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1、CPU散热器冷却技术的研究动态 摘要: 随着计算机工业的迅猛发展, CU P 的运行速度越来越快, 发热量也越来越高, CPU 散热器发展迅速。为对 CPU 散热器具有更多的认识, 本文阐述了 CPU 的发展历程以及 CPU 散热器的发展背景, 叙述了 CPU 散热器的散热方式、现状和未来发展趋势。一CPU散热器的应用背景及研究意义 伴随着 CPU 性能的不断提高, 其发热量较以前有了大幅度的提高。那么, CPU 的冷却问题就越来越突出, 据有关资料显示, 对于包括 CPU 在内的电子设备, 现在的失效问题的 50% 都是由于过热引起的 2 。早期的 CPU 芯片功率不足 10W, 不需要用散
2、热器, 上个世纪 90年代中期以后, 随着CPU 主频和集成度大幅度提高, CPU 的功率和发热量明显提高, 到 2004年 Inte l公司推出的 P entium 4 主频为 3. 6GH z的 CPU 功率更是达到 115W。如此大的功率严重威胁到CPU 的工作和发展, 而 CPU 必须借助散热器才能工作, 虽然In tel在 2006下半年推出酷睿双核心将功耗降低近一半, 每个核心的功耗只有 30W 至 35W, 与上一代英特尔台式机处理器产品相比, 英特尔酷睿 2台式机处理器在提供 1. 4倍的CPU 计算性能同时, 能耗降低了 40% , 但是对于现在一些四核的 CPU 来说, 功
3、率仍然很高。为适应 CPU 发展过程中功耗的不断变化, CPU 散热器也有了长足的发展。从近期 CPU 的发展来看, Prescott核心 CPU 的频率还会不断提升, 其发热量更让人担心, 目前全铜、高密度鳍片以及采用热管技术发展趋势虽然还能够 应付 一时, 但显然还不能适应更高的发热量, 如果这种态势继续下去, 未来散热器的发展趋势是什么? 市场追求的是高性价比, 产品主要还是以风冷散热器为主, 水冷散热器随着价格的不断下调, 将占有越来越大的市场份额, 随着热管散热器的工艺成熟和成本控制, 它将是未来发展的热门。另外, 新材料的研发可能导致散热器的变革: 用具有极大散热面积的泡沫金属做肋
4、片将大大增强散热效果, 相信不久的将来在市场上可以看到; 随着导热率高而且密度小材料的出现, 如人造金刚石、石墨、碳纳米管复合材料等用其作散热片, CPU 散热器将极大的增强散热效果。可以肯定的说, 制作质量轻、体积小、噪音小、散热效果好的 CPU 散热器将是业界继续追求的焦点。过去的三十年见证了现代电子工业的个人电脑及其服务器的日新月异。同时，由于增加的热流体的散热问题严重阻碍了超级高性能的CPU的发展。目前，传统的冷却技术，如风冷，水冷和热管依然在散热领域扮演着主要的角色。这主要归因于这些技术，结构简单，冷却效率高以及低成本。除此之外，一系列的新的和更高级的冷却技术正在涌现，比如说，微通道
5、，离子风，压电式翅片，磁性极化纳米流体，以及微包裹体相变流体等。这些令人欣喜的策略具有独一无二的优势以及一些甚至能够处理极端高热流体的条件。然而，对于大部分散热的方式来说，一些技术问题，比如复杂的制造工艺，高成本，以及可靠性问题，离大规模的商业使用依然有很大的提升空间。在许多的新创意中，液态金属冷却技术迅速成为了近年来最吸引人的散热技术。它最典型的优势在于，液态金属的高的热物性以及它独一无二的电磁驱动特性。目前，基于金属镓的合金被认为是最好的可用于该技术最好的材料。该合金的有低的熔点（10），高的导热率，无毒，高的沸点，因此有了优秀的冷却能力和高的可靠性。二CPU散热冷却方法分类及存在问题 散
6、热分为被动与主动两种, 被动散热是通过散热片将CPU 产生的热量自然散发到空气中, 其散热的效果与散热片的面积成正比, 这种散热方式简单且安全可靠, 但散热效果不理想, 难于适用当前 CPU 散热的需要; 主动式散热是利 用风扇或泵体等设备将散热片上的热量以强制对流的方式 带走, 这种散热方式散热效率高, 是目前 CPU 散热的主要方式。 现今我们所了解的散热方式有如下几种：风冷、水冷 （液冷）、半导体制冷、相变制冷（相变系统制冷、干冰+乙醇制冷(固态二氧化碳)和液态氮气制冷(LN2)）。2. 1风冷散热目前, CPU 散热器市场份额占有率最大的是风冷散热 器, 其散热原理即通过与发热物体紧密
7、接触的金属散热片, 将发热物体产生的热量传导至具有更大热容量与散热面积 的散热肋片上, 再利用风扇的导流作用令冷空气快速通过 散热肋片表面, 加快散热肋片与空气之间的热交换, 即强制 对流散热。风冷属于主动散热方式, 而与之相对的就是被 动散热, 最直观的区别就是散热器上是否存在风扇。与其 他散热形式相比, 风冷散热器有着自己不可替代的重要性, 而且拆装非常方便, 但对环境依赖比较高, 例如气温升高以 及超频时其散热性能就会大受影响。 风冷是最常见的散热方法，就是用一块导热性能比较好的散热片（一般是铝或铜）通过特殊的介质（通常是导热硅脂）紧贴住发热量很大的芯片，然后再在散热片上固定一个风扇，不
8、停地产生强劲的风力，把散热片上的热量带走，从而达到对芯片散热的目的。 Dell计算机专用的散热风斗。 风冷存在问题：不用多说，以成熟的型材切割及抛光技术、低廉的价格现在正被大家广泛的应用到PC内部的各个角落。但由于风扇的转速、风量、散热片材料等诸多原因，目前风冷散热设备的散热效果与噪音的平衡点问题一直是众超频玩家口中的诟病。冷却效率低 ,最多只能排出 CPU 废热的 60 %,因此仅依靠传导和对流的风冷法散热器已经接近了其导热极限; 随着风扇的功率和转速的增大,产生的噪声也随之增大; 由于风扇是运动部件 ,比较容易损坏.2. 2 液冷散热 水冷散热也是使用散热片对芯片散热，与风冷不同的是，它是
9、将水管固定在散热片上，当芯片发出的热量传到散热片上后，通过水管中反复循环的水流将热量带走。其散热效果较风冷散热有明显优势液冷散热器市场占有率也在不断提高, 除了在散热效能上较风冷散热器强一些外, 还有一个比较突出的优点, 那 就是静音, 液冷在散热过程中表现稳定, 影响它广泛使用的 主要原因是价格比风冷散热器要高出许多, 除此之外, 液冷 散热器普通存在一个缺点, 就是容易漏液。从理论上讲, 不 管是风冷还是液冷, 热量散发的最后途径都是发散到空气 当中, 只是其中的导热介质有部分不同。因此液冷与风冷 散热器并无本质区别, 都无法将被散热对象的温度降低到 低于环境温度的程度。液冷存在问题：由于
10、不停地将散热片上的热量带走，水温会逐渐升高，散热的效果会越来越差；其次就是漏水问题，一旦漏水，后果将不堪设想。 虽然水冷散热具有功率消耗较小、工作噪声很小、可以利用多种方式完成散热过程的优势，但是其安装过程对大多数用户而言过于复杂，这是影响它普及的一个主要因素在使用水冷方式散热时，一定要注意水气凝结现象。水气凝结现象是由于空气中的水分遇冷后聚集起来，最后变成水珠。在常温下的水冷系统中，是不会出现水气凝结现象的，但如果使用冰水或搭配致冷器使用，水气凝结就可能发生，这将造成死机或硬件损坏，所以是不能忽视的。但只要我们做好相应的措施，水气凝结就可以避免发生。它需要较复杂的水冷却系统,并且使用不便,安
11、装麻烦,而且还有漏水和结露的隐患.2.3 热管散热热管制冷运用了热力学的一条基本原理：当有温差存在时，热量必然会从高温物体传到低温物体，或从物体的高温部分传至低温部分。热管是将一真空金属管置于散热片中，内置一吸热芯及沸点很低的液体。工作时，由于温度升高，一端的液体吸热汽化，飞速到达管子的另一端，而后因这一端温度较低，从而放热液化，并流回去。这样通过液体在两态之间的变化及在管子两端之间的流动，有效地散去了从芯片吸收的热量，达到了较好的散热效果。热管散热存在问题: 如大幅增加散 热器表面积, 增加了散热器的体积; 采用导热率更高的铜鳍 片代替铝鳍片, 增加了散热器的质量。这些都制约了风冷 散热器的
12、发展为了能进一步降低散热器的热阻值提高热传导率, 将 工业中广泛使用的热管应用于台式机 CPU 散热器上。热管 是一种高效率利用相变传热的热传导器, 其热阻可以达到 每瓦千分之一摄氏度, 传热量可以超过 50千瓦 3 。 1984 年在第五届国际热管会议上, T. P. Co t te r等人提出微型热 管和小型热管 ( MHP )的理论及展望, 从而引起了热管在电 子元器件散热方面的广泛应用。热管只是导热装置, 其本 身并不具备散热的作用, 它只能用很快的速度将热量从一 端传至另一端, 而最终的散热还必须依靠金属材质的底座 与鳍片。在底座与鳍片的材质也就只有这两种。这取决于铝与铜特性以及其他
13、一些因素, 如热传导系数, 加工延展 性, 甚至资源的取用便利情况等。热管的应用只能算是传 统风冷散热的一种改进或加强。2. 4半导体制冷半导体制冷片的工作原理是 P e ltier 效应: 当一块 N 型 半导体材料和一块 P 型半导体材料联结成电偶对时, 在这 个电路中接通直流电流后, 就能产生能量的转移, 电流由 N 型元件流向 P型元件的接头吸收热量, 成为冷端, 由 P 型元 件流向 N 型元件的接头释放热量, 成为热端。吸热和放热 的大小是通过电流的大小以及半导体材料 N、P 的元件对数 来决定。该方法很早就已经出现, 但始终没有得到推广, 近 年来在极其缓慢的增加。虽然半导体制冷
14、的效能非常强 劲, 工作时冷端最低温度可以达到零下, 但由于同时在热端 会产生巨大的热量, 极易损坏, 而且耗电量惊人。有厂商曾 小批量的推出过采用半导体散热器的显卡, 但由于返修率 高的问题都没有大量出货。半导体制冷存在问题：制冷效率低; 工艺不成熟、价格高; 容易因冷面温度过低而出现的 CPU 结露 ,从而导致短路的现象.因此 ,随着芯片尺寸的不断减小、CPU 频率的升高和散热量的迅速增加 ,需要新型的 CPU 散热器来替代原有的散热技术. 以下主要介绍 3 种新型CPU 散热技术:热管散热技术、微通道散热技术和制冷芯片技术.三风冷却水冷却半导体冷却制法(1) 空气冷却也称自然冷却，一般是将电子元器件的发热核心部位与型材散热器相接触，通过空气的自然对流方式将热传导出来。其优点是结构简单、安装方便、成本低廉。缺点是散热功率低。(2)风冷散热这是目前最普遍的散热方式，一般是将电力电子元器件的发热核心部位与散热器相接触将热传导出来，然后再通过风扇转动，来加强空气的流动，通过强制对
