计算机的散热方式及发展前景

龙源期刊网计算机的散热方式及发展前景作者：张泽龙来源：《数码设计》2019年第03期摘要：近年来，伴随计算机硬件的快节奏发展，计算机散热问题再次成为计算机领域的焦点问题。本文从计算机散热的重要性、高温对CPU性能的影响机理、计算机散热研究现状和传统散热技术缺陷以及运用进行了详细阐述。并对未来这些技术的发展前景进行展望。关键词：CPU芯片；散热技术；计算机散热；影响机理中图分类号：TP332文献标识码：A文章编号：1672-9129（2019）03-0031-04Abstract：Inrecentyears，withtherapiddevelopmentofcomputerhardware，computerheatdissipationhasonceagainbecomeafocusofthecomputerfield.Thispaperelaboratesontheimportanceofcomputerheatdissipation，theinfluencemechanismofhightemperatureonCPUperformance，theresearchstatusofcomputerheatdissipationandthedefectsandapplicationoftraditionalheatdissipationtechnology.Andlookforwardtothefuturedevelopmentofthesetechnologies.Keywords：CPUchip；heatdissipationtechnology；computerheatdissipation；influencemechanism1引言自1970年至今，人們使用的是大规模集成电路机，它的逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。伴随着科技的进步与发展，以及人们日益增加的对于计算机性能的要求。计算机微处理器CPU朝微缩化、集成化的趋势发展。众多电子原件放置于一块主板上，各自产热。器件与器件之间间隔距离很小，从而引起了热量聚集以及散热不畅等问题，至使计算机工作效率严重下降。据研究表明，CPU的发热效率也随之成指数势上涨[1]。2高温对CPU性能影响的机理高温本身对于CPU的损伤占很小的一部分，而在这其中高温损伤计算机CPU的主要机理是“电子迁移”现象。[4]“电子跃迁”现象于上世纪五十年代中的微电子科学领域被首次提出，基本内容是指某种金属原子受到电子流的激发影响而产生的流动现象。在计算机CPU中，高温以及高强度的电流促使电子获得更大的动量，时，导线以及CPU中的金属原子在较高动量的电子的流动激发下开始移动。使得原本光滑的导线以及CPU中受到金属原子的冲击，从而使光滑的金属表面变得凹凸不平。而这种影响是有积累效应的。[5]在持续的金属原子轰击下，导线以及CPU中的受创程度越来越严重，以至于对整体电路系统和CPU产生不可恢复的龙源期刊网影响。CPU高温以及高强度电流更是加剧了最终损伤时间，至使计算机的计算能力快速下降，也加快了CPU的报废时间。3计算机散热技术的重要性由于CPU体积小，组成材料、结构特殊。现代的CPU是使用硅材料制成的，半导体单晶硅集成了几亿几千万晶体管。数量庞大的集成晶体管导致了CPU发热严重，体积小的特点更加提高了其散热难度。正式由于CPU的这些特点，才另其相比于别的设备、器件散热难度的不同。计算机CPU散热系统的强度对于计算机稳定性能和整体性能有直接和深远的影响。计算机工作过程中会大量产热，产出热量将加强“电子迁移”，从而直接影响CPU的使用性能以及使用寿命。CPU温度升高1℃其运行稳定性降低约3.8%，而CPU温度下降10%其将寿命增加约50%。美国空军机载电子设备中由高温造成的失灵的约占55%。[2]若不及时排出产生的热量，由于系统出于自我保护而降频，导致的运算变慢，性能降低等问题。长期的高温影响，甚至会使CPU损坏。[3]高效的散热技术是计算机系统高效、稳定运行的保障。不难得出，在设计计算机时，研究其更高效散热技术是十分重要的一步。4计算机散热研究现状4.1CPU的散热方式CPU的散热方式通常以两大方式为主：被动式散热、主动式散热。[6]被动散热方式主要为早期计算机使用。它的特点是CPU核心温度始终处于环境温度以上。被动散热方式没有核心制冷系统，该方式主要依靠物理散热片进行散热。散热片靠近主板位置，散热片通过散热板将CPU产生的热量通过预留好的散热孔、键盘等自然窗口，运用通风、对流的方式将热量散入到环境中去。主动散热方式主要被当前计算机广泛使用。它的特点为，存在核心制冷系统，该制冷系统温度较低，使得CPU核心温度可以维持在环境温度以下，从而更有效的为计算机CPU降温，提高降温效率，使计算机可以维持在稳定的操作水平。4.2早期与当前主要计算机散热方式传统的CPU被动冷却技术拥有较为简单的结构组成和工作原理。因为其存在时间长，更容易被人们普遍接受，所以其拥有较为庞大的贸易市场，在市场竞争中压力较小，得到了较为普遍的应用。典型被动和主动CPU冷却技术包括：4.2.1散热片冷却：龙源期刊网计算机散热片冷却是最普遍的被动散热方式。是指直接将散热铜管或铝管安装在芯片上的一种散热方式如图一是其示意图。散热效率较低。4.2.2风扇冷却；计算机的风扇冷却技术作为主导冷却方式在计算机散热领域已经非常普遍和成熟，并且一直被沿用。当代散热厂商为使风扇冷却技术在计算机芯片散热中不被取代，开始对风扇的叶形及流道进行优化，还采用有效措施对其进行降噪处理。4.2.3气体压缩制冷；拌随着新技术的不断成熟与发展，新循环系统被再次提出。气体压缩制冷可以达到更低的温度，从而更好的保障集中式终端服务器的有效散热。4.2.4宏观管路水冷：相比于风扇冷却，宏观水管冷效果更好，其在计算机芯片散热中也得到了广泛的运用。4.2.5热管技术冷却：热管又被称为“热超导管”，其主要利用工质的相变进行热量传导。如图二为其工作原理。普遍的热管由管壳、冷却液、吸液芯和端盖组成。冷却液在热管管芯中吸热成为蒸汽，蒸汽经过绝热段进入冷凝段，在冷凝段大量放热再次凝结成冷却液，随后开始下一个循环。IBM公司首次将热管技术应用于笔记本电脑中，并于1998年正式发布其热管冷却产品。热管的安装方式根据CPU的总功率大小而改变。功率较小的CPU的热板安装于键盘下方，依靠键盘与外界空气的接触而达到冷凝效果。而功率较大的CPU的热板则需安装于靠近底座附近再由散热风扇散去热量。这样更加提高了CPU的散热效率。将热管技术应用于CPU冷却，已成为现今CPU散热的发展趋势。4.2.6热电制冷：又被称为半导体制冷，其主要应用的为珀耳帖效应，如图三为其工作原理。珀耳帖效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。可以被简单理解为，在外加电场的条件下，电子发生定向移动，将一部分内能带到电场的另一端。在接通电源的情况下，导线中迅速形成电场，电子开始定向移动。由P端和N端组成热电对，一端吸热，一端放热，从而达到散热目的。该技术使无冷却介质成为可能，该设备集成了，无噪音冷却，冷却效率高，使用寿命长等优点。龙源期刊网但为提高热电制冷效率，制冷器件的结构还需近一步优化，新的热电材料及热电堆的布控方式也有待探索。4.2.7热声制冷：热声制冷在冷却红外探测器件、超导电子学器件等低温固体电子器件的微型低温制冷领域具有特殊的优点，如图四为其示意图。同时在普通制冷领域具有成为替代氟利昂制冷的潜在能力，因而受到广泛的关注。该制冷方式主要依靠于热声效应，热声效应机理可以描述为在声波稠密时加入热量，在声波稀疏时排出热量，则声波得到加强；反之声波稠密时排出热量，在声波稀疏时吸入热量，则声波得到削弱。近些年，热声技术主要应用于冰箱和空调的制冷而代替氟利昂，但是已经逐步开始推进其在计算机散热中的应用。微型化、模块化为热声制冷的发展方向。微型热声制冷机的实现为热声制冷应用到计算机散热领域带来了曙光。但由于其功率较小、效率较低，目前还不能适应高功率芯片散热的标准有待进一步研究与发展。传统主动和被动CPU制冷系统同时存在很多缺陷与不足：（1）制冷效率和制冷效果普遍较差。这种效率较低的制冷方式难以适应当今快速发展的信息时代。伴随着计算机硬件的升级以及强化，CPU产热快速增加，这使得传统制冷方式难以适应（2）传统制冷系统带有较易损坏的可运动部件，如风冷所用风扇叶片等，这就另这些制冷系统可靠性有所下降，同时另计算机缩短使用寿命。未来的计算机散热研究趋势会更加趋于集成化、数据化、高效化。尽量缩小大规模散热模块，使其如CPU一般集成化、微量化，更好的应用于体型较小的笔记本电脑中。热模拟对散热情况的分析也会更加深入计算机散热系统的研究。借助电子软件，为研究人员提供更加全面的散热数据，更方便于进一步的研究与改善。散热的高效也将成为计算机散热研究的重点。未来的计算机为适应人类更高的需求会变得更加复杂，拥有更多功能，同時也使其产热率大大提升，这就要求未来的散热系统提高散热效率，更好的适应计算机硬件快速的发展趋势。综上，现今我们所广泛使用的传统制冷技术仍然需要得到进一步完善。以更好的适应我们对于计算机性能的需求。5结语虽然随着科技的进步以及时代的发展，许多新兴的散热方式已经出现在人们的视野中：液态金属冷却、纳米微气流冷却、微槽群散热、激光冷却等。但是这些新兴冷却技术还欠缺大量的实验数据以及广阔的市场应用前景，所以目前传统计算机散热技术依然占据主导地位，而传龙源期刊网统技术有着诸多的瑕疵和问题，不能很好的适应如今快节奏、高技术的硬件发展水平。这使我们认识到，现在计算机散热领域问题的当务之急是升级传统CPU冷却技术，并加快对于新技术的研究与发展，更好的应用新材料、新技术、新理念，完善计算机散热问题的空缺。我相信，在不久的未来，我们一定会解决高度集成化CPU的散热问题，让计算机更好的为人类服务。参考文献：[1]ChuRC，SimonsRE，EllsworthMJ，etal.ReviewofCoolingTechnologiesforComputerProducts[J].IEEETrans.onDeviceandMaterialsReliability，2004，4（4）：568～585[2]谢德仁.电子设备热设计工作点评.电子机械工程，1999，（1）：26～28[3]程蓉蓉.计算机CPU芯片散热技术研究[J].辽宁师专学报（自然科学版），2014，16（04）：90-93.[4]TanCM，ZhangG.OvercomingintrinsicweaknessofULSImetallizationelectromigrationperformances[J].ThinSolidFilms，2004，462：263-268[5]王卓.高温对计算机CPU性能影响机理及散热技术分析[J].南方农机，2015，46（08）：76+83.[6]刘一兵.计算机CPU芯片散热技术[J].低温与超导，2008（06）：78-82.