“半导体制冷”能带来PC散热的革命吗?

风冷以及水冷,都是大家比较熟悉的散热模式了。其实大家平时使用的一体式水冷,其部分原理仍旧属于“风冷”的范畴,不过是散热器的导热介质由热管的“蒸发-凝结”自动循环原理,替换为依靠由水泵电机主动循环带动的液体传导,最终所有的热量还是通过风扇的转动,形成强制对流,将鳍片(风冷)或冷排(水冷)的热量传递到环境中帮助芯片降温。因此,风冷与水冷散热器都属于“被动”的散热的形式,因为芯片的高温与环境的低温所产生的温差范围,决定了传统散热器作为”热量的搬运工”,最多只能将芯片的温度降低至接近环境温度。

随着人类对于芯片计算能力的不断追求,越来越多的晶体管被塞入了计算芯片,每一个计算单元的密度都在不断提高,同时更高的频率也带给芯片更高的工作电压与功耗。可以预见的是,未来数年我们都还将继续追求提升芯片的计算性能,那么也意味着我们也需要不断的持续攻克芯片温度的散热问题。仅仅依靠现有的“被动散热”已经有些力不从心,是否需要一种“主动制冷”的新模式出现?

其实关于处理器的散热模式,一直并不局限于常见的风冷/水冷。为了解决温度问题,实现某些极端的目标(比如极限超频),极客们不断的尝试油冷,压缩机制冷,液氮,干冰等降温方法。 曾经最接近零售市场使用的OCZ CRYO-Z系列压缩机能够通过相变制冷可以使蒸发器温度达到-45℃,甚至有国外发烧友通过自制三级压缩机系统,将温度降至了-196℃,已相当于液氮的蒸发温度。但是由于高昂的成本与复杂的使用方式,压缩机系统是不可能普至到家庭使用。液氮,干冰就更是仅针对极限超频这一特定目标的特殊手段而已,蒸发/升华速度非常快,只能带来短时间的极限效能,这些方式并不具备充分的可控性与可复制性。

那么有没有一种看上去可控性高,使用简易,成本低廉的散热方式,来解决现有处理芯片的高温问题呢?答案可能还是有的,那就是利用热电效应原理的的半导体制冷技术。随着今年11月Intel Cryo相关项目的公布,接下也会有采用热电制冷的民用级散热器出现在DIY市场中,我们今天就来聊聊有关半导体制冷那些事。

什么是半导体制冷?

要了解半导体制冷这一具体到终端的技术应用,我们需要先了解的一个有关电与热的基础原理:热电效应( Thermoelectric effect)

图片来源:《理化检验-物理分册-热电材料的应用、研发及性能测试进展》 李蒙等著

热电效应是一个由温差产生电压的直接转换,且反之亦然。简单的放置一个热电装置,当他们的两端有温差时会产生一个电压,而当一个电压施加于其上,他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度,冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压,热电装置让温度控制变得非常的容易。

热电效应并非是一个独立存在的术语,这个理论包含了三个分别经定义过的效应,分别是:塞贝克效应(Seebeck effect,1821年),帕尔贴效应(Peltier effect,1834年)与汤姆森效应(Thomson effect,1854年)

塞贝克效应(Seebeck effect)

1821年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时,如两个连接点保持不同的温差,则在导体中产生一个温差电动势:

ES=S.△T

式中:ES为温差电动势,S为温差电动势率(塞贝克系数),△T为接点之间的温差

帕尔贴效应(Peltier effect)

1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应,即当电流流经两个不同导体形成的接点时,接点处会产生放热和吸热现象,放热或吸热大小由电流的大小来决定。

Qл=л.Iл=aTc

式中:Qπ为放热或吸热功率 π为比例系数,称为珀尔帖系数,I为工作电流,a为温差电动势率,Tc为冷接点温度

汤姆森效应(Thomson effect)

英国物理学家威廉·汤姆森于1854年发现,当电流流经存在温度梯度的导体时,除了由导体电阻产生的焦耳热之外,导体还要放出或吸收热量,在温差为△T的导体两点之间,其放热量或吸热量为:

Qτ=τ.I.△T

式中:Qτ为放热或吸热功率,τ为汤姆逊系数,I为工作电流,△T为温度梯度

通俗的讲就是,第一,热量能够产生电;第二,电也能让导体产生温差;第三,电流在温差不均匀导体中流过时,还会吸收并释放一定的热量,形成高温放热与低温吸热的状态。那么我们通过对导体成分的变化以及对电流的控制,便能够形成各种可控的具体应用,比如热能(温差)发电:可运用于军事,航天,民用能源等各种领域;热电(温差电)制冷:与温差发电相反,将电能转化为热能,制造出温差电制冷机,由于这种类型的只能装置无需压缩机,也无需氟利昂等制冷剂,而且具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等优点。此外,热电冷却不需要像机械制冷那样不断填充化学消耗品,没有活动部件,也就没有磨损,维护成本很低,同样适用于军事,航天,工业及民用制冷需求。我们今天重点要聊的“半导体制冷片”,便是热电效应在制冷应用中的一种具体装置形式。

什么是半导体制冷片(ThermoElectric Cooling)?

刚才讲到的帕尔帖效应(Peltier effect)自发现100多年来并未获得实际应用,因为金属半导体的珀尔帖效应很弱,无法应用于实际。直到上世纪90年代,原苏联科学家约飞的研究表明,以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料,从而出现了实用的半导体电子致冷元件:热电致冷器(ThermoElectric Cooling,简称TEC)。

与传统的风冷和水冷相比,半导体制冷片具有以下优势:1. 可以把温度降至室温以下;2. 精确温控(使用闭环温控电路,精度可达±0.1℃);3. 高可靠性(制冷组件为固体器件,无运动部件,寿命超过20万小时,失效率低);4. 没有工作噪音。

图片来源:《热管散热型半导体冷箱的理论分析及实验研究》 曹志高 2010

在TEC制冷片中,半导体通过金属导流片连接构成回路,当电流由N通过P时,电场使N中的电子和P中的空穴反向流动,他们产生的能量来自晶格的热能,于是在导流片上吸热,而在另一端放热,产生温差。帕尔帖模块也称作热泵(heatpumps),它既可以用于致热,也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具,只要热端(被冷却物体)的温度高于某温度,半导体制冷器便开始发挥作用,使得冷热两端的温度逐渐均衡,从而起到致冷作用。能够运用与PC散热器的半导体制冷片(TEC),便是这样的原理。TEC散热片的吸热(冷)端贴近发热的CPU,给CPU降温,TEC另外一面进行放热,其具备无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点,且工作可靠,制冷速度极快,易于进行温差冷量可控调节。

听起来很适合PC芯片这种功耗波动较大的发热体,而且并不是新的技术,为什么以前厂商并没有深入尝试将TEC制冷应用于PC散热领域呢?

TEC半导体制冷应用于PC散热的难点

能耗较高

对普通家用PC来说,使用TEC散热器的能耗比过低。目前半导体制冷系数较小,制冷时消耗的能量远大于制冷量。比如EK目前公布的EK-QuantumX Delta TEC水冷头满负荷工况功耗为200W,甚至某些情况下超过了它的服务对象CPU。我们的电脑10年主流电源功率为300W,5年前约为400W,如今也不过500W左右,并没有足够多的盈余的功率空间留给TEC制冷设备使用。所以除了少部分拥有大功率电源的高端台式机(额定750W以上),TEC散热器现阶段还无法成为主流的PC散热解决方案。

大功率TEC无法独立工作

TEC制冷片在工作时,冷端制冷的同时需要在热端进行有效的散热,需要散去的热量包含帕尔贴效应释放的热量和制冷片本身的焦耳热。也就是说,TEC制冷装置若要进行大功率制冷输出给CPU散热的同时,自身也需要被持续散热,应用在PC领域的话,就是还需要叠加较高性能的水冷来进行TEC制冷片的散热。所以无论是EK-QuantumX Delta TEC还是酷冷至尊ML360 Sub-Zero,最终呈现的TEC产品均为水冷+TEC制冷装置融合的产物。

对于压制高功耗CPU的散热性能领先幅度存疑

按照目前厂商已公布的数据,EK TEC结合分体式水冷的情况下,最多压制338W的CPU,酷冷TEC在结合360一体式水冷的情况下,可压制最大功率为250W的CPU,对比传统的高性能360水冷散热器,在面对全核满载的高功耗处理器的情况下,领先幅度可能没有想象的大。

工作温差较大易导致主板元器件结露损坏

空气中的水分在面对TEC制造的较大温差环境,在低于室温的部件位置容易形成结露,需要在处理器周围设计一定的密封环境,避免结露风险。

需要软硬件精密无缝配合

CPU运行过程中,频率与功耗波动较大,需要制冷片的能够灵敏的针对CPU功耗、温度进行实时调节,而不是简单粗暴的“全功率制冷-暂停制冷”模式循环。如果要让TEC变得智能好用,就需要软硬件结合的控制系统,从频率,温度,湿度,功耗,电压全方位的进行接管监测。Intel Cryo项目的成立,进行各种软硬件通用标准的建立,就是为了让这一套完整的TEC制冷方式能够实现民用化。

成本较高

目前应用于PC领域的TEC半导体散热器,已知的酷冷至尊ML360 Sub-Zero零售价为2999元人民币,EK-QuantumX Delta TEC仅分体式水冷头约合2350元人民币(还需购买冷排水泵等其他部件自行组建),在没有足够量产的情况下,加之新品新技术溢价,成本一定非常高昂,售价比常规360一体式水冷高出2~3倍。至少在TEC类型散热器的产品生命周期前端,并不会进入寻常家庭被普遍使用。

TEC半导体制冷应用于PC的优点

制冷温度可以低于环境温度甚至低于0度

TEC散热器能够产生足够大的温差,只要功率足够,从+90℃到-130℃都可以实现。当CPU功耗处于某个较低的功耗区间时,TEC能让其内核的温度低于环境温度。注意,这种低于环境温度的情形,并非任何时候民用低功率TEC散热器都能达成,仅能在CPU低功耗运行的过程中能够产生低温。

TEC具备的大温差制冷特性,能更好解决晶体管密集的工艺下的发热问题

随着工艺制程的提升,晶体管密度增加,CPU的核心的封装DIE面积越来越小,根据热力学原理,导热面积越小的情况下,需要更大的温差来维持热传导性能,温差较小的传统散热形式无法解决这个问题。即便CPU功耗并不高,但仍然会严重积热(热量出口面积不够),导致频率上限过低。但CPU的发展之路注定了晶体管密度还将继续提升。TEC天然具备较大的温差属性(吸热端温度可轻松做到-20℃),可能是解决小面积高热量传导的最佳方案。

TEC散热器更符合CPU矽晶在工作时的频率/功耗/电压/温度四者关系特性

CPU内核温度越低,就能在同功耗甚至更低的功耗下,达到更高的频率,可简单理解为CPU都是低温高能,高温低能的产品。平时大家无法体会到这个特性,是因为性能最强的风冷和水冷都无法做到让处理器低于室温,使其内核稳定的停留在到0℃~20℃的稳定温度区间。打个比方(非准确数值,只用于概念表达),假如让一颗CPU的某一个核心运行在5.5GHz的超高频,在TEC的压制下,可以将其控制在50℃,50W功耗,1.3V电压;如果没有TEC的大温差制冷,这个核心温度会急剧提升至90度以上,在高温下要维持内核的高频,电压会提升至1.45V,单核功耗提升至80W,最终导致CPU无法稳定高频运行。用TEC散热器,就相当于开启了一个特别定制的CPU舒适温区,让部分核心去冲击在传统散热条件下无法达成的高频率。

提升普通应用的处理器性能

并非所有程序都能够很好的利用主机的多核心资源,我们日常办公,游戏等应用仍然更需要强劲的单核心性能而非多核低频,因此TEC散热器能够帮助用户便利的达到符合实际应用需求的更高频率,即便是核心不那么多,也能带来更好的实际性能。这也是类似于Intel i5 9600K,Intel i5 10600K这类少核高频处理器存在的意义。

可精确智能控制,可批量生产,可控体积的另类超频工具

TEC散热器,正因为更符合CPU内核“低温高能,高温低能”的工作特性,同时具备可量产,可精确智能调节的属性,就能够在某些特定目标下替代不可控且繁琐的液氮超频,成为新概念的超频工具。

TEC半导体制冷应用于PC领域的前景

TEC半导体制冷并非全新技术,这是一位理论概念已存在了100多年,且实际应用于工业,航天,军事领域已经几十年的老朋友。从概念上来说,TEC半导体制冷散热器所具备的优势特性,的确能够与PC主机硬件有一个好的结合。假如未来量产后的成本能够大幅度降低,将这个目前看上去挺神秘的“黑科技”下放到常规的240水冷并适当提升售价,对终端用户来说,将不仅仅是得到了一个散热器,它还是一个够发挥自己独特属性,帮用户提升额外性能的工具。对于这样的“外挂”,我们没理由不期待!

本文源自头条号:超能网

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