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摘 要：
随着计算机 CPU芯片朝高集成化、小型化和高频化趋势发展, 为 CPU 提供高效的散热方案成为全球关注的研究热点。阐述了高温对 CPU 性能影响的机理, 综述了常用的 CPU 散热技术如风冷、水冷散热、热电制冷及热管散热和微槽道散热技术的原理, 研究进展及优缺点, 并对这一领域的发展前景进行了展望。
关键词:CPU 芯片; 散热; 风冷; 水冷; 热电制冷; 热管; 微槽道
1 前言
随着电子计算机制造技术和工艺水平的不断提高, 计算机微处理器CPU 朝高集成化、小型化和高频化趋势发展, 导致CPU散热量的增加。1971年Intel公司推出世界上第一台微处理器4004, 其集成度为2300个晶体管, 到2004年 Inte l公司推出下一代 64 位处理器M adison 9M和Deerfield, 其集成度超过5亿支，CPU的特征尺寸在1990年~2000年 内由0.35m减少到0.18m, 散热量由10W增加到50W。到了2005年, Inte l公司生产的台式机CPU采用0.09m的封装技术, 其最大发热量达 115W。2000年美国半导体工业协会预计, 到 2011年采用 0. 04 m 工艺, 高性能微处理器将在8.17cm2的面积内集成7.053109个晶体管, 片内时钟达10GHZ, 工作电压仅0.6V, 芯片功耗高达177W。因此, 需要采用高效散热技术来解决CPU的散热问题, 散热设计的优劣直接关系到 CPU芯片的性能与可靠性。Inte l在其技术论坛中指出, 由于线宽进入纳米尺度时其漏电流与散热问题迟迟无法获得一个妥善的解决方案, 因此暂时放弃开发更高主频率的CPU, 转向发展双核心甚至多核心CPU。由此可见CPU的散热受到严重的挑战。
要解决 CPU 的散热问题, 可从两方面入手:
(1）运用省电技术减少计算机特别是笔记本电脑热量的产生, 如Intel的 Speedstep变频省电技术, AM D的Pow erNow技术及Crusae的 LongRun能源管理技术, 它们都能使电脑发出更少热量及噪音, 这些节能的处理器即具有更高的性能,也为有效解决CPU散热问题提供一条新的途径;
(2）改善散热系统, 使电脑具有更好的散热效果。
本文首先讨论温度对CPU性能影响的机理,然后综述了常用的几种CPU 散热技术的原理及研究进展情况, 并对其优缺点进行讨论。
2 高温对 CPU 损伤的原理
根据电子学理论, 热量不直接损伤CPU ( CPU因过热炸裂除外 ), 而是过热引起的电子迁移现象在损坏CPU内部的芯片。电子迁移是指电子做定向流动时, 会撞击金属原子, 导致金属原子的移动。在CPU内部电流强度很高的金属导线上, 电子的流动提供金属原子的动量, 一旦与金属原子碰撞, 金属原子就会脱离其表面四处流动, 导致金属表面上形成坑洞或土丘, 造成不可逆转的永久性损伤。电子迁移 现象不会立刻损坏芯片, 对芯片的伤害是一个缓慢的过程, 如果CPU持续在高温下工作, 最后会造成核心内部电路短路或断路, 最后彻底损坏CPU。且温度越高, 彻底破坏CPU 的速度就越快, CPU的寿命就越短。实验分析表明, 如果CPU正常工作时表面温度超过50℃, 内部温度超过80℃ , 会因电子迁移现象使CPU造成永久的损坏。
3 常用 CPU 散热技术
就散热方式而言, CPU冷却可分被动式及主动式散热两种。主动式散热方式的特点是CPU温度始终在环境温度以上, 没有制冷机构, 借助于热辐射、自然对流将热量散发出去。早期的CPU冷却采用的是这种方式, 通过散热片将CPU的热量通过散热板, 预留散热孔、键盘等自然对流的形式带到外部环境中去。被动式散热方式则一定包含有以获取较低温度的制冷机构, 从而可以将芯片温度降至低于环境温度的水平。显然, 被动式散热方式更有利于提高CPU的工作性能, 随着CPU散热功率的不断增加, 目前几乎所有的 CPU冷却均采用被动式散热方式。
3.1
风冷散热方式
风冷散热是目前台式机CPU散热的主要方式, 它的原理是通过散热片将热传导出来, 再通过风扇转动, 加强空气流动, 通过强制对流的方式将散热片上的热量传至周围环境。风冷散热依靠空气作为导热媒质, 热效率低, 为了增强热交换能力, 使用强力风扇会产生噪声。为提高散热能力主要通过使用散热器增大散热面积; 通过提高风速, 改善气流组织, 采用对流换热或沸腾换热等途径增大对流换热系数; 采用低温送风或直接应用制冷系统获得较大温差。但仅依靠传导和对流两种常规热传递原理工作的风冷散热方式的金属散热器随着CPU表面热流密度的增加, 正逐渐接近其传热极限。为此, 周建辉、杨春信等提出空气强迫对流冷却系统一体化设计的新理念, 对CPU风扇进行空气动力设计, 根据风扇出口流场特性的数值模拟结果设计系列放射状散热器, 对风扇和曲线型散热器进行整体数值模拟, 模拟结果表明曲线型散热器相对传统垂直型散热器, 其热阻值降低 15. 9% , 达到高性能的散热效果。
3.2
水冷散热方式
水冷散热是利用水循环系统通过水流动将CPU的热带走。在水冷却系统中几乎不会出现热尖峰现象, 能很好地解决因CPU散热不好导致死机问题。水冷系统可以将CPU的温度保持在室温状态, 这样高效改善了微机内部的工作环境。但使用水冷散热系统不方便、体积大、安装麻烦,且存在水的泄漏和由此造成的短路问题。这些问题有待进一步解决。
曾平等为实现计算机芯片散热静音、高效的目的, 应用流体动力学、传热学理论研制了一种新型的、以双腔并联压电泵为动力源的计算机芯片水冷散热系统, 实验表明: 这种集成式水冷散热器散热效果显著, 具有较高的开发和应用价值。
3.3
热电致冷方式
热电致冷又称半导体制冷, 是利用物理现象中的帕尔贴效应, 靠电子 (空穴 )在运动中直接传递热量来实现的。如图 1为其工作原理图, 由P型和N 型半导体材料组成热电对, 通电后产生热效应,一面为冷端 (吸热 ), 一面为热端 (放热 ), 冷端紧贴CPU表面吸收热量传到热端将热量散走。半导体制冷的冷端不可以直接接触CPU表面, 需要用辅助散热片把热从 CPU的核心传到冷端, 有利于充分利用半导体制冷器。这种制冷方式的优点是结构紧凑, 静音; 制冷工质无机械部件、无振动、寿命长;制冷量和制冷速度可通过改变电流大小来调节。其缺点是效率较低、成本高、工艺不成熟, 易因温度过低出现CPU结露而导致短路现象。
图 1 热电致冷工作原理图
3.4
热管散热技术
热管又称 热超导管, 首先由美国俄亥俄州通用发动机公司的R. S. Gaug ler于1944年在美国专利 ( No. 2350348)中提出, 1965年Co tter首次提出了较完整的热管理论, 奠定了热管研究的理论基础, 也成为热管性能分析和热管设计的依据。典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成, 其基本工作原理图如图2所示。液体工质在蒸发段被热流加热蒸发, 其蒸气经过绝热段流向冷凝段, 在冷凝段蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热, 凝结为液体,积聚在散热段吸液芯中的凝结液借助吸液芯的毛细力作用, 返回到蒸发段再吸热蒸发。热管工作时具有以下特征:
(1）轴向传热量大;
(2）轴向和径向的温度梯度都很小;
(3）轴向导热量和对流相比可略去不计。
图 2 热管工作原理图
1998年, 美国桑迪亚国家试验室首先将热管技术用于冷却计算机芯片, 而 IBM是真正将热管散热引进笔记本电脑散热的厂商, 用于笔记本电脑散热的热管属小型热管, 其外径为3–5mm, 内径为2.6–4mm, 长度小于 300mm, 可以弯成各种形状。小型热管在笔记本电脑中CPU的安装方式及散热方式由散热功率确定。一般6W以下散热量安装在键盘以下, 利用键盘板作为对外散热的手段 (如图 3( a)所示 ), 或安装在机盒底板上(如图3( b)所示 )。当CPU散热量达到710W时, 应采用铰链式或强制对流式散热 (如图4a、b所示 )。铰链式的散热方式是首先用第一根热管将CPU热量传至显示屏与盒体的连接铰链块上,再用第二根热管将此热量传至显示屏背后的铝板上; 强制对流方式是将CPU热量传至装有扁平微型热管的铝板上, 再由扁平热管将热量传递到带有很多薄翅片的铝板散热片上, 在散热器前方有一个微型风扇将热量排出去。
图 3 笔记本电脑 CPU 散热简图（1）
图 4 笔记本电脑 CPU 散热简图（2）
在小型热管用于笔记本电脑散热方面, 国外学者通过实验数据进行了传热性能方面的研究。Me iling Li等通过实验研究了微热管在笔记本电脑、掌上电脑等便携式电子产品散热方面的传热性能, 热管壳使用铜材, 液体工质为纯净水, 实验得出了热管散热的传热系数和各种传热极限,并通过对比实验得出热管横截面为三角形热管的传热性能优于横截面为矩形的热管的结论。SeokHw anM oon等通过实验确定了带有曲边的三角形的横截面和矩形横截面的传热性和传热极限,并通过对扁形热管的挤压厚度、横截面高度、总长壁、热流和倾斜角的研究提出了对笔记本电脑冷却的小型热管的热性能改进的方法和建议。
随着微电子技术的发展, 台式计算机高性能的CPU散热量已达到50 – 100W甚至更高, 常规的风扇强制散热方式难以满足其要求, 而热管散热成为其首选的散热手段。Kw ang–Soo Kim等通过实验对台式机CPU冷却技术进行了分析研究。当风扇在高转速状态下, CPU散热效果好但存在严重的噪声问题。当风扇配合热管散热时, 即使风扇在低速状态下, 散热效果仍突出, 并减轻了噪声问题。实验还比较了热管在台式机中不同的安装方式对散热的影响。Fu jikura公司开发出一种所谓仙人掌式热管 , 其散热效果与冷风的流速有关。
3.5
微槽道散热技术
微槽道热沉是在很薄的硅片或其他合适的基片上, 用光刻、蚀刻及精确切削等方法, 加工成截面尺寸仅有几十到上百微米的槽, 换热介质在这些槽道中流过并通过基体与别的换热介质进行换热。这种微槽道热沉结构最早由Tuckerman和Pease于1981年提出, 并从理论上证明了水冷却微槽道的散热能力可达1000W /cm2。
3.6
其他散热技术
松下笔记本电脑工作频率为1.2GH z、12W的微处理器采用热扩散性极高的石墨片用作散热, 该石墨膜片与铝复合化用以改善弯曲加工性,再用铝压着加工技术将石墨膜片周围密封, 阻止石墨膜片发生粉尘影响外观。微处理器产生的热量可扩散至石墨膜片, 并传导至键盘背部与外壳排至外部。采用这种散热方式的14吋SXGA液晶面板加DVD–ROM的整体重量不足1.5kg。SONY笔记本电脑使用 7W 的微处理器, 利用设于主机板上下方的石墨膜片散热, 该散热机构的重量比传统冷却风扇散热设计减少一半, 成本则完全相同。
王朋、谷波提出将风冷和水冷有效结合起来的蒸发散热技术, 利用蒸发相交带走潜热, 有效提高CPU的散热效果, 指出了渗透水的计算与控制、渗透能力试验和渗透材料的选择、散热器结构设计等相关的设想。
4 结束语
由于CPU的运算速度越来越高、功能越来越强大、封装技术向高密度发展, 其有效的散热问题成为倍受关注的研究热点。本文就CPU芯片目前采用的主要散热技术及研究进展和存在的问题进行了综述。随着研究的拓展和深入, 新的冷却方案及散热理论将不断地被提出来并应用到更新的领域中去, CPU芯片散热技术的内涵将不断得到丰富和延伸。
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