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TEC:超能課堂(253):風冷、水冷之后,“半導體制冷”能帶來PC散熱的革命嗎?

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Time:1900/1/1 0:00:00

風冷以及水冷,都是大家比較熟悉的散熱模式了。其實大家平時使用的一體式水冷,其部分原理仍舊屬于“風冷”的范疇,不過是散熱器的導熱介質由熱管的“蒸發-凝結”自動循環原理,替換為依靠由水泵電機主動循環帶動的液體傳導,最終所有的熱量還是通過風扇的轉動,形成強制對流,將鰭片或冷排的熱量傳遞到環境中幫助芯片降溫。因此,風冷與水冷散熱器都屬于“被動”的散熱的形式,因為芯片的高溫與環境的低溫所產生的溫差范圍,決定了傳統散熱器作為"熱量的搬運工",最多只能將芯片的溫度降低至接近環境溫度。

隨著人類對于芯片計算能力的不斷追求,越來越多的晶體管被塞入了計算芯片,每一個計算單元的密度都在不斷提高,同時更高的頻率也帶給芯片更高的工作電壓與功耗。可以預見的是,未來數年我們都還將繼續追求提升芯片的計算性能,那么也意味著我們也需要不斷的持續攻克芯片溫度的散熱問題。僅僅依靠現有的“被動散熱”已經有些力不從心,是否需要一種“主動制冷”的新模式出現?

其實關于處理器的散熱模式,一直并不局限于常見的風冷/水冷。為了解決溫度問題,實現某些極端的目標,極客們不斷的嘗試油冷,壓縮機制冷,液氮,干冰等降溫方法。曾經最接近零售市場使用的OCZCRYO-Z系列壓縮機能夠通過相變制冷可以使蒸發器溫度達到-45℃,甚至有國外發燒友通過自制三級壓縮機系統,將溫度降至了-196℃,已相當于液氮的蒸發溫度。但是由于高昂的成本與復雜的使用方式,壓縮機系統是不可能普至到家庭使用。液氮,干冰就更是僅針對極限超頻這一特定目標的特殊手段而已,蒸發/升華速度非常快,只能帶來短時間的極限效能,這些方式并不具備充分的可控性與可復制性。

數據:過去24小時加密市場總成交額超900億美元,增幅72.34%:10月26日消息,據CoinMarketCap數據顯示,過去24小時加密市場總成交額達905.7億美元,增幅為72.34%。此外,過去24小時全球加密市值漲幅為4.99%,達9764.1億美元。[2022/10/26 16:39:13]

那么有沒有一種看上去可控性高,使用簡易,成本低廉的散熱方式,來解決現有處理芯片的高溫問題呢?答案可能還是有的,那就是利用熱電效應原理的的半導體制冷技術。隨著今年11月IntelCryo相關相關的公布,接下也會有采用熱電制冷的民用級散熱器出現在DIY市場中,我們今天就來聊聊有關半導體制冷那些事。

什么是半導體制冷?

要了解半導體制冷這一具體到終端的技術應用,我們需要先了解的一個有關電與熱的基礎原理:熱電效應。

圖片來源:《理化檢驗-物理分冊-熱電材料的應用、研發及性能測試進展》李蒙等著

熱電效應是一個由溫差產生電壓的直接轉換,且反之亦然。簡單的放置一個熱電裝置,當他們的兩端有溫差時會產生一個電壓,而當一個電壓施加于其上,他也會產生一個溫差。這個效應可以用來產生電能、測量溫度,冷卻或加熱物體。因為這個加熱或制冷的方向決定于施加的電壓,熱電裝置讓溫度控制變得非常的容易。

熱電效應并非是一個獨立存在的術語,這個理論包含了三個分別經定義過的效應,分別是:塞貝克效應,帕爾貼效應與湯姆森效應

建設銀行在23個數字人民幣試點城市將優先使用數字人民幣補貼觀眾觀影購票:8月11日消息,國家電影局和中國建設銀行股份有限公司在京簽署關于促進觀影消費的框架合作協議。根據協議,建設銀行將于今年年內投放共計5000萬元用于直接補貼觀眾觀影購票。其中,在23個數字人民幣試點城市將優先使用數字人民幣補貼,其他城市則通過傳統人民幣補貼。廣大電影觀眾可以通過建設銀行手機銀行、建行生活APP等渠道直接享受購票優惠。[2022/8/11 12:18:46]

塞貝克效應

1821年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時,如兩個連接點保持不同的溫差,則在導體中產生一個溫差電動勢:

ES=S.△T

式中:ES為溫差電動勢,S為溫差電動勢率,△T為接點之間的溫差

帕爾貼效應

1834年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的相反效應,即當電流流經兩個不同導體形成的接點時,接點處會產生放熱和吸熱現象,放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

Qл=л.Iл=aTc

式中:Qπ為放熱或吸熱功率π為比例系數,稱為珀爾帖系數,I為工作電流,a為溫差電動勢率,Tc為冷接點溫度

湯姆森效應

英國物理學家威廉·湯姆森于1854年發現,當電流流經存在溫度梯度的導體時,除了由導體電阻產生的焦耳熱之外,導體還要放出或吸收熱量,在溫差為△T的導體兩點之間,其放熱量或吸熱量為:

Qτ=τ.I.△T

式中:Qτ為放熱或吸熱功率,τ為湯姆遜系數,I為工作電流,△T為溫度梯度

通俗的講就是,第一,熱能產生電;第二,電也能讓導體產生溫差;第三,電流在溫差不均勻導體中流過時,還會吸收并釋放一定的熱量,形成高溫放熱與低溫吸熱的狀態。那么我們通過對導體成分的變化以及對電流的控制,便能夠形成各種可控的具體應用,比如熱能發電:可運用于軍事,航天,民用能源等各種領域;熱電制冷:與溫差發電相反,將電能轉化為熱能,制造出溫差電制冷機,由于這種類型的只能裝置無需壓縮機,也無需氟利昂等制冷劑,而且具有結構簡單、體積小、重量輕、作用速度快、可靠性高、壽命長、無噪聲等優點。此外,熱電冷卻不需要像機械制冷那樣不斷填充化學消耗品,沒有活動部件,也就沒有磨損,維護成本很低,同樣適用于軍事,航天,工業及民用制冷需求。我們今天重點要聊的“半導體制冷片”,便是熱電效應在制冷應用中的一種具體裝置形式。

數據:持有100枚以上ETH的地址數量達到15個月高點:金色財經報道,據Glassnode數據,持有100枚以上ETH的地址數量達到15個月高點,數量為45,135。[2022/8/5 12:04:17]

什么是半導體制冷片?

剛才講到的帕爾帖效應自發現100多年來并未獲得實際應用,因為金屬半導體的珀爾帖效應很弱,無法應用于實際。直到上世紀90年代,原蘇聯科學家約飛的研究表明,以碲化鉍為基的化合物是最好的熱電半導體材料,從而出現了實用的半導體電子致冷元件:熱電致冷器。

與傳統的風冷和水冷相比,半導體致冷片具有以下優勢:1.可以把溫度降至室溫以下;2.精確溫控;3.高可靠性;4.沒有工作噪音。

圖片來源:《熱管散熱型半導體冷箱的理論分析及實驗研究》曹志高2010

在TEC制冷片中,半導體通過金屬導流片連接構成回路,當電流由N通過P時,電場使N中的電子和P中的空穴反向流動,他們產生的能量來自晶格的熱能,于是在導流片上吸熱,而在另一端放熱,產生溫差。帕爾帖模塊也稱作熱泵,它既可以用于致熱,也可以致冷。半導體致冷片就是一個熱傳遞工具,只要熱端的溫度高于某溫度,半導體制冷器便開始發揮作用,使得冷熱兩端的溫度逐漸均衡,從而起到致冷作用。能夠運用與PC散熱器的半導體制冷片,便是這樣的原理。TEC散熱片的吸熱端貼近發熱的CPU,給CPU降溫,TEC另外一面進行放熱,其具備無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕等特點,且工作可靠,制冷速度極快,易于進行溫差冷量可控調節。

由跨鏈DeFi平臺Alpha Venture DAO支持的到期期貨協議Contango即將推出:7月12日消息,由跨鏈DeFi平臺Alpha Venture DAO支持的到期期貨協議Contango即將推出,它可提供沒有訂單簿或流動資金池的“到期期貨”(expirable futures),當交易者開倉時,協議會在固定利率市場上借款,在現貨市場上進行兌換交易,然后在固定利率市場上放貸,官方將在幾天后發布關于該協議的詳細文章。[2022/7/12 2:07:52]

聽起來很適合PC芯片這種功耗波動較大的發熱體,而且并不是新的技術,為什么以前廠商并沒有深入嘗試將TEC制冷應用于PC散熱領域呢?

TEC半導體制冷應用于PC散熱的難點

能耗較高

對普通家用PC來說,使用TEC散熱器的能耗比過低。目前半導體制冷系數較小,制冷時消耗的能量遠大于制冷量。比如EK目前公布的EK-QuantumXDeltaTEC水冷頭滿負荷工況功耗為200W,甚至某些情況下超過了它的服務對象CPU。我們的電腦10年主流電源功率為300W,5年前約為400W,如今也不過500W左右,并沒有足夠多的盈余的功率空間留給TEC制冷設備使用。所以除了少部分擁有大功率電源的高端臺式機,TEC散熱器現階段還無法成為主流的PC散熱解決方案。

大功率TEC無法獨立工作

TEC制冷片在工作時,冷端制冷的同時需要在熱端進行有效的散熱,需要散去的熱量包含帕爾貼效應釋放的熱量和制冷片本身的焦耳熱。也就是說,TEC制冷裝置若要進行大功率制冷輸出給CPU散熱的同時,自身也需要被持續散熱,應用在PC領域的話,就是還需要疊加較高性能的水冷來進行TEC制冷片的散熱。所以無論是EK-QuantumXDeltaTEC還是酷冷至尊ML360Sub-Zero,最終呈現的TEC產品均為水冷+TEC制冷裝置融合的產物。

加密領域風險投資資金在6月份再次放緩投資:金色財經消息,據Dove Metrics數據,6月份,加密公司和初創公司共獲得了36.57億美元的風險投資,低于5月份的42.19億美元。4月份,資金總額為68.29億美元。

Jump Crypto投資主管Saurabh Sharma表示,投資者在評估項目時可能會更加謹慎,但該領域將繼續獲得資金。[2022/6/29 1:37:35]

對于壓制高功耗CPU的散熱性能領先幅度存疑

按照目前廠商已公布的數據,EKTEC結合分體式水冷的情況下,最多壓制338W的CPU,酷冷TEC在結合360一體式水冷的情況下,可壓制最大功率為250W的CPU,對比傳統的高性能360水冷散熱器,在面對全核滿載的高功耗處理器的情況下,領先幅度可能沒有想象的大。

工作溫差較大易導致主板元器件結露損壞

空氣中的水分在面對TEC制造的較大溫差環境,在低于室溫的部件位置容易形成結露,需要在處理器周圍設計一定的密封環境,避免結露風險。

需要軟硬件精密無縫配合

CPU運行過程中,頻率與功耗波動較大,需要制冷片的能夠靈敏的針對CPU功耗、溫度進行實時調節,而不是簡單粗暴的“全功率制冷-暫停制冷”模式循環。如果要讓TEC變得智能好用,就需要軟硬件結合的控制系統,從頻率,溫度,濕度,功耗,電壓全方位的進行接管監測。IntelCryo項目的成立,進行各種軟硬件通用標準的建立,就是為了讓這一套完整的TEC制冷方式能夠實現民用化。

成本較高

目前應用于PC領域的TEC半導體散熱器,已知的酷冷至尊ML360Sub-Zero零售價為2999元人民幣,EK-QuantumXDeltaTEC僅分體式水冷頭約合2350元人民幣,在沒有足夠量產的情況下,加之新品新技術溢價,成本一定非常高昂,售價比常規360一體式水冷高出2~3倍。至少在TEC類型散熱器的產品生命周期前端,并不會進入尋常家庭被普遍使用。

TEC半導體制冷應用于PC的優點

制冷溫度可以低于環境溫度甚至低于0度

TEC散熱器能夠產生足夠大的溫差,只要功率足夠,從+90℃到-130℃都可以實現。當CPU功耗處于某個較低的功耗區間時,TEC能讓其內核的溫度低于環境溫度。注意,這種低于環境溫度的情形,并非任何時候民用低功率TEC散熱器都能達成,僅能在CPU低功耗運行的過程中能夠產生低溫。

TEC具備的大溫差制冷特性,能更好解決晶體管密集的工藝下的發熱問題

隨著工藝制程的提升,晶體管密度增加,CPU的核心的封裝DIE面積越來越小,根據熱力學原理,導熱面積越小的情況下,需要更大的溫差來維持熱傳導性能,溫差較小的傳統散熱形式無法解決這個問題。即便CPU功耗并不高,但仍然會嚴重積熱,導致頻率上限過低。但CPU的發展之路注定了晶體管密度還將繼續提升。TEC天然具備較大的溫差屬性,可能是解決小面積高熱量傳導的最佳方案。

TEC散熱器更符合CPU矽晶在工作時的頻率/功耗/電壓/溫度四者關系特性

CPU內核溫度越低,就能在同功耗甚至更低的功耗下,達到更高的頻率,可簡單理解為CPU都是低溫高能,高溫低能的產品。平時大家無法體會到這個特性,是因為性能最強的風冷和水冷都無法做到讓處理器低于室溫,使其內核穩定的停留在到0℃~20℃的穩定溫度區間。打個比方,假如讓一顆CPU的某一個核心運行在5.5GHz的超高頻,在TEC的壓制下,可以將其控制在50℃,50W功耗,1.3V電壓;如果沒有TEC的大溫差制冷,這個核心溫度會急劇提升至90度以上,在高溫下要維持內核的高頻,電壓會提升至1.45V,單核功耗提升至80W,最終導致CPU無法穩定高頻運行。用TEC散熱器,就相當于開啟了一個特別定制的CPU舒適溫區,讓部分核心去沖擊在傳統散熱條件下無法達成的高頻率。

提升普通應用的處理器性能

并非所有程序都能夠很好的利用主機的多核心資源,我們日常辦公,游戲等應用仍然更需要強勁的單核心性能而非多核低頻,因此TEC散熱器能夠幫助用戶便利的達到符合實際應用需求的更高頻率,即便是核心不那么多,也能帶來更好的實際性能。這也是類似于Inteli59600K,Inteli510600K這類少核高頻處理器存在的意義。

可精確智能控制,可批量生產,可控體積的另類超頻工具

TEC散熱器,正因為更符合CPU內核“低溫高能,高溫低能”的工作特性,同時具備可量產,可精確智能調節的屬性,就能夠在某些特定目標下替代不可控且繁瑣的液氮超頻,成為新概念的超頻工具。

TEC半導體制冷應用于PC領域的前景

TEC半導體制冷并非全新技術,這是一位理論概念已存在了100多年,且實際應用于工業,航天,軍事領域已經幾十年的老朋友。從概念上來說,TEC半導體制冷散熱器所具備的優勢特性,的確能夠與PC主機硬件有一個好的結合。假如未來量產后的成本能夠大幅度降低,將這個目前看上去挺神秘的“黑科技”下放到常規的240水冷并適當提升售價,對終端用戶來說,將不僅僅是得到了一個散熱器,它還是一個夠發揮自己獨特屬性,幫用戶提升額外性能的工具。對于這個“外掛”,我們沒理由不期待!

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