好的多工策略
OS的scheduler的調度及相容性也會帶來使用差異
這部分12代自帶Thread Director確實是想得有點周到了
雖然目前依然看到E核有難P核圍觀的窘境XD 後面應該會慢慢優化

然而以攜帶性而言 複雜多工環境並不是移動平台的主要用途
(需要強大效能輸出還是用桌機工作站伺服器)
因此有能力做到單核心高時脈 在大部分用途上是更好用的

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至於turbo這個想法在實務面上的問題 莫過於到底要真男人多久
之前有聽過Intel工程師介紹怎麼決定時間長短 包含前面提到的溫度限制
以利動態熱管理(DTM) 這確實也是晶片廠需要專業能力去克服的
基本方法還是需要準確地測量暫態的熱擴散係數 而目前測量還發展中
軟體面就是功耗風扇策略等等

而多工部分 與其讓所有核心都非常強 但總功耗高
混合架構的設計讓CPU適得其所確實是一個非常好的想法

AMD也聽說將在Zen 5 推出大小核設計
其實原先晶片上微架構的解碼器就有在做類似的事情
我認為終究還是回歸到產品定位 究竟是性能巨獸還是go getter

可能會有人抬槓說高時脈與多核心本來就兩條路各有優勢
但就技術面而言 高時脈需要的門檻其實更高
如同前述架構設計外 如何做到最佳釋放時間 不過分影響使用體驗與效能
也是需要大量的實驗與驗證 工程上有太多knowhow需要經驗跟數據庫的累積
以及清楚電晶體的開關極限與風險管控 如果只能真男人一次就是螳螂了(X
我想這些因素應該就是為什麼長年Intel在時脈上具有優勢的部分

可以看到最近AMD架構更新後也有慢慢跟上了
從3750H的4.0Ghz /4800H 4.2GHz /5800H 4.4Gh/ 到6800H是4.7GHz
M1/M2晶片顯然就不是走這條路 以後會不會還很難說 目前看起來是否

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我個人的使用場景無論是CAD或CAE 都是偏好高時脈
而多核心反而都是看得到吃不到 物理限制下的總功耗上限如果不高
我會更寧願用在少核心(可能4~6核心) 但能更即時的反饋效能需求

單就規格以及各種流出的資料看來 12代的P系列 1270P甚至1260P都是移動端的甜品
就算是一般文書用途 4C8T就已經over spec了 功耗管理會更重要
將空間(預算、零件)讓給其他使用感受相關的元件
尤其是電池大小 或加強內顯 我想會更符合筆電產品的本質

當然對於定點移動的需求也有看到實驗性產品方案
如清華同方的水冷筆電模具(機械革命世) 或是之前的華碩微星也有做過
水冷筆電不是新概念 但如何做到更可靠 以及更好的軟硬體整合式還有空間的

而遊戲而言 重點應該還是放在L3/L4 cache 記憶體頻率
當然最重要的還是整機(尤其顯卡)散熱能力
要說誰更適合打遊戲 我認為現在的CPU產品看起來都還是效能過剩
所以對遊戲用途而言 我個人建議是多關注穩定及散熱



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推 cola587: 還有一個討論點就是音量，有些電競本為
→ cola587: 了厚度搞下沉式轉軸，那個音量不戴耳機
→ cola587: 簡直沒法活了，12代又特別詭異，效能模
→ cola587: 式跟均衡模式常常有反過來的感受。
主要還是目前軟體面認不得大小核吧 不像ARM是工程師都很熟了

推 jenq0011: 12代電源管理那個算M$的鍋
推 soso0304667: 先推再看
→ jenq0011: 大小核調度跟電源控制沒有匹配
→ jenq0011: 所以常有平衡模式跑的比效能模式好
推 IamCuteGirl: 謝謝
推 Soros1989: 專業文 收藏一下
推 novicc: 精華文章，謝謝分享
→ james784858: 熱阻不會出現在特定溫度，通常在調整
→ james784858: HP跟VC結構水量時會根據客戶提供的W
→ james784858: 數，用TTV或者陶瓷加熱片給固定功耗
→ james784858: ，所以熱阻最低通常都是客戶給的那個
→ james784858: 瓦數及風量，不過這也會跟客戶給的風
→ james784858: 扇有關，模組廠通常都是用風扇全速的
→ james784858: 壓差曲線來設計鰭片間距，但常常前面
→ james784858: 風扇要動不動的，突然一個大功耗打進
→ james784858: 來，HP瞬間Dry out
應該是說熱阻不是定值就是了 一方面也需要達到工作溫度
風扇比較困難應該還是在測量驗證 這個不得不說台灣真的很厲害(夠肝Orz)
HP的製程也是看了介紹 覺得也很不簡單 看有沒有新構型或製程吧

推 driftingjong: 感謝寫文，不知道會不會有測試?
→ driftingjong: 但具體拿來測可能又要被ooxx了ORZ
我覺得我應該已經拿自己的機器測試過了XD 主要還是強調是多因素組成
不是單一調壓 換散熱膏 拉轉風扇就一定怎麼樣 中間傳遞過程才是關鍵

推 jangjyyu: 專業文推，筆電真不能隨便自己升級cpu，
→ jangjyyu: 不然可能偷雞不著蝕把米了！
其實還好欸 看機器 我之前R30升上去4712MQ 也是推到57W吧 長時間45W
不過那時候只有散熱器拋光&散熱膏換MX4而已
※ 編輯: leo840908 (180.217.10.35 臺灣), 06/26/2022 18:42:25