科普|一“热”毁所有 解密笔记本的散热系统

2020-01-17 19:16:32 11点赞 17收藏 1评论

对于一款笔记本来说,散热系统是非常重要的一环,它直接影响了笔记本CPU/GPU的性能能发挥多少,以及是否能持久发挥,那么笔记本的散热系统是如何工作的,厂商又会通过哪些手段来加强散热,什么样的散热系统才是好的散热系统?

我们知道笔记本的CPU(处理器)和GPU(显卡)几乎决定了一款产品的性能和定位,虽然它们只是一块小小的芯片,但它们在运行过程中也会产生非常非常多的热量,而且在追求轻薄的趋势下,笔记本的内部空间被压缩的越来越小,散热就变的尤为重要,如果没有散热系统,它们就会“砰”!


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开个玩笑,它们并不会炸,最多就是烧毁,而且烧毁的情况也很少,不管是CPU或GPU,都会有一个过热保护的机制,如果温度过高,它就会停止工作,就会出现蓝屏、死机、重启的情况。而为了避免出现这些情况,笔记本厂商会根据一款产品散热能力的好坏为其设置相应的 “温度墙”或“功耗墙”,也就是说会不同程度的限制CPU或GPU性能,来避免温度过热,这就为什么一些同配置的笔记本,也会出现性能差距的原因。


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另外散热的好坏也会影响使用的舒适度,也就是使用中C面(键盘)和D面(底壳)会不会很烫,总之对于一款笔记本来说,散热系统是非常重要的一环,越高性能的产品对散热的要求就越高。那么笔记本的散热系统包含哪些东西,它是如何工作的,厂商又会通过哪些手段来加强散热,或者说什么样的散热系统才是好的散热系统?这些就是我们今天要解密的事情。


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先来看散热系统的组成部分,从笔记本内部来看它一般包含均热板、热管、散热鳍片和风扇,从外部来开呢,它还包含笔记本的进风口和出风口。这些都是“硬散热”,其实散热系统还应包含“软散热”,也就是刚才我们提到“温度墙”或“功耗墙”,具体来说就是CPU、GPU性能释放和热量之间的调校机制,是激进、均衡的、还是保守的,这些我都会一一分解来说,首先还是从硬散热说起。


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在整个散热系统中和“热源“接触最亲密的就是导热片,它一般是一个打磨的非常光滑的铜质金属片,它的任务就是迅速将芯片(CPU/GPU)产生的热量导出,实际上在导热片和芯片直接和有一层介质就是硅脂,它作用在于填充导热片和芯片之间缝隙,将两者的接触面积最大化。


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硅脂也有好坏之分,主要就是导热系数的高低,一般笔记本出厂时都不会用太好的硅脂,所以一些玩家会自己动手更换硅脂来提升散热效果,当然也有部分比较良心的厂商出厂用的是比较好的硅脂。不过硅脂只是散热系统中的一环,而且是比重比较低的一环,你不能指望换一款硅脂就让散热有比较大的改观。


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在导热铜片周围一般还会有一些的金属均热板,因为除了CPU、GPU外,主板上的其它器件,包括显存、芯片组、电感等等也会产生热量,好的散热系统会采用尽量大面积的均热版甚至覆盖整个PCB主板区。


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在这些元器件和金属板的接触面一般还会贴有导热硅胶垫片,包括固态硬盘,一些产品也会为其贴这种导热垫片,一些高端些的产品还会为固态硬盘套上金属导热马甲。所以提醒一些新手朋友在清灰清理散热系统的时候,不要随意的把这些导热垫片揭掉,如果不小心弄掉了,最好再买一些贴上。


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热量由导热板导出,下步就来到了热管部分,热管一般采用纯铜材质,由于笔记本内部空间有限,热管一般都呈扁平状,为了美观和抗氧化,多数产品会为热管包括整个散热模块进行涂装,黑色居多,少部分产品会用一些个性化颜色,如宏碁掠夺者系列就会用蓝色。


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热管是一段中空的金属管,内部填充有冷凝液,它的基本工作原理就是在热管的高温端(芯片端)和低温度端(散热鳍片端),形成冷凝液蒸汽⇌冷凝的流动循环,周而复始的形成热量的传递,具体的大家可以看这张原理示意图,我就不再罗嗦了。


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那在热管部分如何加强散热就显然易见了,最简单的就是增加热管的数量或者增大单根热管的横截面积,也就更宽的热管。比如轻薄本多数采用了2根甚至是一根热管,而游戏本一般会采用3根及以上的热管,5根6根甚至更多也是有的。


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除了数量,热管的布局也会对散热效率造成有影响,一般来说应尽量减少热管的长度和弯曲程度,也就是CPU和GPU应尽量靠近散热鳍片和风扇,减少热量传导的距离,而曲里拐弯的热管肯定会阻碍热量的传导效率,这个很好理解,还有就是热管尽量避免靠近内存、固态硬盘等其它热源。


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除此之外呢,有些人会争论热管是同时贯穿CPU和GPU,还是CPU、GPU使用独立的热管?其实各有优劣,没有绝对的谁好谁坏,独立热管可以降低待机热量,贯穿型热管可以在CPU、GPU高负载时提升导热效率。目前的轻薄本多数彩用的都是热管贯穿CPU和GPU的方式,而游戏本往往采用的是主热管贯穿CPU和GPU的同时,再为CPU、GPU配置独立的热管,来到达均衡导热的目的。


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另外少部分产品采用了比热管效率更高的方案,比如联想Y9000X采用的真空腔均热板的方案,当然这种方案的成本要比热管高很多。另外intel近期还提出均热板+石墨片散热方案,不过短期你还看不到,总之热管还是目前绝对多数笔记本会采用的导热器件。


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热量经由热管来到的下一站就是散热鳍片,它通过密集的鳍片和空气接触,用对流的形式将热量散发掉。作为一种被动散热原件,散热鳍片的面积肯定也是越大越好,但是随着笔记本向着轻薄化发展,散热鳍片的“个头”被压缩的越来越小


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所以目前提升散热鳍片导热效率的方法往往就是增加它和数量和叶片密度,当然即使这样单靠散热鳍片被动散热也远达不到笔记本的散热需求,所以需要风扇的帮助。另外关于散热鳍片的材质,一般是铜或铝,至于哪种更好,也是很多人会去争论的一点,因为铜的导热好,而铝的热容好,通俗来说就是铜比铝吸热快,而铝比铜散热快。


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台式机散热器多为铝鳍片,因为它的鳍片面积比较大,机箱空间也比较大,和空气接触分,铝的自然散热能力强,当然铝也比铜成本也更低。而笔记本上就像刚才我们提到的,鳍片的面积很小,而且和热管连接部分几乎被热管完全覆盖,和空气的接触面小,堆积在鳍片上的热量几乎全靠风扇往外吹,所以能够快速传导热管热量的铜更适合笔记本。不过呢,由于成本的原因,一些低端的笔记本还是会使用铝鳍片。


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再来看风扇,台式散热器的风扇为轴流结构,其实就是小个电风扇,而笔记本的散热器为涡轮结构,更像鼓风机。运作方式上,台式机散热风扇更像“散射”,而笔记本散热器更像“点射”,某种意义上来说笔记本的风扇要“暴力”,因为就像前面提到的,堆积在散热鳍片上的热量很大程度上都要靠风扇吹出去。


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那么风扇的风量就尤为重要了,提高风量最简单粗暴的有三种方方法,1,增加风扇和叶片尺寸,但是笔记本空间有限,大也大不哪去,当然游戏本的风扇尺寸一般比轻薄本更大一些。2,增加风扇数量,轻薄本一般一到两个,而游戏本至少两个。3,增加风扇转速,轻薄本多采用5V电压的风扇,部分游戏本则会采用12V电压高转速的风扇,但高转速带来大风量的同时也会代更大的噪音。


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而更“高级”的方法则是对风扇进行更精细的改造,比如增加叶片数量、使用金属叶片、采用仿生设计等。增加叶片数量可以增加风量,但它也有临界点,叶片和叶片之间必须还要有足够的空间供空气流动,这就需要厂商去测试平衡。采用金属叶片也是一种方法,同等条件下金属叶片要比普通塑料叶片的风量更大,但制造工艺难度和成本都比较高,而且易变形,所以在为采用金属风的产品清灰要更加留意不要暴力操作。


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另外一种方法就是采用“仿生设计”,比如宏碁掠夺者游戏本主打的“刀锋速冷风扇”,它除了采用了金属叶片外,还根据猫头鹰翅膀的原理将叶片设计成了异型锯齿状,带来更大风量的同时噪音也得到了一定控制。


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有风扇必然有噪音,这是无法避免的,一些新手朋友在买了一款笔记本后,有时会抱怨::哎呀,噪音怎么这么大呀,太垃圾了,上当了!其实都有噪音,除非像一些二合一平板采用的无风扇被动散热设计,当然这些产品的性能都相对较弱,无法和真正的笔记本相比。目前主流配置的轻薄本人位噪音40分贝以上是很正常的,而游戏本50分贝以上也是正常水平。当然这都是高负载运行时的噪音,绝大多少笔记本都会根据CPU/GPU的负载和温度自动动态调整的风扇转速。


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在待机和运行一些低负载的应用时,如浏览网页,网WORD打打字,风扇转速时非常低的,甚至是停转的,只有在玩游戏、运行一些专业软件等高负载应用时风扇才会高速运转。部分产品还会设置有用户可控的风扇转速,比如一些游戏本会设置有“一键速冷”或“一键加速”按键,这些按键也被玩家调侃为“一键起飞”。


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因为按下按键后风扇转速会最大化,噪音也是最大化,有点飞机要起飞的感觉,同时这些按键往往也和笔记本的性能释放相绑定,风扇最大化同时性能也最大化,这点我们后面再具体聊。既然风扇要把热量吹出去,那出风口的设计也是很重要的,主要提现的出风口的位置和数量。


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轻薄本更加注重纤薄便携,为了压缩机身减少厚度,往往采用下沉式转轴设计,而出风口一般位于后边框,在打开屏幕后,B面底部会遮挡部分风口,影响散热效率,好在轻薄本采用的CPU/GPU都是相对低功耗的产品,这种设计对散热的影响并不明显。


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而游戏本就不同了,它产生的热量要比轻薄本大很多,为了避免遮挡出风口,游戏本多采用立式转轴设计,另外除了后部出风口外,一些游戏本还会在左右边框开出另外的出风口,这样就是可以增加散热鳍片的数量,也可以更高效的将热量吹出。


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有出风就要有进风,前面我们提到笔记本的风扇是涡轮结构,要“吸风”才能“出风”,笔记本内部也要和外部形成冷热空气的循环,也就是所谓的“风道”。大多数笔记本都会在笔记本D面开出网格或栅格来提升进风量,所以如果底部脚垫高度不够,就会影响进风效率,这也是江湖流传已久的“瓶盖大法”的由来,通过垫高底部来提升进风量,一些轻薄本采用的翘臀设计也是同样的原理


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细心的朋友应该也能发现,很多笔记本后部的脚垫会采用长条形的,它其实还起到了阻隔后部吹出的热风回弹到进风口的作用。如果仔细观察进风网格(栅格),我们还能发现很多笔记本会在内部附有一层防尘网,而部分产品为了获得更大的进风量而取消了防尘罩网,弊端就是更容易进灰。除了底部进风外,一些相对高端些的游戏本还会在C面配置进风孔,从而增加进风量,也能形成更加有效的立体风道。


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到这我们基本对笔记本的散热系统中的硬件有了比较详细的了解了,包括它的构成,工作原理,改善散热的方法以及利弊等等,总之散热系统的首要任务就是要保证CPU/GPU长时间高效的工作,与此同时能还要保证用户使用时的体感温度。关于改善体感温度,除了需要高效的散热系统外,还可以通过改变笔记本的设计布局来实现。


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比如通过改变主板CPU/GPU位置将高温区域尽量往上推,将其推离我们最常用的键盘区域。很多游戏本还会采用带“屁股”的设计,它其实也是为了让热量堆积比较多的鳍片区尽量远离用户常接触的区域。而一些采用了发烧级硬件,或追求极致轻薄的游戏本,在保证性能释放前提下,很难兼顾表面温度,于是有了下沉式键盘的设计,也就是将键盘下移至C面下部,将C面上部高温区域空出来,这样即使上部再热,也不会影响使用的体感。


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既然提到了体感温度和性能释放,我们就来聊一聊前面提到的性能调校的问题,其实CPU/GPU 还是比较“耐高温”的,它的过热保护机制要到100℃左右,我们在做测评时也经常看到一些笔记本在烤机测试时核心温度到了90℃上下依然是比较稳定的。而笔记本厂商在往往会根据产品性能、散热和产品定位设置不同性能调校模式(温度墙或功耗墙),


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保守的做法是,“未战先怂”,设置较低的温度墙,一旦超过这个温度,立马对CPU/GPU降频,牺牲性能来保证凉爽的温度,这类产品使用体感和核心温度都不错,但性能释放不足。这类产品有时还会出现一个现象就是跑分有时很高,但长时间高负载时比如游戏会出现卡顿,掉帧。这是因为单次跑分时核心温度可能还不足以触发温度墙,但长时间高负载时会触发了温度墙,性能释放会出现曲线波动。


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激进的做法是,“宁热不降频”,优先保证性能释放,核心温度高让它高,只要不蓝屏死机就行,反正也不会烧毁硬件,表面温度热就让他热,只要不烫到不能用就行。这类产品,其实性能释放是比较不错的,但会给人留下散热不好的印象。


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当然最好的就是均衡的做法,“性能和热量兼顾”,在优秀的散热系统的帮助下,为温度和性能释放找到一个绝佳的平衡点,这类产品的性能释放可能不是最好的,但已经是比较不错了,而且核心温度和表面温度也都能控制在一个比较好的水平。


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在这三种做法的基础上又衍生出来一些“高级”操作,比如为笔记本设置“一键超频”,“一键加速”,“一键turbo”等按键,用户在有需要可以按下这些按键进一步释放笔记本的性能,但同时也会带来更高温度和更的大风扇噪音。还有更“高级”一些的做法是设置多档性能模式,比如部分产品设置会“静音”,“均衡”和“狂暴”三档模式,用户可以根据不同的应用场景选择不同的性能模式。

关于笔记本散热系统的问题,我们就聊这么多了,应该相对比较全面了,如果有遗漏的我们以后再补充,总之呢,在笔记本内部狭小的空间内,热量控制要比较台式机困难的多,这也是笔记本向更轻薄道路上发展的主要障碍,它直接影响了笔记本CPU/GPU的性能能发挥多少,以及是否能持久发挥。比如同当配置下,玩某款游戏,散热过关的笔记本能跑60帧,而散热差的笔记本只能跑50帧,或者瞬间能到60帧,但只是“三秒真男人”,帧数会出现比较大的上下波动,或者出现瞬间的卡顿。所以在选购笔记本时只看配置是不科学的,判定一款产品好坏有很多因素,散热就是其中非常重要的一环。


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