從原始到奢華!十五年之顯卡散熱物語
欲,貪欲也。――《說文解字》?!径Y·曲禮】欲不可從。【疏】心所貪愛為欲。又【禮運(yùn)】何謂人情。喜怒哀懼愛惡欲七者,弗學(xué)而能……
不難看出,欲望這個(gè)詞語在中國傳統(tǒng)的愚民文化中經(jīng)常和羞恥、貪婪混為一談,貶義之盛甚至上升到道德的高度。諸如無欲則剛,無欲無求都是在灌輸一個(gè)思想——崇高者不齒為欲。然而近代西方的哲學(xué)卻認(rèn)為人類的欲望是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的源動(dòng)力。
泡泡網(wǎng)顯卡頻道7月5日 虛擬現(xiàn)實(shí)3D的興起就是一個(gè)佐證。當(dāng)人們不再滿足單一色彩的時(shí)候,當(dāng)大家厭倦了呆板的2D圖像的時(shí)候。這些欲求的不滿就不斷激勵(lì)著最新技術(shù)的發(fā)展,也促進(jìn)了顯卡行業(yè)爆發(fā)性的發(fā)展。從最初簡單的顯示功能到如今瘋狂的3D速度,顯卡性能飛躍的同時(shí),本身的性狀也是滄海桑田。無論是速度、畫質(zhì),還是接口類型、視頻功能,顯卡在這十年里的革新之快讓CPU為之汗顏。
隨著顯卡性能的不斷增強(qiáng),顯示芯片所用的晶體管數(shù)目也成幾何數(shù)量級(jí)式增長,現(xiàn)在最強(qiáng)的顯卡晶體管個(gè)數(shù)已經(jīng)達(dá)到幾十億的數(shù)量級(jí)。性能大幅增加同時(shí),也為顯卡制造商帶來了發(fā)熱量的問題,散熱器也成為了顯卡發(fā)展史的附屬產(chǎn)物,見證顯卡經(jīng)歷的風(fēng)風(fēng)雨雨。
散熱器在顯卡上從無到有,從簡單的被動(dòng)式到復(fù)雜的風(fēng)道式。在短短的十余年時(shí)間里,顯卡散熱器已經(jīng)經(jīng)歷數(shù)次技術(shù)變革。時(shí)至今日,您還記得當(dāng)初的顯卡是什么摸樣么?
1995年11月,Voodoo顯卡的誕生,把我們的視覺帶入了3D世界,PC機(jī)從此具有了幾乎和街機(jī)(16位)同級(jí)的3D處理能力,開創(chuàng)了真正的3D處理技術(shù)時(shí)代。從這時(shí)起3D技術(shù)發(fā)展一發(fā)不可收拾。
voodoo2顯卡
當(dāng)年的Voodoo時(shí)代,很多顯卡是沒有任何散熱設(shè)施的,核心上的參數(shù)赤裸裸的暴露在我們面前。與目前的主流顯卡相比,當(dāng)時(shí)并沒有GPU的說法。而顯卡上的主要核心芯片處理能力甚至比當(dāng)前的網(wǎng)卡還要弱,所以發(fā)熱量幾乎可以忽略,不需要另外散熱設(shè)備輔助,顯卡運(yùn)行在‘裸奔’狀態(tài)下。
● NV3=Riva 128ZX:散熱片
在1997年8月Riva 128面世之前,NVIDIA還只是一家默默無聞的小公司,處女作NV1是款聲卡顯卡二合一的產(chǎn)品,未能得到眾廠商認(rèn)可;NV2胎死腹中;而NV3則依靠對微軟Windows系統(tǒng)的完美支持以及Direct3D標(biāo)準(zhǔn)的壯大一舉成名,稱為當(dāng)時(shí)圖形霸主3DFX的強(qiáng)力競爭對手!
憑借100M/秒的像素填充率和對OPENGL的良好支持,RIVA 128在非GLIDE API的游戲中完全超過了Voodoo,迅速贏得了消費(fèi)者和一些OEM廠商的青睞。


名稱 |
RIVA TNT |
RIVA TNT2 |
架構(gòu) |
NV4 |
NV5 |
制造工藝 |
0.35 Micron |
0.25 Micron |
晶體管數(shù)目 |
7 Million |
15 Million |
DirectX支持 |
6 |
6 |
頂點(diǎn)管線 |
1 |
1 |
VS版本 |
- |
- |
像素管線 |
2 x 1 |
2 x 1 |
PS版本 |
- |
- |
核心頻率 |
90 MHz |
125 MHz |
填充率 |
180 MTexels/s |
250 MTexels/s |
顯存位寬 |
128-bits |
128/64-bits |
顯存類型 |
SDR |
SDR |
顯存速度 |
110 MHz |
150 MHz |
顯存帶寬 |
1.76 GB/s |
2.40/1.00 GB/s |
從TNT2開始NVIDIA對產(chǎn)品進(jìn)行了市場化細(xì)分,在高中低端,面向多種不同的用戶,TNT2芯片衍生出TNT2 Vanta、TNT2 M64、TNT2、TNT2 Pro、TNT2 Ultra等不同的型號(hào)產(chǎn)品,搭配不同顯存的容量,產(chǎn)品線覆蓋了大部分的市場。
TNT2 系列采用風(fēng)冷散熱!
TNT2 Ultra是系列最高端產(chǎn)品,性能上超過了3DFX的VOODOO3 3500以及MATROX的G400 Max,而且支持的特效也很全面(比G400少一個(gè)EBM環(huán)境凹凸貼圖),成為當(dāng)時(shí)性能之王。但其核心/顯存頻率高達(dá)150/183MHz,后期更是提高到175/200MHz,此時(shí)的發(fā)熱量已不再是單薄的散熱片可以解決的,雖然voodoo1也使用了風(fēng)冷,但自TNT2之后,風(fēng)冷式主動(dòng)散熱全面進(jìn)入顯卡的舞臺(tái)。
自此顯卡散熱可謂步入近代史。但各大顯卡廠商的角逐卻是剛剛開始。因?yàn)閺倪@時(shí)候起,無論是NVIDIA還是ATI,在架構(gòu)設(shè)計(jì)拉不開距離的情況下,竭盡全力的堆積晶體管無疑是稱霸市場的最有效手段。而中高端顯卡就再也沒有離開過風(fēng)扇的伴隨。
GeForce 3 Ti
自此以后,AMD和NVIDIA大多數(shù)高端公版卡都是用了渦輪風(fēng)扇,因?yàn)榫哂歇?dú)立排氣功能的抽氣式散熱器自成體系,對機(jī)箱風(fēng)道的依賴性很小,能夠適應(yīng)糟糕的工作環(huán)境。這是廠商設(shè)計(jì)公版散熱器的理念所在,不能在設(shè)計(jì)初衷上就將可能不存在的機(jī)箱風(fēng)道作為先決條件,必須講究產(chǎn)品的通用性。
當(dāng)然,離心風(fēng)扇也有很大的缺點(diǎn),它正常工作需要的轉(zhuǎn)速相對較高,而產(chǎn)生的噪音也就較大,這也是它沒有真正普及的最大原因。
魚與熊掌,不可兼得。噪音和溫度似乎也難以兩全。果真是這樣么?
說到CPU水冷那還要追溯到上個(gè)世紀(jì),早在1998、1999年左右臺(tái)灣就開始流行CPU水冷散熱了,DIY利用自己的條件制作出各式各樣的水冷系統(tǒng),但大多以開放式結(jié)構(gòu)為主,在DIY看來,當(dāng)時(shí)的CPU就已經(jīng)是“發(fā)熱量巨大”的怪物了。
CPU水冷套裝
大陸水冷制作相對要晚些,也大多集中在個(gè)人的制作水平上,曾經(jīng)出現(xiàn)像杭州中裕的CoolMax等數(shù)款個(gè)人制作并銷售的水冷產(chǎn)品,其中CoolMax水冷已經(jīng)具備像樣的包裝和配套件,在宣傳上也曾經(jīng)有過動(dòng)作,但由于市場響應(yīng)有限,這些產(chǎn)品猶如過眼云煙,沒有多長時(shí)間就從市場上徹底消失了。
2000年以后,隨著顯卡競爭的愈加白熱化,晶體管的集成規(guī)模增加速度近乎瘋狂。到了2003年,水冷又開始在大陸市場上活躍起來,終于有AIC不甘寂寞,將之前用于CPU的水冷方案經(jīng)過改造應(yīng)用在了顯卡身上。
耕升2003年推出的FX5800水冷版
水冷作為高端散熱系統(tǒng)價(jià)格昂貴,安裝繁瑣,那是什么讓水冷得以占領(lǐng)高端呢?
其實(shí)很簡單,因?yàn)樗涮幚鞢PU/GPU廢熱的能力比任何風(fēng)冷散熱器都要高得多,并且不受機(jī)箱內(nèi)高溫的影響。如果用于低功率CPU,水冷散熱器在CPU降溫上并不比優(yōu)良的風(fēng)冷散熱器強(qiáng)多少。但當(dāng)你使用產(chǎn)生大量熱量的高端或極度超頻CPU的時(shí)候,就算一個(gè)小小的DIY水冷系統(tǒng)都將讓CPU溫度保持在相當(dāng)?shù)偷乃健?/P>
其次日常使用中,水冷雖然不會(huì)較高端風(fēng)冷散熱有多大的性能提升,但能夠在獲得低溫的同時(shí)產(chǎn)生比任何風(fēng)冷方案小得多的噪音。以上兩大優(yōu)點(diǎn)讓高端DIY玩家對水冷趨之若鶩。
事實(shí)上水冷除了應(yīng)用在PC上,在服務(wù)器甚至超級(jí)計(jì)算機(jī)中也能覓得蹤影。IBM的Power 575超級(jí)計(jì)算機(jī)搭載的就是水冷散熱系統(tǒng),及時(shí)帶走大量的廢熱。
當(dāng)然液冷系統(tǒng)也有著不利的一面,如果循環(huán)液外漏則會(huì)浸濕電腦內(nèi)部的線路板,這種情況是相當(dāng)危險(xiǎn)的。此外,液冷的安裝比風(fēng)冷麻煩,而且需要一定的經(jīng)驗(yàn),這將會(huì)影響一般用戶的使用。
大家知道,水雖然是自然界中比熱容最大的物質(zhì),但沸點(diǎn)高達(dá)100℃,熱量經(jīng)過水管循環(huán),最終還是要靠散熱鰭片利用熱傳遞的效應(yīng)散發(fā)掉。其原理就注定水冷設(shè)備無法將芯片溫度降到環(huán)境溫度以下。而CPU、GPU等很多芯片當(dāng)溫度降到極低時(shí)會(huì)有特殊的電氣性能,主頻得以再度提升。
所以如果是想進(jìn)行極限超頻創(chuàng)造記錄的職業(yè)選手,用水冷是行不通的,液氮是不二選擇。
沒有澆過液氮的人是無法感受到極限超頻的真諦
只有專業(yè)的設(shè)備才有可能創(chuàng)造奇跡
好吧,我承認(rèn)這張圖片有點(diǎn)雷
如果說液氮是職業(yè)選手的專利的話,那液氦則是對物理極限的挑戰(zhàn)。氮的沸點(diǎn)是77°K(-196℃),在正常大氣壓下溫度低于零下196攝氏度就會(huì)形成液氮,但由于氦原子間的相互作用(范德華力)和原子質(zhì)量都很小,很難液化,更難凝固。富同位素4He的氣液相變曲線的臨界溫度和臨界壓強(qiáng)分別為5.20K和2.26大氣壓,一個(gè)大氣壓下的溫度為4.215K.在常壓下,溫度從臨界溫度下降至絕對零度時(shí),氦始終保持為液態(tài),不會(huì)凝固,只有在大于25大氣壓時(shí)才出現(xiàn)固態(tài)。
液氦在常溫下的揮發(fā)速度如此之快以至于液氦就不能用“澆”的了,必須用“噴”的。而且液氦的價(jià)格非常昂貴,幾萬塊錢的液氦噴不了多久就用完了。所有的代價(jià)換來的就是比液氮更低的幾十?dāng)z氏度,而往往就是這幾十度決定了比賽的輸贏。
AMD羿龍II-940 6.51G的世界紀(jì)錄就是這么誕生的,當(dāng)然和液氮不同,這個(gè)成績只停留了數(shù)秒,根本不可能去跑分。
極限超頻作為一項(xiàng)競技活動(dòng),考驗(yàn)的是選手的技能、知識(shí)和勇氣,已經(jīng)脫離了實(shí)用的范疇,回歸原點(diǎn),近年來風(fēng)冷技術(shù)也是從來沒有停滯過,除了更加高效的風(fēng)扇,最神秘而又引人注目的要數(shù)“熱管”了。
熱管技術(shù)是1963年美國 LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover發(fā)明的。它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì),透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。
從熱力學(xué)的角度看,為什么熱管會(huì)擁有如此良好的導(dǎo)熱能力呢?這還要從熱傳遞的三種方式:輻射、對流、傳導(dǎo),三種方式說起……
單從熱傳導(dǎo)來講,銀是導(dǎo)熱最快的金屬或者合金,其次是銅。但不管是那種單一材料都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如熱管的導(dǎo)熱效率。因?yàn)橐话銦峁苡晒軞?、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負(fù)壓狀態(tài),充入適當(dāng)?shù)囊后w,這種液體沸點(diǎn)低,容易揮發(fā)。管壁有吸液芯,其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端,另外一段為冷凝端,當(dāng)熱管一段受熱時(shí),毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā),蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端,并且釋放出熱量,重新凝結(jié)成液體,液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段,如此循環(huán)不止,熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的,熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來。熱管就是利用蒸發(fā)制冷,使得熱傳遞和對流同時(shí)進(jìn)行,以最快的速度平衡熱管兩端的溫度差,從而實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳導(dǎo)。
熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中,包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過程:
(1)熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到(液---汽)分界面;
(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的(液--汽)分界面上蒸發(fā);
(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段;
(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽·液分界面上凝結(jié):
(5)熱量從(汽--液)分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源:
(6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。
熱管內(nèi)部為了增加毛細(xì)效應(yīng),加工成不同的形狀
當(dāng)然,一根水平放置的有芯熱管,由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力,因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段,而另一端向外散熱就成為冷凝段。
根據(jù)熱管管芯的構(gòu)造型式,熱管大致可分為緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯、燒結(jié)粉末管芯、軸向槽道式管芯和組合管芯。它們因?yàn)闃?gòu)造的不同而有不同的物理屬性,可以適用于不同的環(huán)境,但是基本原理都是一樣的,這里就不再贅述了。
簡而言之,熱管是一種高效的熱導(dǎo)體,它由一個(gè)密閉的容器和一種工作介質(zhì)兩種基本部件組成。熱管傳熱是被動(dòng)傳熱,沒有運(yùn)動(dòng)部件,因此也不消耗能源,無需配件,工作穩(wěn)定,只要外殼不破或者遭受外力而嚴(yán)重變形,熱管經(jīng)久耐用,無需維修。
最近有一種叫“均熱板”的散熱裝置非常吸睛。號(hào)稱比熱管散熱器更加有效率。它到底是什么來頭呢?
均熱板,有人喜歡叫它真空均熱板,是因?yàn)樗且粋€(gè)內(nèi)壁具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的真空腔體。均熱板通常由銅制成,當(dāng)熱由熱源傳導(dǎo)至蒸發(fā)區(qū)時(shí),腔體里的冷卻液在低真空度的環(huán)境中受熱后開始產(chǎn)生冷卻液的氣化現(xiàn)象,此時(shí)吸收熱能并且體積迅速膨脹,氣相的冷卻介質(zhì)迅速充滿整個(gè)腔體,當(dāng)氣相工質(zhì)接觸到一個(gè)比較冷的區(qū)域時(shí)便會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象。借由凝結(jié)的現(xiàn)象釋放出在蒸發(fā)時(shí)累積的熱,凝結(jié)后的冷卻液會(huì)借由微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管道再回到蒸發(fā)熱源處,此運(yùn)作將在腔體內(nèi)周而復(fù)始進(jìn)行。
均熱板外觀上為一平面板狀物,上下各有一蓋相互密合,銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)均熱板
其內(nèi)有銅柱支撐。均熱板上下兩銅片以無氧銅為材質(zhì),通常以純水為工作流體,毛細(xì)結(jié)構(gòu)以銅粉燒結(jié)或銅網(wǎng)之工藝制作。均熱板只要維持其平板特性,造型外廓上視應(yīng)用之散熱模塊環(huán)境而定較無限制,使用時(shí)亦無置放角度上之限制。實(shí)際應(yīng)用時(shí)在平板上任兩點(diǎn)所測得溫度差可小于10℃以內(nèi), 較熱導(dǎo)管對熱源之傳導(dǎo)效果更均勻,均熱板之名亦因此而來。
看到這里,我們發(fā)現(xiàn)均熱板的原理和熱管其實(shí)大同小異,只是物理性狀和細(xì)節(jié)工藝有所差異。均熱板已較熱導(dǎo)管自一維維度擴(kuò)展至二維面的熱傳導(dǎo),我們甚至可以把均熱板看成是一個(gè)大號(hào)熱管拍扁了壓在芯片上。而均熱板自然擁有熱管極端優(yōu)秀的導(dǎo)熱效果,通常用于需小體積或需快速散高熱的電子產(chǎn)品。目前主要使用于服務(wù)器、高檔圖形卡等產(chǎn)品,是熱導(dǎo)管散熱方式的有力競爭者。
由于熱導(dǎo)管散熱模塊技術(shù)較為成熟,成本較低,均熱板目前的市場競爭力仍不敵熱導(dǎo)管。但由于均熱板的快速散熱特點(diǎn),目前其應(yīng)用針對電子產(chǎn)品如CPU或GPU其功耗在 80W~100W以上的市場。未來還可應(yīng)用于高階電信設(shè)備、高功率亮度的LED照明等的散熱。
顯卡和CPU或計(jì)算機(jī)其它發(fā)熱元件的散熱方式分為“散熱片”和“散熱片配合風(fēng)扇”的形式,也叫做被動(dòng)式散熱和主動(dòng)式散熱。
熱管的加盟讓被動(dòng)散熱器的散熱效果更進(jìn)了一步,目前高檔顯卡的被動(dòng)式散熱器往往擁有超大的散熱鰭片組,用料十足,成本高于一般的主動(dòng)式散熱器。即便如此,被動(dòng)散熱方式在散熱效果上與主動(dòng)散熱依然有較大的差距。所優(yōu)異顯卡鮮有被動(dòng)式散熱。是用被動(dòng)式散熱的唯一目的就是保證顯卡穩(wěn)定工作的同時(shí)——實(shí)現(xiàn)零噪音。
被動(dòng)散熱板的顯卡一般要比普通版本的貴上不少
隨著大型3d高畫質(zhì)游戲的日益普及以及對相應(yīng)硬件的要求上升,顯卡芯片廠商工藝日漸精進(jìn).大功耗,高性能,高熱呢功能的顯卡逐漸普及到了千萬普通玩家的pc里,而顯卡全效率運(yùn)行游戲時(shí)的溫度常常讓玩家驚呼可以煎雞蛋,炸油條,于是動(dòng)手能力強(qiáng)的diyer動(dòng)則花費(fèi)數(shù)百元購置高端散熱器來進(jìn)行散熱改造,這里就改造的注意事項(xiàng)做一說明。
高端散熱器的穿pin技術(shù)、焊接工藝、鰭片厚度密度、使用材料較之廉價(jià)貨均有不小提升。
更換顯卡散熱器需要注意的問題:
1、高端顯卡,核心溫度滿載不超過90度,盡量不要換顯卡,千元以下顯卡盡量選擇一線品牌,散熱器無需更換。
2、更換顯卡 顯卡換散熱器之后不能享受質(zhì)保。
3、顯卡散熱器并非通用,選擇的散熱器散熱能力必須強(qiáng)于原裝,硅膠只是用于填補(bǔ)縫隙,薄薄一層就夠了。
4、散熱器上螺絲用力要均勻,尤其是GPU散熱器的安裝,要對角反復(fù)多次慢慢擰緊,不可一次上緊,以免壓裂芯片造成損壞。
如今的顯卡散熱器五花八門,各種新設(shè)計(jì)、新技術(shù)運(yùn)用在傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱上,讓風(fēng)冷系統(tǒng)依然占據(jù)主流市場。但是面對芯片越來越大的發(fā)熱量,傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)已經(jīng)顯出疲態(tài)。研發(fā)全新的散熱系統(tǒng)成了科研人員重要難題,新的導(dǎo)熱體、新的熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)、新的冷卻劑,或許在不久將來就與各玩家見面。
全套水冷依然是高端DIY玩家的首選
而開放式散熱器多為第三方散熱器廠商提供,從理論上講這種結(jié)構(gòu)的散熱效率強(qiáng)于空間受限的抽氣式散熱器,比如裸機(jī)狀態(tài),差異最為明顯。同時(shí)它們不需要轉(zhuǎn)速溫控就能提供較好的風(fēng)量/靜音比。但因其結(jié)構(gòu)特性,它們通常只能將顯卡發(fā)出的熱量排放在機(jī)箱內(nèi),如果不能及時(shí)將熱量抽出機(jī)箱外,這些熱量又會(huì)反饋到開放式散熱器裸露的鰭片上,形成惡性循環(huán)。因此要在機(jī)箱內(nèi)保持住開放式散熱器的優(yōu)勢其實(shí)并不容易,準(zhǔn)備一款風(fēng)道出色的機(jī)箱至關(guān)重要。
iGame據(jù)稱應(yīng)用的仿生學(xué)原理制造的獨(dú)特顯卡散熱器
造型夸張,貌似離心風(fēng)扇的海螺顯卡
三風(fēng)扇大扇葉巨型散熱器
在顯卡本身同質(zhì)化嚴(yán)重的今天,不少廠商開始致力于散熱器的研究,希望通過對傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì),在外形和性能上有所突破??偠灾?,風(fēng)冷依然是大多數(shù)玩家的通用裝備。
同樣口徑的熱管,彎曲程度越小,傳pin抑或焊接工藝越精細(xì),散熱效果也是大為不同。而噪音的大小和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)緊密:往往安裝了一排大風(fēng)扇的顯卡看似唬人,其實(shí)轉(zhuǎn)速卻可以調(diào)的很低,最后反而噪音控制的比較好?!?/STRONG>
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