重装CPU、GPU时代下的机内散热设计(5)

在PC的世界中，CPU的时脉速度长久以来一直被奉为是评断一台PC性能优劣的第一指标，其次才会去考量硬碟、存储器、绘图单元等其他的功能性。不过，这种由Intel所塑造的「主频崇拜」现象，却也由Intel自己一手打破。

　Intel上任总裁Craig Barrett卸任前，在2004年10月15日对6500位业界高阶人士演讲时，坦诚该公司过去的晶片计画确实走错了方向，除了为此深感愧疚外，更向听众单脚屈膝表示：「请原谅我们。」他承认以时脉速度做为晶片性能评断主要标准的观念已不合时宜，并宣布Intel不会再推出4GHz的Pentium 4处理器。

当时采用90奈米先进制程的Prescott迟迟无法推出市场，正是卡在它的功耗太高，性能却反而不如上一代的Northwood。Prescott Pentium 4产生的功耗动辄超过100W，若时脉真的推出4GHz以上，那耗电量更可能上冲到200W左右，更新一代预定时脉超过5GHz的Tejas和超过6GHz的Nehalem，其耗电量和高热的情况将更难以想像，而这是市场上无法接受的，请参考（图一）。继任的现任总裁Paul Otellini形容这种尴尬的发展瓶颈，就像是一头撞向无解的高功耗硬墙，除了转向另谋出路外，别无它途。这也是Intel转向拥抱多核心架构的所谓「向右转」时代的开始。

　

▲图一：Intel Pentium系列的功耗密度随制程而愈来愈接近核反应炉。


　在应用功能持续升级时，伺服器、PC、笔记型电脑或Tablet PC、Mini PC等电脑家族产品想迴避眼前这座由处理器、硬碟、绘图晶片／绘图显示卡、存储器、电源供应器等所带来的高热量厚墙，必须采取更积极的因应措施。整体来说，可以采用的策略包括：现在见到的双核心／多核心架构，以降低由处理器高时脉带来的高热；透过电源管理技术，以更智能性的省电模式来降低晶片与系统的功耗；以更有效率的散热技术与架构来带出或冷却热量，并同时考量风扇噪音的问题。本文将着重在电脑热管理（Thermal Management）技术上的探讨。

　■热管理策略：散热模组与风扇

　每个晶片在运作时皆会产生耗热，当晶片温度过高时，就很容易造成工作上的误差，甚至会机器当掉，或晶片过热烧掉。以CPU来说，当在室温约35℃时，Intel或AMD会要求CPU的内部不能超过100℃的安全工作范围，而系统厂商会进一步要求以更低的温度为控制规格（如95℃）以确保产品的稳定性。为了达到此目的，就必须对CPU的温度进行监控，并搭配散热片（heat sink）、热导管（Heat Pipe）等传导方式将晶片发出的热带出，再经由风扇将热吹到空气中，最后再经空气的对流将热气带出机壳。

　以传导方式达成的散热作法，称为被动散热方式（Passive Cooling Method），以风扇的强制对流（Forced Convection）方式来带出热量，则属于主动散热方式（Active Cooling Method）。在早期的Pentium时代，由于CPU产生的热量较少，只要利用散热片、片（Fin）和热管的被动散热设计即可解决散热需求；但到了PentiumⅡ时代，无风扇的被动方式已不敷需求，除了低阶电脑外，新一代电脑都得加上风扇才行。到了今日，热量的问题已愈来愈棘手，也迫使散热器和风扇的技术必须不断进步。

　目前常见的散热片是採用高热传导系数的铝（Al）、铜（Cu）所组成，而热管则是藉由液、气相间的相变化（phase change）吸收热量，并以气体分子来传输热量，因此可得到高于铝、铜近50倍的热传导系数，具有更佳的传热效果。此外，在一些伺服器及Apple的PowerMac中也可见到水冷（Liquid cooling）式迴路散热器，但它需要有一个热交换器和一个大风扇。在风扇方面，则可分为轴流式风扇（axial fan）和径流式风扇（radial fan）两大型式，前者用于尺寸较大的PC、伺服器，后者则适用于扁平造型、空间有限的笔记型电脑。

　■新一代架构：从ATX到BTX

　今日的桌上型盒装处理器往往会和散热模组（即散热器加风扇）一起出货，以确保CPU的散热效能。然而，就电脑系统来说，CPU只是其中的一个热源，其他会产生高热的组件／元件还包括硬碟、绘图晶片／绘图卡、存储器和电源供应器等。因此，主机板、设备业者就得从系统机构的整体性角度来看待散热问题，才能提出有效的解决方案。

　目前市场上主流的电脑造型（form factor）架构，还是ATX（Advanced Technology eXpanding），此架构是Intel在十年前提出的，用以替代上一代的AT架构。虽然这些年来ATX也历经了几次的改良，但仍有一些瓶颈难以突破，除了规格上的改朝换代外，如PCI-E 16X取代AGP、DDR2取代DDR、SATA硬碟取代IDE硬碟等，最大的难题还是在于散热和噪音问题，因此Intel近年来开始主推新的BTX（Balanced Technology Extended）架构。

　打开ATX的机壳，可以发现CPU的周围前有存储器、硬碟、光碟机，上方有电源供应器，后有背板输出入介面，可以说是处于被围剿的窘况，再加上风扇的不当配置，造成机壳内的空气对流相当紊乱，CPU的热气很难顺利被排出。即使採用了极佳的散热片和导管，以及转速快的大风扇，但这只会造成热空气在内部滞留循环，冷空气又无法有效进入机壳内，在内部热量的持续累积下，使得目前机壳内的温度普遍高于週边环境达数十度。此外，ATX中为降低温度而採用多颗风扇，以及对CPU等热源採用高速的大风扇，这都会发出扰人的风扇噪音。

　新一代的BTX则对主机板的架构做了全面性的调整与规范。在标准的BTX配置中，CPU散热模组被规划在外头冷空气进入的机壳前方，吹入的冷空气在冷却CPU散热模组的温度后，会再往后一併冷却南北桥晶片与旁边的显示卡温度，再从后方的散热孔排出；电源供应器仍在原来的位置，另配有散热风扇来将其产生的热量及机壳内部的部分余热带到机壳外。请参考（图二）。

　

▲图二：BTX主机板架构的全新配置。



　更仔细来看，BTX将整个机构分成多个容积区域（Volumetric Zones），在主机板部分就区分成四大区域：「CPU区域（Zone A）」、「南北桥、I/O介面（Zone B）」、「存储器、电源区域（Zone C）」、「扩充槽区域（Zone D）」，如（图三）；此外，BTX还对机壳内部的CPU散热器、电源供应器、硬碟、光碟机等元件的规划位置与规格做了相关的规范。在此架构下，虽然只用了CPU散热模组和电源供应器两个主风扇，只要各个元件都安置在所属的容积区域中，并配置相应的散热进出风口，就能产生极佳的内部空气对流，并提供比ATX更佳的散热效益。除了散热效益外，BTX的优势还包括：

　1.支援新的介面线路（如SATA、PCI-Express）、窄板设计。

　2.采用全新的主机板佈局，在电路布线上更具弹性，在安装上也更为简便，也能让主机板的空间利用更有效率。

　3.由于散热效率佳，风扇的转速可以降低，再加上风扇减少的作法，这都能有效降低噪音。

　

▲图三：BTX容积区域作法。



　■散热技术的推陈出新

　除了BTX的新造型规格外，Intel也配套推出了多项新的散热管理相关技术与标准。这些作法包括简单序列传输（Simple Serial Transport；SST）汇流排、数字温度感测器（Digital Thermal Sensor；DTS），以及平台环境式控制介面（Platform Environmental Conrtol Interface；PECI），都被应用在Intel採用双核心运算的核心微架构（Core Microarchitecture）中，简介如下：

　SST在温度感测数据的传送上，过去採用SMBus，但它在使用上有三大缺点，包括传输速度太慢、噪音问题严重以及传送的资讯不够准确。新的SST则针对这些问题做出改善，进而能提供系统等级的温度管理方案，请参考（图四）。

　在传输速度上，SMBus是100Kbps或400Kbps；相较之下，采用单线序列传输协定SST汇流排最大传输速度可达2Mbps（现在的应用速度是1Mbps），最低为2Kbps。在噪音问题上，SMBus的误码率（BER）相当高，容易产生信息损毁（message corruption）；SST针对不同的协定进行整合、改善信息大小，并提出对每个信息封包的讯框检查序列（frame check sequence；FCS）作法，进而有效改善了噪音的状况。

　在资讯的准确性上，SMBus是一个单位元组（single-byte）协定，在每个传送序列的晶片位址和暂存器指标（register pointer）位址资料中，所能接收的承载资料（payload）是一组单位元组的资料。为了改善传输信息的效益，SST让单一信息中具有读写多位元组能力的新协定。

　

▲图四：SST的架构包括MCH、ICH8和温度感测器。



　1. PECI

　PECI是Intel新开发，专门用来报告CPU温度的单线汇流排介面，而不负责沟通电压方面的资讯。它是SST协定的一个子集，传输速度范围也是介于2Kbps∼2Mbps，但指令更为简化，也比SST容易建置。为保证资料的正确性，PECI使用循环冗余校验（Cyclical Redundancy Check；CRC）位元组来进行错误检验。请参考（图五）。

　

▲图五：双核心Xeon 5100系列处理器中的PECI拓朴架构。



　2. DTS

　今日Intel的CPU核心上都安置了两种感测器，一是传统的温度二极管（thermal diode；TD），另一种是新的数字温度感测器（DTS）。DTS具有模拟转数字转换器（ADC），当DTS感测到温度值后会将结果储存在CPU暂存器中，再透过PECI介面将数据资料传送出去，如（图六）。DTS在CPU晶片上位于更佳的位置，虽然它并不正好位于实际的热源（hot spot）上头，因为这样会影响到CPU的运算能力，不过相较于温度二极管来说，它的位置已改善许多。

　

▲图六：双核心Xeon 5100系列处理器的DTS区域。



　■结论

　散热虽然是电脑市场的重大的议题，Intel也为此推出了BTX架构，并预估在今年（2006年）能攻佔一半的市场，但目前看起来，ATX仍是市场的主流架构。回顾历史，PC产业的新造型架构往往需要花上5∼6年才能取得八成以上的市佔率，进而成为主流的架构，但预估BTX可能要花上更多的时间。

　BTX的先期采用者是Dell、HP和Gateway等最大品牌的厂商，但在通路市场还很难未出现，相信还需要一段时间才看得到。Intel一开始时虽然大力推动BTX，但仍同时持续推出ATX造型的主机板。目前BTX较受重视的优势在于它的低噪音表现，因此对于娱乐性和办公室的应用很有吸引力，尤其是超薄型的PC，但它却非唯一的选择。

　在散热技术上，AMD虽然也已基于AMD相容的主机板SuperIO介面的脚位描述而开发出使用两线介面的CPU数字温度计，但在公开资料上仍难看到相关的散热策略或技术。Intel在这方面确实领先不少，已提出上述多项技术标准。预料上AMD将会观望市场的发展，当Intel的规格作法在ODM/OEM的接受度提升到一定程度后，就会跟进。