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论高效笔记本电脑散热解决方案是如何被设计出来的

2019-08-03 11:24:39 | 来源:NotebookCheck | 作者:HikariCalyx
设计一个适当的冷却系统,使组件充分发挥其潜力,这是笔记本电脑研发的最重要目标之一。各种方面,从设想底盘内气流应该如何选择正确的材料和仿真测试开始,在确保你能够工作或游戏而不牺牲性能方面起着至关重要的作用。

泰然自若。在笔记本电脑中设计和实施高效的热系统需要大量的研发和适当选择系统中的每个单独组件,以确保所有组件发挥其全部潜力。在这篇基础文章中,我们将了解热设计过程的每个步骤,以及OEM如何测试和设计热设计以实现最高效率。我们以微星的旗舰GT76笔记本电脑为例,它可以在所有核心以5 GHz的速度畅通无阻地运行,以更好地说明这一过程。

热设计应该允许笔记本电脑在没有节流的情况下长时间达到最佳性能

介绍

你刚刚拿到了一台纤薄又足够强大的笔记本电脑,理论上可以带你驰骋游戏战场。一切就绪后,你希望能够充分享受游戏的乐趣,但玩了30分钟之后,你会发现游戏迅速掉帧,笔记本电脑成为了大火炉。毕竟,理论规格和现实还是有差距的,这便是因为散热不充分导致的节流,从而使得处理器降频工作。

笔记本电脑适当降温的重要性不容小觑。 Notebookcheck的老读者将会发现我们有时会再次强调需要正确评估使用旗舰配件的笔记本电脑散热系统以及相关的节流缺陷的文章。冷却不当可能导致显着的性能损失,最终的结果是大量投入没能换来显著性能提升。

购买笔记本电脑时,了解OEM如何实施冷却机制是推断良好性能潜力的一种方法。笔记本电脑中可用的散热空间比你在台式机中的散热空间小,因此OEM已经提出了创新的方法来保持完整的桌面级Intel Core i9-9980HK和NVIDIA GeForce RTX 2080等不会产生太多噪音。

在本文中,我们将了解设计有效冷却解决方案的内容,包括选择此过程中的组件和原型设计,以及OEM最近设法实现的一些改进。有兴趣了解像微星GT76这种搭载5GHz主频的8核心处理器的笔记本电脑的内在是怎样的吗?请继续往下看。

设计一个有效的散热解决方案

设计一个良好的散热解决方案可以满足关键组件(如CPU,GPU和VRM)的散热要求,这不是一件小事。 许多因素和测试都试图了解芯片产生的热量以及它们与特定笔记本电脑外形尺寸的匹配程度。

设计笔记本电脑散热解决方案的过程是研发过程中非常重要的一个方面,这通常如下所述。 请注意,虽然每个OEM都有自己专有的热量设计方法,以最大限度地提高性能,但使用热块,热管,散热器和风扇的概念几乎适用于所有制造商。

散热片下的“芯片”

来看看微星GP75 Leopard的内部结构。 这是一款非常强大的1080p游戏笔记本电脑,采用英特尔酷睿i7-9750H和NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti。 从图像中,我们可以看到多个铜管从CPU和GPU走向风扇。 如果你仔细观察,你会发现这些铜管实际上远离了两个处理器上的铜块。这个铜块或热块可以通过导热膏与实际的CPU / GPU接触。 因此,热量传递发生在CPU / GPU>导热膏>散热片>热管。 我们的想法是尽可能快地将热量从芯片传递到热块,以实现高效散热。为什么这很重要?

微星GP75 Leopard 9SD的散热系统

在没有详细说明的情况下,每个芯片在其额定TDP下运行时,被散发出来的热量将符合设计预期。 虽然芯片制造商对如何计算TDP没有达成共识,但OEM会自行测试,以了解在一个特定的机箱内可达到的最大TDP。 现在,如果热量没有及时从芯片中吸走,芯片周围增加的热量包围迫使其以较低的频率工作以防止损坏,从而影响性能。 一个典型的例子是,由于热设计不佳,带有Core i9的2018 Apple MacBook Pro最初甚至无法达到额定升压频率。

配备Core i9-8950HK的2018年Apple MacBook Pro由于冷却不足导致节流问题而臭名昭著。 (来源:YouTube的Dave Lee)

此外,过多的热量意味着芯片将在时钟周期中以较低的效率工作,尽管它可能看起来达到所需的频率,但整体性能受到损害,超频的能力也会受到严重阻碍。

因此,当务之急是以高效率并且尽快将热量从芯片中抽出。由于其高导热性,铜是散热片的首选。大多数笔记本电脑中的铜散热片表面粗糙,在微观上不允许与润滑脂充分接触。 为了解决这个问题并提供更高效的导热性,更强大的游戏笔记本电脑如微星GT76使用CNC抛光铜块来最大化表面接触面积,这有助于更好地促进处理器散热。

常规的铜散热片和微星GT76搭载的CNC抛光铜散热片。(图片提供:MSI)

良好的导热率仍然是“热管”的梦想

既然我们已经以有效的方式从芯片中移除了热量,我们需要通过热管将这些热量从CPU / GPU组件中引出。 热管由蒸发器部分和冷凝器部分组成,并且在技术上被称为两相热传输系统。 在热管中,液体(通常是水)吸收来自热块的热量并转换成蒸汽(蒸发器部分),其沿着管腔移动到较低温度区域(冷凝器部分)。 在此,蒸汽冷凝成液体,液体被芯吸收并通过毛细作用流回原始位置,同时热量在外面消散。

热管的工作原理(来源:维基百科)

以附图举例,我们看到热管中的液体被加热成蒸汽,传播到传热区域,传递热量,并冷凝回液态。 标有“汽化”的部分可以比作我们上面讨论的散热片,而“热转移”区域类似于我们很快就会看到的散热器翼片。 这就是热量从热块传递到散热器散热片的方式,然后通过风扇将热量推出。

传热示意图。 (来源:Calyos)

热管通常由铜或铝制成,内部的芯结构或者是带槽的,金属丝网(缠绕的筛网),烧结的或纤维的。 其中,烧结管的制造成本最高,但从芯到壁的热传导性很好,反之亦然。

金属烧结热管的横截面。 (来源:Frosty Tech)

虽然管芯结构是选择合适的热管的关键标准,但是有效的热管性能必须同样考虑其他几个因素。 第一个是数量——热管的数量越多,从散热片到管道的热传递越好。但是,决定管道数量取决于热管的总热输出和可用的表面积。

管道的长度和直径直接影响空腔内的蒸汽行进速率。直径越大,可传递的蒸汽量越大。管道的长度不能太长,较短的管道可以传输比较长的管道更多的热量,较短的管道也具有较高的毛细管限制,即流体从冷凝器返回蒸发器的速率。

许多笔记本电脑经常在CPU和GPU上布置热管。虽然这节省了成本,但CPU和GPU之间的管道部分相对较冷,这可能导致液体过早冷凝,从而妨碍传热效率。 因此,在微星GT76等高端游戏笔记本电脑中,CPU和GPU都有自己相应的热管和风扇组件,以实现最大的热传递。

微星GT76中CPU和GPU的独立热管的排布

由于笔记本电脑没有足够的空间容纳圆柱形热管,因此管道必须先平整,然后才能用于热力系统。 这增加了另一层复杂性,因为不均匀或过度的扁平化会阻碍芯内的液体转移。 紧弯也是有害的。 但事实证明,只要弯曲半径是管道直径的3倍,性能就不会受到影响。

更好的气流确保笔记本电脑温度更低

成功地从处理器传递热量还只是完成了一半,将热量完全从机箱中排出同样具有挑战性。 这是散热器和风扇进入的地方。在一个非常基本的层面上,散热器增加了来自热管的热量的表面积,而风扇通过从外部吸入冷空气来驱走这些热量。

示意图显示了典型笔记本中冷空气(蓝色)和热空气(红色)的进出。(来源:Inyes.org)

决定风扇和散热器的类型不仅仅是挑选最佳的部件,所讨论的风扇必须在叶片数量和它们之间的间距之间取得平衡——在太小的空间中塞入太多的叶片意味着没有足够的空气被推出。同时,当刀片较少且刀片间空间较大时,效率会下降。 那么如何确定最佳冷却风扇结构呢?

典型的笔记本电脑散热套件,带有散热片,热管和散热器。 (来源:Any PC Part经过适当编辑)

答案是使用仿真软件。许多OEM使用行业标准的仿真软件,可以对给定机箱的气流进行公平的评估。 使用仿真软件的想法是找出哪种风扇组件最适合给定的冷却要求,而不是简单地踩在市场上最快(也可能是最吵)的风扇上。 仿真软件考虑了许多特性,例如气流如何进入机箱内外,机箱内可用空间,风扇设计产生的空气量(CFM),散热器散热片的表面积等。 软件可以预测不同负载仿真下机箱内的温度分布。 这有助于OEM更好地了解和改进其冷却设置,以实现最高效率。

MSI GT76的散热器具有更多的散热片表面积和额外的风扇。

在下面的仿真动画中,我们可以了解气流仿真如何帮助理解冷却实施的可能结果。 在这里,我们看到这种特殊的样品设计导致将热空气吸回进气口,导致温度升高。

在右侧进行必须的改动后,我们现在看到所有热风都被风扇推出,从而产生更均匀的温度分布。 因此,通过使用这种仿真,可以在原型阶段本身中改变冷却设计,且还有助于检测可能无法识别的物理缺陷。

现在,我们来代入实际场合来考虑这是如何工作的。以微星 GT76举例,GT76的目标是在Core i9-9900K的所有内核上以5 GHz的长期持续性能。 如图所示,GT76的冷却系统具有不少于11个热管,两个CNC抛光散热片,增强型散热器和四风扇设计。 散热器跨越笔记本电脑的整个长度,四个风扇的有助于将整个后侧一次性散热出来,而不仅是一两个角落。

GT76可以沿机器后面的整条散热孔散热。

微星表示,充分的仿真已经帮助它设计了新的气流系统,与GT76的风扇推动96 立方米/每分钟的空气相比,其他气流系统实现了2.25倍更好的气流。 新型散热器的较大翅片表面积也起到了防止9900K节流的作用。 GT76的CPU侧面的鳍片表面积为252910平方毫米,是GT75 Titan(110045平方毫米)的2.3倍。

与竞品相比,GT76的风扇可以排出125%的空气。

GT76的翼片表面积比去年的GT75高出130%。

在我们对GT76的乐虎国际vip中,我们发现即使经过60分钟的FurMark和Prime95烤机测试,笔记本也没有节流,尽管我们注意到组件比常规更热。 我们还注意到笔记本电脑可以在Cinebench R15环路中以4.7 GHz的频率连续运行而不会节流。

结论

设计一个适当的冷却系统,使组件充分发挥其潜力,这是笔记本电脑研发的最重要目标之一。各种方面,从设想底盘内气流应该如何选择正确的材料和仿真测试开始,在确保你能够工作或游戏而不牺牲性能方面起着至关重要的作用。

虽然我们已经深入研究了冷却的一些硬件方面,但还需要进行大量的软件优化,以确保系统能够感知热量包络并相应地对其进行调节。我们希望有关如何设计笔记本电脑散热解决方案的入门手册,可以帮助你进一步了解笔记本电脑购买中这一重要但经常被忽视的方面。

微星表示,具有更好散热解决方案的笔记本电脑将成为即将到来的返校计划的焦点,因此期望在整个产品组合中看到增强的散热解决方案。

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    标题:移动工作站DELL Precision 7740乐虎国际vip连载6:扩展测试

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  • 网友 本站网友 的原文:

    烤机结果很糟糕啊,电池一直在掉电,处于charging状态。

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    标题:移动工作站DELL Precision 7740乐虎国际vip连载6:扩展测试

    大D-Daring 评论于
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    标题:iPhone 11卖5499元是妥协,Pro价格跳水不可避免?

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  • 这回荣耀是有口难辨了

    标题:同为999元,Redmi Note8与荣耀Play3这些差距花粉都表示接受不了

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  • 这背面怎么就和苹果撞上了  挺尴尬的

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