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超能课堂(293):为什么第12代酷睿处理器的顶盖变大又变厚了?

发布人:超能网时间:2021-11-17来源:工程师

英特尔第12代酷睿桌面处理器已经发售一周的时间,相信大家通过各种评测文章都已经对于新一代的CPU已经有了比较深入的了解。从外观上说,这次第12代酷睿处理器最大的变化就是从之前的正方形变为了长方形,其金属顶盖也因此而改变了尺寸,与散热器的接触面从第11代酷睿处理器的31.6*27.65mm增大到38.25*28.25mm,相当于增加了24%的散热面积,而且金属顶盖的厚度也有所增加,提升到了3.3mm的水平。

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那为什么第12代酷睿处理器会有这样的改变呢?有同学可能会下意识认为,这是因为以前的设计没有足有的空间放下新CPU的核心,然而根据资料显示,第11代酷睿处理器所用的顶盖并非覆盖不了第十二代酷睿处理器的核心,以目前最顶端的酷睿i9-12900K来说,其内部的封装尺寸是10.5*20.5mm,实际上比11代酷睿处理器核心封装的11.5*24mm还要更小一些,因此12代酷睿处理器之所以换用尺寸更大的金属顶盖,显然不是因为尺寸不适用。那具体是什么因此促使12代酷睿处理器作出如此变化呢?这就需要从CPU金属顶盖的作用说起了。

CPU的金属顶盖到底有什么用?

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CPU核心曾采用外露设计

在我们的超能课堂文章《超能课堂(256):CPU顶盖之变迁》中其实已经给大家简单讲过CPU顶盖的变化以及CPU顶盖的作用,实际上CPU顶盖一直存在,只是以前是CPU核心的外部封装直接作为顶盖使用,即便是核心外露的CPU,其表面也会有一层经过打磨的封装,才可以直接往上面装散热器进行直接散热。只是这个外露封装的面积实在太小了,而发热量却随着核心规模的提升的快速上涨,散热器特别是风冷散热器体积和重量也随之增大,扣具给CPU施加的压力也是越来越大,核心被散热器压碎的几率也就越来越高。

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在这种情况下,我们现在看到的CPU金属顶盖就应运而生了。现在的CPU在外部结构上其实与2000年前后的产品并无太大差异,核心依然是直接放在基板上,不再进行整体封装处理,只是核心的上面追加了金属顶盖,其与核心之间有一个导热介质,可以吸收核心的热量,再传递到散热器上面。而散热器的安装压力也不再直接施加到核心上,而是通过金属顶盖均匀地释放到基板上,使得CPU基本不会出现被散热器压坏的尴尬。

然而追加CPU顶盖后,不可否认确实在散热效能上会比直接在内核上装散热器要弱一些,毕竟热量的行程从“核心-介质-散热器”变成了“核心-介质-顶盖-介质-散热器”,也就说热量从CPU核心传到散热器上的阻力就更大了。那么有没有什么方法可以弥补加装顶盖后所增加的热阻呢?把金属顶盖变大、变厚就是CPU厂商给出的答案。更大更厚的金属顶盖不仅可以承担更高的散热器安装压力,同时还可以有效加强CPU的散热效能。

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目前我们熟知的CPU散热流程,实际上是存在两个散热系统的。首先是顶盖为CPU核心进行散热,然后才是散热器为顶盖散热。我们先来看第一部分,也就是CPU与顶盖之间的散热。以酷睿i9-12900K为例,其满载功耗在235W左右,核心面积则为10.5mm*20.5mm=215.25mm2,相当于功率密度为1.09W/mm2,而酷睿i9-11900K在相同负载下的满载功耗为255W,核心面积则为11.5mm*24mm=276mm2,相当于功率密度为0.92W/mm2,显然酷睿i9-12900K的功率密度要更高一些,也就意味着在单位面积里酷睿i9-12900K的发热其实要更高一些。

倘若我们不安装CPU散热器,那么通过热传感图像我们可以看到,CPU在通电开机后马上就进入到发热的状态,顶盖的温度会随之升高,但整个顶盖并不是每一个位置都同步升温,大体上是从中部温度更高,而后热量向顶盖四周迅速扩散,但中心位置的温度始终都会略高一些,因为这个位置就是一直发热的CPU核心,金属顶盖的传热速度虽然快,但与核心的发热速度相比仍然要低得多,因此在坚持1分钟左右后,CPU就过热自动断电了。

因此想要让CPU核心的温度降下来,首先要做的就是增强金属顶盖的散热能力。在热力学中,传热速率的方程式为Q=KAΔt,其中K为总传热系数,A为传热面积,Δt为温度差,显然提高K、A,Δt中的任何值,均可强化传热过程,提升传热速率。在CPU核心与金属顶盖的散热系统中,传热面积就相当于CPU核心的面积,这部分要改变基本上不可能,总传热系数K则相当于核心与金属顶盖之间导热介质的效能,因此从第9代酷睿处理器开始,英特尔就是用了钎焊工艺来代替导热硅脂,就相当于是提升了传热系数,使得热量可以更快地从核心传输到金属顶盖上。

而要改变Δt温度差,对于金属顶盖来说减缓自身温度的上升,使自己可以与核心保持足够的温差。根据公式Q=cm△t,物体升温所需要吸收的热量与比热容、质量和温差有关,也就是说同等物质在上升同等温度的情况下,质量越高所需要吸收的热量就越高,这也就意味着更大、更厚的金属顶盖,确实可以在保持一定温差的情况下,吸收更多的核心热量。

然而顶盖的体积不可能无限做大,毕竟这会让CPU的重量和体积彻底失控。因此为了让金属顶盖可以维持对CPU核心的散热效能,CPU散热器就必须让CPU顶盖可以一直维持清凉,是其保证与CPU核心存在足够的温度差,这个才是当今CPU散热器的真正作用。

散热器是如何辅助顶盖进行散热的?

在完整的CPU散热系统中,CPU核心的热量在传输到顶盖上之后会有两条传播途径,一部分是被CPU散热器吸收,另一部分是传递到顶盖的其他位置,这个过程同样要遵守传热速率方程式为Q=KAΔt,而在这里传热系数的影响会比较大,因为金属顶盖的材质主要是铜,导热系数高达400W/mK,而顶盖与散热器之间的导热系数则基本是由介质也就是硅脂决定,好一点的硅脂也不过是15W/mK的水准,两者差异巨大。

因此CPU核心的热量传输到顶盖之后,不仅会被散热器吸收,而且还会迅速传递到CPU顶盖四周,在加上顶盖升温所需要吸收的热量也要比散热器升温所需要的少,因此顶盖温度与CPU核心的温差不会很大,但温度远远高于散热器的温度。此时CPU散热器对顶盖的散热将继续遵循热速率方程式为Q=KAΔt,因此持续降低散热器本身的温度、增大散热器与CPU顶盖的有效接触面积、换用性能更好的硅脂都可以增强散热效能。

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为了配合12代酷睿处理的设计,新一代的散热器底部面积可能会更大

因此现在第12代酷睿处理器的顶盖面积更大,散热器的底座也需要作出相应的改变,必须要做到可以完全且有效覆盖CPU顶盖。所以在第12代酷睿处理器发布的同时,不少散热厂商除了提供LGA1700的专用扣具外,也有不少散热器可能要进行重新设计来针对12代酷睿处理器进行优化,某种意义上说也是散热器厂商的一次竞争机遇。

更大更厚的顶盖对于12代酷睿CPU是必要的吗?

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其实单纯地将金属顶盖变大变厚,能直接给核心带来的散热效能提升是比较有限的,但是顶盖面积变大之后,其与散热器之间的散热效能提升更为明显,间接地也就提升了CPU内核与顶盖之间的散热效率,从而使得整个散热系统有了更高的效能。因此第12代酷睿处理器的顶盖改变肯定是有必要的,为了能让CPU变得更为清凉,英特尔确实已经下了一番功夫。

至于接下来的如何进一步为CPU降温,这就是各大散热器厂商所需要做的工作了,可以预见在未来的一段时间里,我们会看到各种各样为第12代酷睿处理器所优化的散热器产品,或许那个时候才是入手第12代酷睿处理器的更佳时机。

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关键词: 芯片

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