當我們在說手機散熱的時候,我們在說什麼

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Tomi Juutilainen Mar 10, 2021
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很早以前就想寫這麼一篇文章了。以前經常遇到和別人討論手機散熱時,爭執了半天,發現雙方說的根本不是同一件事情。故簡單闡述一下手機散熱究竟應該從哪些維度去評價。

1. 手機中的熱

這個問題很容易回答,但也很難回答。在超導材料沒有普及之前,只要有電流的地方都一定會產生熱量。這也意味著手機內部所有元件都在發熱。而發熱量與電流和電阻直接相關,和功率間接的成正相關(和有效功率成正比)。因此大部分情況下我們可以忽略掉很大一部分,僅需要關注 SoC、Modem 和電池即可。這些元件發熱量相對較大,受熱量影響也更大一些。

對於 SoC 來說無論是圖形壓力還是計算壓力,都會導致其功耗上升,發熱量自然也會增大。同時,在架構不變的情況下頻率(理論性能)與功耗也呈正相關的關係,暨頻率越高,功耗也越高。而為了防止 SoC 過熱,系統會根據溫度對 SoC 頻率進行調整,溫度越高,系統會讓 SoC 工作在越低的頻率。

2. 熱力學第一定律

不要感到奇怪——很多人在討論散熱問題的時候都會忽略掉熱力學第一定律。熱力學第一定律是這麼說的:

物體內能的增加等於物體吸收的熱量和對物體所作的功的總和。

當然在散熱問題中可能需要略加變形——

處理器內能的增加等於處理器吸收的電能減去散熱系統導出的熱量的差。

當然這個表述也許並不嚴謹。處理器的電抗成分會將一部分電能轉變為磁能儲存起來,轉換為內能(熱能)的僅有電阻成分。不過這並不影響我們接下來的討論。

根據熱力學第一定律我們可以知道,處理器產生的熱量並不會憑空消失,關鍵的問題在於這些熱量的去處。

3. 散熱系統

這一節我們需要明確兩件事情,散熱系統的功能和目的。

在第二節中我們已經知道,處理器產生的熱量是不會憑空消失的。再高級的散熱系統也只能將這些熱量傳遞出來,而不能直接減少熱量。一個散熱系統唯一的功能便是將熱量從處理器傳遞到其他地方(比如外殼)。在台式機或者更加大型的服務器中,散熱系統還能夠利用比熱容來儲存一部分熱量。不過在手機這個體積中幾乎可以忽略不計。

被散熱系統傳遞出的熱量最終將以輻射、對流的形式擴散的到空氣中。

而散熱系統的目的則不難想像,避免處理器溫度升高觸法系統將頻,來減少使用中出現的卡頓現象。

4. 矛盾

在上一節中曾經提到,熱量最終將以輻射和對流的形式擴散到空氣中。不過這只是理想的情況。在現實中,由於我們需要手持手機,因此還將會有一部分熱量通過熱傳導的形式直接傳遞給用家,也就是主觀上的「手機發燙」。

這一點其實正和很多人的印象相悖——手機發燙並不是散熱不好的象徵,正相反,這其實是散熱系統在正常工作的表現。

想要處理器不積熱,就必然要處理處理器產生的熱量。但這些熱量又不會憑空消失,只能傳遞出來。但這又會導致手機外殼溫度上升,我們主觀上感覺燙手。這便是散熱設計上最大的矛盾點——如何平衡降頻帶來的體驗下降和溫度升高帶來的體驗下降。

5. 打開策

如何解決這個問題,無非從那麼幾方面下手。

從根源上解決問題,讓處理器運行在更低的功耗,便能產生更少的熱量,相對來說外殼的溫度上升也不那麼明顯。這麼做雖然會影響處理器性能,但在一定程度上能夠減少高負載時的降頻,實際使用中不會有偶發性的卡頓發生。

改進散熱系統,讓散熱系統能夠將熱量更加均勻的傳遞給整個外殼,使外殼不會在某局部溫度過高。這麼做無疑是最有效的方法,但後果也很明顯——散熱系統的體積將大幅上升,很難將手機做得輕薄。

於是,有廠商以另一種思路來改進散熱系統。那便是將高溫的部分放到平時手不會握持的地方。摸不到那個地方,那自然也就不會感覺到燙。從出發點來講這也是很聰明的作法,但實際上我們很難找到一個平時手不會摸到的地方——橫向握持時手抓住兩側,而縱向握持時又會摸到中心。無論將高溫點放到哪個地方,都無法保證所有情況下的良好體驗。

最終,有廠商想到,我們可以加速外殼上的對流,讓熱量更快的擴散到空氣中而不是停留在外殼中。於是我們看到了內置風扇的手機。當然其代價也很明顯,它注定無法做到防水,以及在一些極端環境下還不得不考慮灰塵的因素。

6. 未來

很可惜,我並不過度看好手機散熱的未來——能量守恆是注定無法突破的物理極限。現階段無非是將目前已經走的這幾條路走到頭,順便想辦法緩解一些副作用,終究只能通過處理器廠商優化架構和製程來降低發熱量。

不過目前整個散熱系統中還有一個環節尚沒有廠商嘗試進行改進,那便是使用比熱容更大的外殼來儲存散熱系統傳遞來的熱量,而溫度不會明顯上升。當然,這與材料學的發展密不可分,而且還不得不考慮作為手機外殼所需要的其他特性,比如密度強度等等。

總之,本文的核心觀點便在於,任何散熱系統都不可能突破熱力學第一定律的限制。當廠商將他們的散熱系統描述的仿佛能讓熱量憑空消失的時候,消費者只需要當作將他們號稱發明了永動機即可。個人的角度來講,我歡迎消費者主動杯葛這類廠商。當然,是否購買是您的自由,但至少希望您能夠在瞭解這些客觀事實以後再做決定。

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