终极探究笔记本是如何散热的?

Lancelot

作者：notebook  

  
　　随着移动处理器的性能越来越强，笔记本所发出热潮更加逼近我们。在台式机中，散热一般也只是电脑用户关注的对象，因为在台式机中，散热并不存在什么技术上的瓶颈。而笔记本就不同了，在性能与便携性对抗中，散热成为最关键的因素，笔记本散热，其实一直就是笔记本核心技术中的瓶颈。

热量从哪里来？

　　曾经引起争论的台式机处理器不仅能够在笔记本电脑中使用，而且是一个非常优秀的性价比解决方案。但由于台式机处理器的耗电、发热量较大，所以使用在笔记本电脑中就可能因散热不良而引起故障，这也是Mobile版处理器存在的理由，。而早期“M”版本处理器采取以性能换温度的做法虽然在一定程度上解决了散热问题，但相对低下的性能实在令人头疼。毕竟在方便性满足后，人们对笔记本电脑的性能又提出了新的要求。

　　现在许多型号的笔记本电脑处理器都消耗多于20W的电力，如最新的Mobile P4-M，虽然采用最新的一些技术，使得整体平均能耗可以下降到2W，但是其峰值功率依然在30W左右。这些消耗掉能量最后都将作为热量散发出来。不要认为处理器是笔记本电脑中发热量最大的部分，事实上处理器所散发的热量仅占内部整体发热量的7%左右。之所以强调处理器的散热方式是因为它是一个集中散热的产品，如果散热处理不当则有可能导致整机报废（处理器烧毁），所以我们将笔记本电脑的散热性能好坏集中在处理器上。

　　早期处理器能耗较低（Pentium时代），不需特殊处理散热部分，只要简单采用被动散热即可满足处理器的散热需要——即采用散热片足矣。在进入PentiumⅡ时代后，这种方式显然不能有效降低处理器核心温度，于是主动散热方式开始使用在笔记本电脑中。早期的主动散热依然局限在风扇+散热片的组合，该组合热效率低且体积、功耗都偏大，所以在进入高性能的Pentium Ⅲ处理器时代后各种新的散热设计进驻笔记本电脑内部，而到了P4-M，设计功率达到30W，散热，更是迫在眉睫。


早期散热结构(风扇+散热片)

　　长久以来，散热问题一直是笔记本电脑最大的技术瓶颈，因为它关系到笔记本电脑的稳定度，许多不明原因的死机都是因为散热问题无法解决。今年3月4日，英特尔公司的移动P4处理器一推出，几乎所有的笔记本电脑厂商都纷纷推出了采用P4处理器的机型。但是在享有更强运算能力的同时，高耗电量和散热量两个不容忽视的问题也紧随而来，成为让笔记本电脑制造商最头疼的事情。移动P4芯片无疑成为考验各大品牌笔记本电脑散热系统的试金石。

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散热的基本知识：

　　散热，我们在台式电脑中已经接触很多了，无外乎就是一个热量传递过程，也就热传导、对流、辐射等几种方式，通常在电脑中应用到的就是风冷技术，而在笔记本中，风冷依旧的主要的散热方式，不过由于它的空间和耗电量的局限性，热管散热技术被普遍应用到笔记本电脑中。因此，在笔记本中，绝大数的散热方式：风扇＋热管＋散热板的组合。

风扇:

　　风扇是起着强制对流的作用，属主动散热方式。风扇容量是在零压力的时候( 无气流阻力时)被确定的. 实际上每个风扇都有它独特的风压/风量曲线(下右图的红线所示)。



　　‘M0’ 指零风阻时的风流量，‘P0’ 指风阻为无限大的时候的静态压力。更大的风扇直径或者更高的转速用以提高风扇的容量。容量由其直径,扇叶的斜度还有转速RPM所决定，风扇的噪音则受RPM和扇叶的斜度影响。一个确定了容量的风扇可以通过提高提高直径来降低RPM和扇叶斜度,增大直径同时也降低也噪音。

　　目前风扇的基本上可以分为两种类型：轴向型风扇Axial (fan) 和辐射型风扇(离心鼓风机)(Centrifugal - blower)：


轴向型风扇

　　轴向型风扇，技术成熟，成本较低，可以通过调节RPM来调节风量，气流有涡流，机壳的阴影效应，占用体积大，存在气流的耗尽层。



辐射型(离心鼓风机)

　　辐射型(离心鼓风机)风扇具有薄的叶片，没有涡流，气流方向性好，气流密度较高，点用体积小，技术较新，成本相对高，声学噪音受叶片的几何形状影响较严重。

　　在笔记本中，由于空间不够，加上噪音的影响，辐射型风扇被普遍采用。而且也不能象台式机中那样对着CPU吹，这样会将排出的热吹到其他元件上，如硬盘或电池。而且空间太小，也不难形成对流，没有别的选择只有将风扇移至于主机旁边，如此便可排出热风并吸入冷风来散热。

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热管散热：

　　热管散热是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术，1963年由美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明了，并由IBM最初引入笔记本中。



　　典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽到的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据需要可以在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。

　　散热的动力示意如下图：



　　热管适用的场合：

1、在热源附近缺乏散热空间
2、需要从多个热源处进行有效的散热
3、在密闭的空间内进行散热
4、短时间大量散热
5、具有活动的部件
6、要求体积小并且质量轻的设备

　　热管散热技术在笔记本电脑中被广泛应用，以IBM ThinkPad最为常见。最近也开始走入台式机中。


笔记本中的热管，热端置于CPU上方的散热片上

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散热板：

　　和台式机不同的是，笔记本中的散热片不可能做的那么厚，为了保证散热面积，一般是做的薄而大，因此称之为散热板，将散热片作得如此大，就是希望能将笔记本电脑中处理器的集中于一点的热量传递到整片散热片上。主机板的底部和上部，各有一块金属散热板，在CPU的位置，有协助散热的系统，接收来自处理器产生的热，并将它导入热管，这些高热经由热管，沿着整块金属散热板加以传导，甚至在LCD背部也有一块散热板，协且散热。

　　位于主机板上部的散热板，和键盘接触，热就会从键盘排出。热管收集由CPU散发的热量并且带到散热板上，同时由一个风扇把冷却空气吹向散热片带走热量。


含散热片与热导管的散热板


作用于显卡芯片上的散热片（这是GF2 GO 图形子卡）

笔记本散热示意图：

　　从前面的介绍，可以看出笔记本散热的基本形式，即CPU上覆盖的散热片收集由CPU散发的热量，并且能过热管带到散热板上，同时由一个风扇把冷却空气吹向散热片带走热量。



　　远端热交换为鳍状架构，提供最大散热面积，用风扇形成系统与RHE (远端热交换，Remote Heat Exchange)间的导流。如果笔记型电脑的外壳用镁合金做成的，也可将它作为散热板使用。

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拆机看看：

　　先看看几台笔记本的内部构造，强化对笔记本散热方式的感性认识。

华硕T9笔记本：

　　CPU散热采用了一块很大的铜质散热片，华硕为它取了个花俏的名字：动态热耗散技术。散热片包括一块位于Pentium III核心上方的镀铜片，另外还有不少薄铜片排列在散热片上，用于把核心上的热量传递到散热片上再进行驱散。


热管＋巨大的散热板


CPU上的铜质散热片，通过热管将CPU的热量传递到铜质鳍片上

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形形色色的辅助散热：

　　看了前面的介绍，大家应该对笔记本的散式有了一定的认识吧。为追求更高性能，笔记本电脑专业生产厂商纷纷提出了自己的解决方案，如在传统的散热片＋液体导管＋风扇的组合散热装置基础上，采用自动控制原理，利用温控风扇或降低CPU处理速度来保持机内的温度；或使用分段散热，将互相联系和集成功能的程度降低到最低限度等方法，来提高系统的可靠性；另外，使用导热性好的镁铝合金外壳技术也不失为解决笔记本电脑散热问题的有效补充。

散热孔：


侧面的散热孔

　　无论是主动散热还是被动散热，都需依靠热传递空气的流通，制造厂商使用的各种形式的主动散热技术中都会在笔记本电脑机身的某个部分留下空气流通孔，这些孔有的在机身侧面，有的在下面，稍微观察就会找到她们。电脑的稳定运作就全靠它们了，最重要的就是不可以堵住散热孔。由于笔记本电脑机身小，方便携带，我们经常抱着它一不注意就会放在柔软的东西上，如自己的双腿，床上，沙发上，从而堵住了散热孔，一段时间过后，使用者会感到烫手，甚至当机。所以在日常使用中稍加注意避免以上情形发生就可以解决此一问题。

　
俺都热的冒烟了，受不了了，俺休息去了


键盘对流散热：

　　键盘对流散热不失为一个很有创意的方法。我们知道，笔记本电脑很薄，当把键盘装到主机板上时，键盘底部就会和主机板接触，于是，正好可以利用键盘底部将CPU产生的热种量传导出去。


每个键需要4个孔

　　在键盘的构造上，每个按键都需要4个孔才能够容纳，热量于是经由按键孔排出，当热空气从按键孔排出时，冷空气就从按键孔流入，以取代热空气。由此可以看出，键盘对流散热不仅充分利用了现有资源和环境，而且颇为有效。也许你还没有想到，连键盘也是一个散热的窗口，你在敲键盘的时候，冷热空气的交换就在你的一敲一敲中完成了……有的笔记本还增加了独到的底部导风槽设计，以增强其在底部的对流散热效果。


拆下键盘看看


键盘底板上密密麻麻的金属孔

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智能温控系统：

　　风扇应该尽量避免启动。当各类装置无法有效散热时，最后再启动风扇，散热风扇有两个档：低风量和高风量，风扇的速度视处理器的温度而定。通常情况下，当系统温度达到70摄氏度时，风扇自动打开。当系统温度继续升高达到90摄氏度时，CPU的工作频率将降到额定频率的1/4；如果系统温度降回到80摄氏度时，CPU的工作频率恢复为额定工作频率；系统温度继续下降到60摄氏度时，风扇自动关闭。这种智能温控系统不仅能够有效的帮助笔记本电脑散热，而且为CPU提供了自我保护的能力，使整个系统会变得更加可靠、寿命也更长。同时还可以节省机器用电、有效降低噪音。


离心式的温控风扇

冷板散热技术

　　除了IBM的热管技术外，比较有特色的还有东芝笔记本电脑的冷、热板散热技术。东芝在主板散热方面处于领先地位，后来又发明了新的方法——冷板方法（ColdPlate），散热效率提高了大约6.5倍，使笔记本电脑散热问题得到缓解。



镁铝合金外壳技术

　　使用导热性好的镁铝合金外壳技术也不失为解决笔记本电脑散热问题的有效补充。镁铝合金外壳的热传导率远优于铝金属和工程塑料，在很大程度上减少散热扇和散热窗的数量，减少体积和重量，降低功耗和成本。现在大部分厂商的中高端产品都采用这种技术。


质轻、刚韧的镁铝合金强化机身的笔记本

金属框架

　　事实上，用金属做外壳对笔记本电脑散热有一定的作用，不过真正的散热主力来自主机内部的金属框架。一些笔记本电脑内部采用了新型的"机体内镁铝合金框架"，这种超轻量、高刚性合金框架的热传导率更高，它运用辐射均温热对流原理，能在系统一般运转及待命状态下自然散热，省去由不必要的风扇运转造成电力损耗及噪音，同时也更进一步地提高了系统的稳定性。由于笔记本电脑的内部构架更接近主机的发热源，因此采用新型的高导热率金属材料做笔记本电脑的构架才是真正“由内而外”的散热。

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工艺更先进的专用CPU

　　“工欲善其事，必先利其器”，使用散热结构更严谨、功耗更小的专用CPU，是保障笔记本电脑散热问题的基础。良好的封装技术可以使芯片与主板良好接触，增大接触面积，使热量能够通过PCB向四周扩散；芯片的功耗低，那么它所产生的热量就少；使用节能技术，在某一部件长时间不工作时关闭其电源，就可以进一步减少热量的产生；合理分布芯片在主板上的位置，可以使热源分散开而不至于过分集中，热量就可以均匀地从各个方向向外散失。



　　0.18mm制造工艺和笔记本电脑专用MMO超小封装模式使得笔记本电脑微处理器实现了体积、发热、功耗更小的目标。现在，采用0.18微米铜工艺技术制造的Intel的Moblie Pentium III ，Moblie Celeron 2， AMD的移动型Athlon 4和Transmeta的Crusoe，以及英特尔新推出0.13微米Pentium Ⅲ Tualatin、全美达推出的0.13微米的Crusoe TM5800 CPU，都能使笔记本电脑更省“劲”。这些节能的移动处理器在带来更高性能的同时，将为有效解决散热问题开辟出一条新的途径。不过有的厂商为了降低成本，也有采用台式CPU的，这会产生更大的热量而使笔记本电脑经常死机，大家在购买时必须问清销售商，以免造成不必要的麻烦。

必不可少的省电技术

　　这是减少笔记本电脑热量产生的必要技术。现时笔记本电脑的省电技术有Intel的SpeedStep变频省电技术，以及新近的Deeper Sleep及QuickStart，AMD 的PowerNow!技术以及Crusoe的LongRun能源管理技术，它们都能在很大程度上使笔记本电脑发出更少热能及噪音。下面以SpeedStep技术为例作说明：

　　SpeedStep技术是一项创新性的技术，它可以让处理器在2种工作模式之间随意地切换，即通电状态时的最高性能模式（Maximum Performance Mode）和电池状态时的电池优化模式（Battery Optimized Mode）。所谓最高性能模式是指当笔记本电脑与交流电源连接时，可提供与台式机近似的性能；而电池优化模式是指当笔记本使用电池时，会让笔记本电脑的性能发挥与其电池使用时间之间达到最佳的平衡。如Intel推出的使用SpeedStep技术的650MHz和600MHz的处理器，当它们以最高性能模式运行时，可以提供650MHz或600MHz的工作频率，而以电池优化模式运行时，处理器的工作频率是500MHz。

　　SpeedStep系统主要由自动电源识别系统和自动电压调整系统组成，其中包括系统BIOS、终端用户接口软件、切换开关控制ASIC和芯片组。当笔记本电脑运行在电池优化模式时，CPU的电压为1.35V，频率为500MHz，这时，将笔记本电脑接到交流电源，在小于1/2000秒的时间里，自动电源识别系统和自动电压调整系统将使CPU的电压自动增加到1.6V，频率按CPU的不同而分别提高到600MHz或650MHz。由此不难看出，SpeedStep技术能让CPU在最高性能模式和电池优化模式之间随意地切换或按用户的命令进行切换。而性能切换时，SpeedStep技术可将处理器的功率降低40%，同时仍保持80%的最高性能。

　　ACPI高级配置和电源管理，使在某一部件或外设在一段时间内闲置时，暂时切断该部件或外设的电源，以减少能耗。加上强化省电状态管理、自动休眠和挂起等措施，实现CPU低速运行、显示屏暂时关闭、硬盘暂时停转和电池智能监控等功能，降低了能耗。也可以减少CPU产生更多的热量。

电池的稳定性


笔记本电池

　　对笔记本电脑散热来说最关键的因素之一是电池的稳定性，虽说供电的稳定性对散热并非有决定性的影响，但也不无裨益。科技的创新使得电池材料不断地升级换代，从镍氢电池发展到锂离子电池再到锂聚合物电池，电池的稳定性在不断地增强，稳定的运转也使得处理器散发的热量减少。目前，笔记本电脑的电池一般分为2种：主电池和副电池（也称为第二电池或者备用电池），象NEC Versa TXI采用超轻型锂电池，标称容重1900mAh,仅为一般笔记本电池容量的一半。必要时可以使用第二块电池（该电池可与光驱互换），将连续作业时间延长3倍。同时，双锂电池的设计从另一个侧面可以使得系统的散热性能得到解决，用户可以在一块电池使用一定时间之后换用第二块备用电池。

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笔记本散热的挑战：

　　而随着P4-M逐步走向主流，配备P4-M CPU的笔记本的轻薄方面遇到了极大困难，我们不能指望厂家使用更大更重的散热片，更强力更大噪音的风扇，如何在有限的空间为P4-M这个小电炉降温肯定让厂家头痛不已，除了祈求Intel进一步开发出更小功耗的CPU外，为了实现有效的散热手段，笔记本电脑厂商也应该开发出自己独有的散热技术，或从工艺、材料、设计上精雕细琢，或独辟蹊径，力求寻找能够有效散热的良好途径。在过去的几十年间，计算机技术从没停滞过，我们完全有理由相信，随着科技的不断创新，笔记本电脑散热技术也必将不断地推陈出新。

　　在美国英特尔主办的开发商论坛“Intel Developer Forum（IDF） Spring 2002”上，日立展出了水冷笔记本电脑的样品。与以前使用散热风扇的空气冷却方式相比，其特点是能消除散热风扇带来的噪音。该公司已经计划在2002年9月左右发表A4尺寸的最高端款式中采用这种水冷方式。



　　这种水冷方式是通过使加入防冻液的水不断地在机器内进行循环，从而散出CPU等部件所产生的热量。通过内置于电脑主机内的厚度为15mm的泵来使让水以每分钟1ml的速度在直径约为3mm的铝管里循环。铝管与CPU散热金属相连，能吸收CPU产生的热量。同时铝管内置于笔记本电脑主机中，还与电脑的散热板相互接触，可将CPU等产生的热量传给这个散热板，从而就可以冷却不断循环的水。



　　与此前的空气冷却方式一样，除键盘下等位置安装有散热板外，在液晶面板后面也安装有散热板。


泵内置于笔记本的键盘下面

　　整体散热效果与以前的空气冷却方式完全一样，同时具有“可将空气冷却方式的风扇所产生的噪音降低到10dB左右”。为了解决水分的蒸发问题，在液晶显示器的后面和键盘下面配置有蓄水槽(A4笔记本电脑约为50ml)。

　　或许从日立展示的水冷散热方式的笔记本电脑，就已经告诉我们笔记本散热技术已经开始了新的征程