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重装CPU、GPU时代下的机内散热设计

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PC散热技术演化历程
多年以来,国内的信息制造业都是以个人计算机(Personal Computer;PC)为中心主轴,因此对散热技术的关注也多半集中在个人计算机上,直到最近的三、五年,由于日本业者的技术转移,开始投入投影机、大尺寸平面电视等消费性领域,才较为关注个人计算机之外的产品散热设计。即便如此,个人计算机也依然是国内信息制造的重心之一。

 因此,以下本文将以个人计算机的角度及发展历程,来说明与了解信息相关散热技术的进化提升。 
▲打从1981年的IBM PC开始就有使用电动风扇来散热,图中右处的供电器铁盒内即有电动风扇。(资料来源:http://www.cse.uta.edu)

 通风孔技术

 虽然在1981年8月IBM公司推出IBM PC(Model 5150)之前,就已经有MITS公司的ALTAIR 8800、Apple公司的AppleⅡ等受欢迎的个人计算机(或称:微计算机,Microcomputer),但是真正的产业规模启动仍多是以IBM PC问世起算。

 以IBM PC来说,当时机内的电路板完全只用「对流散热,Convection Cooling」即可,也就是俗称的气冷法,机内的空间足以让冷热空气进行对流,不过为了让冷空气更快引入、热空气更快排出,因此仍会在机身的较不显眼处(例如:前端底座位置)打上连续成排的散热通风孔(Ventilation Hole),使机内的对流散热更为稳定。

 所以,第一部个人计算机(在此指IBM PC)完全只用对流散热?答案是否,事实上IBM PC就已经用上电动风扇来散热,不过只用于电源供应器(Power Supply,俗称:供电器,也时也称Power Supply Unit,简称:PSU)部分,IBM PC最初只用63.5瓦特(另一说是67瓦特)的电源供应器,之后的后续机种才有用120瓦、150瓦、180瓦的供电器。

 此一冷却风扇主要是为了加速供电器部分的电路散热,而非机内运算电路板(即:主机板,大陆方面称为:主板)部分的散热,虽然它对主机板方面也有些许的散热效果。

 
▲典型的芯片封装用散热片(Heat Sink)。

 ■散热片技术、电动风扇技术

 在IBM PC之后,即便是PC XT、PC AT等也都还是维持仅电源供电器部分有用上风扇,其余的运算电路部分皆完全倚赖对流散热,不过在80286后期与80386前期时开始有让CPU使用散热鳍片(Heat Sink,简称:散热片),这是在80286将运作时脉的频率从16MHz提升到20MHz时所使用,另外80386SX也有使用,除此之外x86处理器多半用新封装、新制程的技术方式来克服散热,使其保持不用散热片也能正常运作,如此一直到80486SX-20、80486DX-25为止,此后的80486DX-33就几乎都要搭配散热片,甚至要电动风扇(Fan)来散热。

 虽说自80486DX-33之后的x86处理器都会用上散热风扇,不过除了处理器外,主机板上的其它电子元件都还不用特别的散热设计,仍然是使用传统的对流散热。

 ■硬件监督技术

 接著进入Pentium世代,在Pentium世代处理器的封装外散热技术开始有两项改变,首先是网络计算机(Network Computer;NC)的冲击,支持NC的业者认为PC对企业用户而言有著高昂的维护管理成本,尤其信息管理人员发现PC最先也最频繁故障的就是风扇系统,因此经常要花费心力来保养、换新风扇,或者风扇故障仍无法察觉,以致PC逐渐过热而导致当机,使企业用户蒙受损失。
▲芯片(处理器)封装上先连接散热片,之后再运用电动风扇加以散热,是今日普遍的机内高热芯片散热法。

 为此PC阵营提出了硬件监督机制的补强、改善方案,透过处理器温度、风扇转速等的监控,使风扇散热效率减弱或失效等问题能获得事先的预警,以预防PC的过热及当机。

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