消費電子散熱漫談 篇二：水冷與移動端的挑戰
致命的二重奏
電和水的結合會帶來致命的危險，當由電子元器件與集成電路板組成的產品和不停流動的水組合在一起，卻能發揮出不一樣的功效，這篇消費電子散熱漫談，我們先從水冷(Liquid Cooling)聊起。
首先要說明的是水冷散熱，管子裡流動的可不真的是從自來水管裡接的水，一般而言都是用的蒸餾水，追求獨特外觀效果的會使用帶有顏色的專用冷卻液。
水冷散熱是由一系列零部件所組成的一套完整的系統，其中必要的配件有：冷頭(Water Block)、水泵(Pump)、水箱(Reservoir)、冷排(Radiator)以及連接各部件所使用的管道等零件。對冷排有一定了解的讀者可能會說，你這不瞎扯嗎，風扇去哪兒了？這個問題我們等會再深入。
在這些零部件當中，最重要一個便是冷頭，我先簡單介紹一下利用液體來進行散熱的原理。
看過上一期的朋友們可能還有印象（沒有看過的話請點這裡），電子元器件本身散發的熱量需要一定的幫助才能足夠高效地處理掉，人們一般使用散熱片、散熱風扇以及熱管的組合來進行基於風冷的散熱。主要利用的是流動的空氣帶走元器件產生的熱量，在這一系統中，最重要的就是熱量可以足夠迅速的散佈到散熱鰭片中去，讓風扇能夠及時將熱量吹走。
而水冷散熱的邏輯和風冷是大同小異的，區別在於元器件產生的熱量並沒有傳遞到風冷散熱器那碩大複雜的散熱鰭片中去，而是冷卻液吸收了元器件產生的熱量，然後冷卻液自身的溫度升高，由水泵推動冷卻液，流到冷排降低液體溫度，最後流回到冷頭，完成一次循環。
簡而言之，水冷散熱就是燒熱水，然後將熱水冷卻之後繼續燒，在燒熱水的過程中，裝水的這個壺（冷頭）是最重要的，它的好壞決定了熱水燒開的速度。冷頭的作用不僅僅是一個讓冷卻液流經元器件上方的通道，冷頭內部經過設計的特殊構造可以讓冷卻液更有效率的吸收元器件所散發的熱量。在早期的設計中，冷頭內部結構儘量讓更多更大的水流通過，其內部的構成如下：
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我們可以看到冷頭內部有交錯的管道，可以讓冷卻液在元器件的上方多停留一段時間，吸收更多的熱量。
很快人們就發現，高流速比高流量更有效，這是因為液體儘管比空氣表現優秀，但管道內有一部分液體並沒有充分受熱，造成了一定的浪費，於是乎冷頭的設計轉為了追求更高的流速和更大的擴散範圍。雖然單位時間內液體的量變少了，得益於改進後的冷頭設計，液體在進入冷頭後會被切割，擴大了接觸面積，大大提升了散熱效率。
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冷頭的好壞決定了一個水冷散熱系統的上限，一個好的冷頭可以最大化的將熱量轉移到冷卻液中，那受熱後的冷卻液又如何降溫呢，這時候就要請出最大塊頭的冷排了。
冷排的工作原理和散熱片的一模一樣，區別只是內部多了幾個管道讓受熱過的冷卻液流通。冷排表面排列著非常多緊湊的細小散熱鰭片，這些散熱鰭片的任務就是將冷排內部液體所攜帶的熱量散發到空氣中去，當你的冷排面積足夠大的時候，僅靠冷排上的散熱鰭片就能提供足夠的散熱能力，所以散熱風扇並不是必要的。
經過這麼多年的發展，冷排也和風扇一起實行了標準化，一般的冷排有120mm、240mm、360mm以及480mm的規格，這主要是方便加裝市面上的各種散熱風扇而定下來的尺寸。冷排不僅長度有區別，厚度也是不同的，在體積狹小的機箱內，一般從用比較薄的冷排，配合薄風扇，能以比較小的體積得到相對風冷更高的散熱效率。而追求靜音的設計，會採用更厚的冷排，配合低轉速的風壓扇來獲得靜音與散熱效果的兼顧。
在水冷發展的早期，所有的零部件都是用軟管連接，但這對於喜歡折騰，展示自我的極客們來說太low了，於是乎出現了亞克力管，玻璃管，最近還出現了純金屬的管道。這些酷炫的材質配合上各式各樣帶有顏色的冷卻液，可以搭配出獨一無二的視覺效果，充分彰顯裝機人的個性。
水冷散熱的效率比普通的風冷散熱器要強一個檔次，按我自己的情況來說，6熱管的單塔側吹式風冷散熱器在應付Ryzen 1700超頻至3.8Ghz的壓力測試時，最高溫度輕鬆飆過80℃，接近90℃。而在換用了240mm一體式水冷散熱器後，溫度最高不會超過68℃，而平時使用（吃雞 + 推流1080p 60fps 8000kbps）的時候，溫度甚至不會超過60℃。
雖然水冷的散熱效率非常高，但並沒有成為市場的主流有兩個原因：
- 是真的貴
- 是真麻煩
風冷散熱器的價格，根據熱管數量與定位，價格大致在79 - 499之間，其中市場的主流型號都是百元級別的。而分體式水冷，光CPU冷頭的價格就可以購買高端的側吹式風冷散熱器了，更別提冷排、風扇、連接件等等，就算全部採用國產的配件，一整套水冷系統的價格輕鬆超過1000元，對於遊戲玩家用戶而已，1000元可以讓顯卡預算從甜品級直接變成次旗艦級。對於專業用戶1000元可以加16GB內存或者是更好的CPU。
不僅如此，在水冷系統的搭建過程中，如果是採用軟管進行連接還好，如果是硬管系統，那麼還得自己進行管材的切割、打磨以及彎折，如果這個部分沒有做好，極有可能出現漏水的情況，讓系統零部件報廢。冷卻液雖然是在一個密閉的系統中，但每半年都要進行維護一次，檢查冷頭、連接件的內部情況，因為大量採用純銅等易氧化的材料，在使用一段時間後需要進行清理。
各大廠家也不是不明白水冷散熱的短板，於是乎在經過一番開發之後，區別於傳統分體式水冷的產品形態出現了，那就是一體式水冷。
一體式水冷，顧名思義，就是將原本單獨安裝再用管道連接的水冷系統整合到一起，不需要進行維護,一體式水冷頭的設計更加具有通用性，不同的扣具可以讓冷頭支持更多的平臺。最最重要的是，安裝極其簡單，不需要考慮管道連接的問題，只要將冷頭與冷排固定在機箱上，然後將風扇裝在冷排上就行，十分的方便。散熱性能雖然比不上傳統的分體式水冷系統，但是比起一般的風冷散熱器還是強上一檔（當然，貓頭鷹那個王者D15還是可以藐視一切一體水冷的）。
犧牲了一些擴展性與定製性，換來了便捷與更低的價格，一般品牌的240水冷大概在400 - 500元左右，高端的海盜船與NZXT的水冷在700 - 1200元左右，比起動輒1500 - 2000元甚至更高的分體水冷系統，還是可以接受的。
一體式水冷最大的特點也是最有技術含量的地方在冷頭，不同於分體式水冷的獨立冷頭，一體式水冷的冷頭在完成原有作用的基礎上，還整合了控制電路板以及水泵，在RGB風潮興起後，一體式冷頭還搭載了各式各樣的燈效，比如我自己在用的NZXT Kraken X52，其冷頭上搭載了鏡面LED燈效，配合控制軟件可以實現美輪美奐的RGB效果。
移動的挑戰
自從個人電腦(Personal Computer)出現以來，人們一直想將其移動化，尤其是Microsoft發佈了Office系列軟件之後，PC開始大規模進入企業。經常外出的商務人士對移動辦公的需求也越來越強，於是乎早期的“筆記本”電腦出現了，在20世紀80年代，芯片的性能相對來說還比較弱，筆記本並不需要考慮散熱的問題，加上那時候的磚頭般的產品厚度給了內部足夠大的散熱空間，所以那個年代筆記本電腦所關心的主要還是能不能正常運行和儘量的輕一點。
芯片性能沿著摩爾定律的不斷攀升，加上用戶對便攜性的要求越來越高，筆記本電腦在進入21世紀後迎來了幾個重要的改變。首先是Intel基本壟斷了整個筆記本市場(而我正在用一臺Ryzen 2500U的超極本敲下這篇文章，233），然後筆記本開始將產品厚度控制到5cm以內。我們主要來談一談後面這個改變，隨著芯片性能不斷提升，CPU內部元器件集成的數量也越來越多，整體發熱量急劇上升，在這樣的大背景下，人們需要不同於桌面平臺的散熱方式來解決這個問題。
首先我們需要明白一點，筆記本電腦的散熱目標不僅僅是降低核心溫度這麼簡單，由於筆記本電腦的產品特性，使用者必須長時間的接觸筆記本產品自身，而不是像臺式機那樣，將主機丟在一邊，只要機箱不爆炸就行了。因為和用戶交互的鍵盤、鼠標等輸入輸出設備與運算部件是分開的。但是筆記本電腦不同，它的鍵盤和觸控板既是輸入設備，它們所處的表面也是可以輔助散熱的，用戶在使用過程中會接觸到這些部分，而這就意味著筆記本電腦的散熱系統不僅要儘可能的降低內部芯片的溫度，還要在這基礎之上降低表面溫度，這兩個要求就決定了現在99%筆記本電腦的散熱佈局與散熱模式。
工程師們採用的設計思路十分簡單，我們可以將筆記本內部的散熱模組看成是一個非常迷你版的側吹式散熱器，其經典構造如下：
原理我就不贅述了，和側吹式散熱器的沒有什麼區別，我們重點來看看同樣都是散熱鰭片、散熱風扇以及熱管，到了筆記本電腦上，工程師們是如何進行排列組合的。
不同於臺式機散熱器使用的圓柱形熱管，筆記本電腦上的熱管都是扁扁的，這很容易理解，為了將筆記本的厚度儘可能的減小，熱管只能做成這樣的形狀，而且更加容易放置。這是Razer Blade Late 2012的散熱系統示意圖，我們可以看到熱管的熱端由一塊均熱板連接到芯片，冷端直接伸到了風扇的前面。如果我們仔細看的話，發現風扇的前面還有一部分，這就是散熱鰭片了。互為垂直放置的風扇與散熱鰭片，到筆記本電腦上之後就只能水平放置，通過調整散熱風扇的佈局，讓風向水平吹出。
我們還可以看到這檯筆記本電腦的出風口放在了左側，這讓整個鍵盤表面的高溫部分整體偏向左上角。畢竟這是一臺2012年的筆記本設計，對於遊戲玩家來說（特別是射擊遊戲玩家和MOBA玩家），左上角的WASD與QWER這幾個按鍵是高頻按鍵，溫度過高很容易影響玩家的發揮。所以近幾年出現了非常多將出風口放在屏幕轉軸下方，這樣設計便將高溫區域右左上角移動到了中間靠上的部分。
Acer Helios 300
為了追求更強的性能，市場上出現了一種迴歸筆記本產品早期形態的產品，它們有著巨大無比的身軀，野獸一般的性能，和一連串8或是9的價格。它們代表了“移動”產品的性能頂峰，也是散熱暴力美學的極致，比如下面這臺：
Clevo P870系列模具
上面這一款是Clevo P870系列模具，可以搭載兩塊旗艦級顯卡與桌面級CPU，目前最高可以選裝i7 8700k與GTX 1080 x 2，需要2個330W的筆記本電源才能驅動，價格也是是3開頭後面一堆8和9了。
我們一眼看上去，全是風扇和熱管，得益於其壯實的身材，在這下面還隱藏了4個風扇用於吸入冷空氣。比起臺式電腦散熱風扇600 - 2000rpm的風扇轉速，這些產品中的散熱風扇起步就是2000rpm，切換到狂暴模式之後，風扇轉速直逼6000rpm，此時整體噪音能達到接近60db，堪比飛機起飛。
既然臺式機能水冷，筆記本當然可以。
大部分筆記本水冷都是玩家DIY的作品，但也有例外。玩家國度曾經推出了一款帶水冷套件的產品，通過背後的連接口可以直接切換到水冷散熱，十分的方便，合體之後外觀霸氣十足，甚至還可以進行超頻處理，價格嘛，自然是3開頭一堆8和9。不過可惜的是這個產品線只推出了一代就沒有了後續，也許是市(qian)場(bao)還沒準備好這麼酷炫的產品吧。
ROG GX700VO
隨著製造工藝的不斷提升和CPU性能的不斷增強，不是所有的人都需要一臺性能爆表，可以運行大型遊戲、3D渲染抑或是剪切視頻的強大筆記本。大部分用戶的日常操作僅僅是瀏覽網頁，進行文本編輯等普通的辦公操作，相比於強勁的性能，他們更需要的是一臺輕巧便捷、續航持久的產品。
於是乎Intel順應潮流，推出了超極本(Ultrabook)的概念，對什麼樣的筆記本可以稱作超極本做了十分明確的定義，首先就得是用Intel的處理器（……），別的基本就是對厚度、重量以及續航時間的規定。到2016年左右，Intel推出了無需風扇的Core M系列，這一系列主打低功耗與低發熱，可以在不借助任何主動散熱系統的情況下穩定工作，市場也推出了無風扇的筆記本產品，實現了徹底靜音。由於沒有了風扇的限制，這些產品都非常輕薄，加之CPU功耗十分的低，續航時間都是8小時起。
用戶總是多種多樣的，有這麼一種用戶，他們需要足夠強勁的性能（比如能吃雞，能剪視頻啥的），又不想要傻大黑粗的磚頭塊，希望比較輕薄。在兩三年前，這樣的需求是不可能滿足的，但由於nvidia和intel的共同發力，讓這樣的需求成為了可能。
其中有些廠商為了應對這些產品所帶來的嚴峻散熱挑戰開發了一些比較有意思的散熱技術，其中的佼佼者就是華碩(Asus)的玩家國度GM501。
這檯筆記本乍一看和普通的筆記本沒什麼區別，但是當它打開屏幕之後，它的機身會將自身抬高，與底面形成一個可以讓空氣流入的間隙。在狹窄的筆記本中，空氣流通的順暢程度對散熱效果的影響十分巨大，額外提供的進風口能夠吸入更多的冷空氣，GM501本身多達4個的出風口，讓整體散熱能力又提升了一個檔次，價格也提升了個1檔次。
總結來說，筆記本產品的散熱思路現在大體分為兩種，這是由於筆記本產品的兩極分化，需要極端性能的產品線就加大厚度，配置更多更粗的熱管與更強力的風扇。需要便攜續航的產品直接將核心部件的功耗降低，簡單粗暴，功耗低，相應的發熱也就低了，只需要最基本的散熱配置就足以滿足需求，甚至直接靠被動散熱就行了。
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