筆電101:如何設計高效能筆記型電腦散熱模組

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在筆記型電腦中設計和組裝高效的散熱系統需要大量的研發工作,並且需要對系統中的每個單獨元件進行適當的選擇,以確保所有元件能發揮最大的潛力。在這篇文章中,我們將了解散熱設計中的每個步驟,以及OEM如何測試和設計其散熱系統原型以實現最大的效率。我們以MSI旗艦GT76筆記型電腦為例,更好地解釋該設計,該筆記型電腦的CPU可以不受限制以全核5 GHz運行。
GT76
一個好的散熱模組能讓電腦的效能完全發揮

介紹:

想像你現在手上有一台筆記型電腦界的絕對野獸,它既纖巧又功能強大,並且理論上可以為您提供主宰所有遊戲的能力。設置好後,你就會高興地啟動遊戲,希望成為戰到最後的那個玩家。但是進入遊戲30分鐘後,你就開始發現掉幀,筆記型電腦像火爐一樣熱。畢竟,這個散熱規格似乎無法完全符合實際性能,剛發生的事情是由於散熱不足經歷了降頻。

筆記型電腦中適當散熱的重要性不可高估。Notebookcheck的讀者會注意到我們有很多文章,它們一再強調必須正確評估使用旗艦筆記型電腦的冷卻系統以及降頻的可能性。散熱不當會導致嚴重的性能損失,你最終可能會在花了大價錢購買電腦後卻無法享受最大的性能。

購買筆記型電腦時,瞭解OEM如何設計冷卻設備是推斷良好性能潛力的一種方法。筆記型電腦中可用的冷卻空間要比桌上型電腦要少,因此OEM提出了創新的方法來保持諸如桌上型電腦級的英特爾酷睿i9-9980HK和NVIDIA GeForce RTX 2080在全負荷下正常工作。

在本文中,我們將研究設計有效的冷卻解決方案的過程,包括該過程所用的元件選擇和原型設計,以及OEM近期已進行的一些改進。你是否想知道製造MSI GT76等筆記型電腦為什麼能保持全八核5 GHz?請繼續閱讀。

設計一個強大的散熱系統:

設計一個好的散熱解決方案來滿足關鍵元件(例如CPU,GPU和VRM)的散熱要求並不是一件容易的事。 為了瞭解晶片產生多少熱量以及它們如何適合特定的筆記型電腦外形尺寸,需要進行很多考量和測試。

筆記型電腦的散熱解決方案的設計是筆記本研發過程中非常重要的一環。請注意,雖然每個OEM都有自己專有的散熱設計方法以最大限度地提高性能,但涉及散熱塊,熱導管,散熱器和風扇的概念幾乎適用所有製造商。


MSI GP75 Leopard 9SD 的散熱模組

散熱塊下的晶片:

看看旁邊的MSI GP75的內部。這是一款性能出色的筆記型電腦,非常適合1080p遊戲,配備Intel Core i7-9750H和NVIDIA GeForce GTX 1660 Ti。 從圖中我們可以看到多個銅製熱管,它們從CPU和GPU朝風扇移動。如果仔細觀察,您會發現這些銅管實際上是從兩個處理器上的兩塊銅塊引出的。該銅塊或散熱塊通過導熱矽脂與CPU / GPU接觸。因此,熱傳遞的路線是:CPU / GPU矽脂散熱塊熱管。 設計思路是將熱量從晶片盡可能快地傳遞到散熱塊,以實現高效散熱。為什麼這很重要?



2018 Apple MacBook Pro 搭載 Core i9-8950HK測出來的效能(Source: Dave Lee on YouTube)


無需贅述,當以其額定TDP運行時,每個晶片都會散發一定量的熱量。 儘管在晶片製造商之間關於TDP的計算方法尚未達成共識,但OEM廠商都進行了自己的測試,以瞭解在給定的主機殼尺寸內TDP可以推多遠。 現在,如果沒有及時從晶片上散熱,晶片周圍增加的熱量包絡將迫使晶片以較低的頻率工作以防止損壞,從而影響性能。一個很好的例子是2018款搭載Core i9的Apple MacBook Pro由於散熱不良而無法達到額定的頻率。

同樣,過多的熱量意味著晶片將以較低的效率工作,儘管它看起來可能達到了所需的頻率,但整體性能仍然受到了損害。超頻能力也受到嚴重阻礙。

因此,重要的是在盡可能短的時間內以高效率將熱量從晶片上帶走。銅是導熱塊的首選,因為它具有高導熱性。大多數筆記型電腦中銅塊表面粗糙,這樣的情況限制了與矽脂的接觸面積。 為了規避此問題並提供更高的導熱性,功能更強大的遊戲筆記型電腦(例如MSI GT76)使用CNC拋光銅塊來最大化表面接觸面積,而有助於更好地散發處理器熱量。


粗糙、CNC 拋光銅金屬塊的差異
(Image courtesy: MSI)

良好的散熱性能仍然依賴熱導管:


Heat pipe working principle. (Source: Wikipedia)
因此,既然我們已經以有效的方式從晶片上散去了熱量,我們就需要通過熱管將這些熱量從CPU / GPU元件中散發出去。熱導管由蒸發器和冷凝器部分組成,在技術上稱為兩相傳熱系統。 在熱管中,液體(通常是水)從熱塊吸收熱量,並轉化為蒸氣(蒸發器部分),該蒸氣沿著熱管腔傳播到溫度較低的區域(冷凝器部分)。 在此,蒸汽凝結成液體,然後被吸收,並通過毛細作用流回到原始位置,同時將熱量散發到外部。

熱傳導示意圖( (Source: Calyos)

請看附圖。我們看到熱管中的液體被加熱成蒸氣,到達熱傳遞區域,傳遞熱量,然後凝結回液態。 標記為“汽化”的部分可以類似於我們上面討論的加熱塊,而“傳熱”區域類似於我們馬上就要瞭解的散熱片。這就是熱量從熱塊傳遞並最終傳遞到散熱片的方式,之後通過風扇將熱量排出。

金屬導管材質放大 (Source: Frosty Tech)


熱管通常由銅或鋁製成,內部的結構是開槽的,或者是金屬絲網(包裹的篩網),也可能是燒結的或纖維的。其中,燒結管製造最昂貴,但從導熱性極佳。

儘管結構選擇是熱管的關鍵標準,但要有效地提高熱管性能,必須同樣考慮其他幾個因素。首先是數量-熱管數量越多,從熱塊到熱管的熱傳遞就越好。但是,熱管的數量又取決於模組的總熱量輸出和可用的表面積。

管道的長度和直徑直接影響空腔內蒸氣的傳播速度。直徑越大,可傳輸的蒸氣量越大。管道的長度不能太長。較短的管道比較長的管道可以傳遞更多的熱量,較短的管道也具有較高的毛細管極限-也就是流體從冷凝器返回蒸發器的速率。


獨立的CPU、GPU散熱模組


許多筆記型電腦經常在CPU和GPU上運行熱導管。 雖然這可以節省成本,但CPU和GPU之間的管道部分溫度相對較低,這可能導致液體過早凝結,從而妨礙了傳熱效率。 因此,在諸如MSI GT76的高端遊戲筆記型電腦中,CPU和GPU擁有自己單獨的熱導管和風扇元件,以實現最大程度的熱傳遞。

由於筆記型電腦沒有足夠的空間容納圓柱形熱導管,因此必須先將熱管弄平,然後才能使用。 這增加了另一層複雜性,因為不均勻或過度展平會阻礙芯內的液體轉移。彎曲過度也是有害的。但是,實驗已經證明,只要彎曲半徑是管道直徑的3倍,性能就不會受到影響。

風道也很關鍵:


傳統上冷熱風與散熱進出口示意(Source: Inyes.org)
成功地將熱量從處理器內散發出去只完成了工作的一半。將熱量完全從機身中排出同樣具有挑戰性。這是散熱器和風扇起作用的地方。簡單來說,散熱器增加了從熱導管傳來的熱量的表面積,而風扇通過從外部吸入冷空氣驅走了這些熱量。

傳統一般散熱塊、散熱導管與散色風口,
(Source: Any PC Part with edits)
決定風扇和散熱器的種類不只是在為工作選擇最佳零件。風扇必須在葉片數量和葉片之間的間距之間取得平衡-在很小的空間內塞滿太多葉片,這意味著無法排出足夠的空氣。同時,當葉片之間的間隔較小時,效率會降低。那麼,如何確定最佳風扇結構以獲得最佳冷卻效果呢?

MSI GT76 的散熱導管提供更多的散熱方位與許多散熱風扇
答案是模擬軟體。許多OEM使用行業標準的模擬軟體,可以評估給定機身的氣流情況。使用類比軟體可以找出哪種風扇元件最適合給定的冷卻需求,而不是簡單地購買市場上最快(或者最大)的風扇。該類比軟體考慮了許多特性,例如氣流如何引導到機身內外,機身內的可用空間,風扇設計(CFM)產生的空氣量,散熱片的表面積等。該軟體可以預測不同負載類比下機身內部的溫度分佈。這有助於OEM更好地瞭解和改進其冷卻設置,以實現最高效率。
在下面的類比測試視頻中,我們可以瞭解氣流模擬如何幫助理解散熱的效果。在這裡,我們看到這種特殊的樣品設計導致將熱空氣吸入進氣口,從而導致溫度升高。
在右側進行了必要的更改之後,我們現在看到所有熱空氣被風扇排出,從而使溫度分佈更加均勻。 因此,通過使用這種模擬,可以在原型階段對散熱設計進行更改。 它還有助於檢測可能無法肉眼識別的問題。
現在,讓我們考慮一下在諸如MSI GT76之類的實際情況中它們如何起作用。 GT76的目標是讓Core i9-9900K以全核5 GHz的頻率提供長期持續的性能。 如圖所示,GT76的冷卻系統具有不少於11條熱管,兩個CNC拋光銅塊,增強型散熱器和四風扇設計。散熱器遍佈筆記型電腦的整個背部,並且四個風扇的使用有助於在整個背面散發熱量,而不僅僅是一兩個角。

GT76可以利用機身設計來散熱多餘的熱能
MSI表示,廣泛的模擬測試幫助他們設計了新的氣流系統,與競爭對手相比,GT76的空氣流量為96 CFM,而其他廠商的設計約為42.6 CFM,與之相比,其氣流情況要好2.25倍。新散熱器的較大散熱片表面積在防止9900K降頻上也發揮了作用。

相較於其他競品,GT76 提供多達25%的進氣量

相較於上一代GT75,GT76的散熱葉片面積多達30%

GT76的CPU側的散熱片表面積為252,910 mm2,約為GT75 Titan(110,045 mm2)的2.3倍。

結論:

你現在可能已經瞭解,設計合適的散熱系統以使元件發揮最大潛能是筆記型電腦研發的最重要目標之一。從設想機身中氣流的發生方式到選擇正確的材料和模擬測試,各個方面都起著至關重要的作用,以確保使用者能夠在不犧牲性能的情況下工作或遊戲。

儘管我們已深入研究了冷卻的某些硬體方面,但這還需要進行許多軟體優化,以確保系統能夠感應並根據需要調節熱量。我們希望這篇有關筆記型電腦散熱解決方案設計方式的入門文章可以説明您進一步瞭解在筆記型電腦購買時這一重要但經常被忽視的方面。

微星表示,具有更好散熱解決方案的筆記型電腦將成為其即將到來的返校計畫的重點,因此請大家期待在整個產品組合中看到增強的散熱解決方案。

請多多留意此欄目,瞭解即將到來的筆記型電腦101主題,包括確定LCD面板精度,觸控板設計,聲學等方面的內容。

除了精心匹配的元件外,還確保最新的GeForce RTX Turing圖形位於MSI筆記型電腦的中心。無論是玩具有RTX的《戰地5》等大型遊戲,還是獲得最佳影像處理品質,還是與諸如Autodesk 3DS Max,Adobe Premiere Pro和Lightroom或DaVinci Resolve之類的創意應用程式一起使用,配備RTX的筆記型電腦都是專業的,是學生和遊戲玩家的真正“主力軍”。他們完美地將休閒與工作結合在一起。
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