来源：SME科技故事
“你功耗高，你发热大”本是一句硬件玩家圈子里针对某个品牌CPU的黑话，没想到今天竟然真的风水轮流转成了另一个品牌的黑料。在电子数码领域高功耗高发热似乎是一个轮回。
随着智能设备的蓬勃发展，对性能的要求越发严苛，让非常多普通人也体会到了功耗和发热的蓬勃发展。
其实这也是半导体发展的一个规律，每当半导体芯片的工艺制程成为瓶颈，想要提高性能最简的方法就是提高频率，而提高频率也伴随着功耗的增加。
另一方面，即便工艺制程有了突破，芯片的发热和功耗得到了缓解，但另一方面，更小的芯片面积也让即便不大的发热更难导出，造成了所谓的积热问题。
芯片制程工艺发展总之，发热和散热是半导体时代永不过时的热门话题，甚至可能是一场我们身边最精彩的技术大战，我们每一个人都可能是这场大战的亲历者。
首先，我们需要明确一个前提，半导体芯片的发热是目前无法彻底解决的问题，我们也不去探讨如何降低功耗和发热，只从半导体散热的角度谈一谈人类为散热科技都做了哪些努力。
首先打开物理课本，看一看传热的三种方式：热传导、热对流、热辐射，我们一种一种来看。
热传导是通过材料微粒的微观碰撞和电子的移动来传递内部能量，我们日常接触得比较多的是固体材料的热传导，比如金属材质的铁锅要比砂锅导热更快，才能实现爆炒。
生活中很多常见的操作都包含传热的三种方式热对流则与流体相关，最简单的例子是用锅烧水，燃气炉产生的热量通过热传导给水加热，锅底的水受热密度变小，向上流动置换掉顶部较冷密度较大的水，如此循环往复就形成了对流，让锅里的水温度趋于均匀，当然这种自然对流需要重力环境。
最后是热辐射，所有温度高于绝对零度的物体都会发出电磁波，是热能到电磁能的转换，白炽灯、取暖用的小太阳这些都是热辐射的典型例子。
小太阳取暖器是热辐射的典型案例传热的三种形式中，热传导和热对流是人类散热科技发展中重点关注的对象，而热辐射虽然无处不在，但在电子元器件散热领域研究得的确较少。
我们以某品牌沿用了9年的原装CPU散热器为经典案例，其包含一个铝制翅片和一个风扇，在翅片主体与CPU顶盖接触的部分涂有导热硅脂。
在它工作时，热量从CPU经导热硅脂传导至铝制翅片，翅片与空气接触，进而形成对流加速散热，风扇的加入则强制空气对流提高散热效率。
整个过程中，热量的流动主要通过热传导和热对流，当然还有无处不在的热辐射，但体量较小在此就忽略不讨论，热量从CPU芯片产生最终散失到空气当中。
经典流传的原装散热器在这个经典的CPU散热系统中，有三个环节可以加强。第一是CPU与金属翅片的接触，通常使用导热硅脂，这是一种具有一定流动性，良好导热性以及良好绝缘性的材料。
硅脂可以填补CPU顶盖与散热器表面微观的不平整，增大实际接触面积。不同的硅脂配方也有不同的性能，一般用导热系数来衡量，体现的是材料本身导热的能力。
导热硅脂具有一定的流动性，良好的导热性和绝缘性为了追求极致，甚至有玩家直接使用导热系数十倍于硅脂的“液态金属”充当导热剂（常见硅脂的导热系数在10W/mK以下，液态金属可以达到70W/mK以上），放弃了更安全的硅脂。
液金导热剂昂贵且不安全然而在实际应用中，导热剂的导热系数并不能真实地反映出热传导的效率，同一种导热剂在不同的几何尺寸下导热的效率也可以天差地别。
因此需要引出一个新的物理量——热阻，当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻。
对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为L/（k*A）。其中L为平板的厚度，A为平板垂直于热流方向的截面积，k为平板材料的热导率。
可以发现，热阻与导热剂的厚度、面积和导热率相关，与前者成正比，与后两者成反比。具体到CPU散热的系统中，提高导热效率的方法除了更换导热系数更高的硅脂外，还可以把硅脂压得更薄，或者对填充界面进行抛光，增大实际的导热面积。
导热硅脂涂得越多越厚导热效果可能越差第二个可加强的环节是散热器导热的金属，一般较为廉价的散热器会采用铝制，一方面铝的金属加工非常成熟，另一方面铝的导热系数达到237 W/mK，是铁的3倍左右。
高端一点的散热器可能会在中心增加铜柱，或者直接使用纯铜的翅片，不过需要考虑到散热器整体的重量，安装后可能会对强度不高主板带来毁灭性打击。
铜基本就是金属翅片的顶配了，其导热系数高达401 W/mK，当然还可以用导热系数429 W/mK的银，但从成本和提升来看是不太实际的。
然而，为了突破金属材料的导热极限，人类开发出了堪称外挂级的散热核心科技——热管，它将散热器的导热系数提升到了“突破天际”的100000 W/mK（无限长度理想状况下，实际工况下也可以达到10000W/mK）。
热管原理示意图热管是如何突破金属材料导热上限的？这里用到了一个很常见的物理现象，液体的相变，即液体蒸发吸热，凝结放热的现象。
一个典型的热管可以分为蒸发段和冷凝段，在蒸发段热管内的液体介质受热蒸发，蒸汽带走热量流向冷凝段，在冷凝段凝结成液体并释放热量，最终液体通过重力、离心力或毛细作用返回到蒸发段，完成循环。
热管横截面结构常见的热管为铜制，外表面可能采用镀镍工艺，热管内壁由毛细多孔材料构成，填充的工作液体通常就是水或酒精，常常会被人讹传为“液冷”或“水冷”，由于移动设备芯片功耗渐涨，这种把热管当水冷的恶心营销也屡见不鲜。
或许你会有疑问，水不是要烧到100℃才会相变蒸发吗？现实中总不可能要芯片温度到100℃热管才开始工作吧？实际上热管内部一般会抽负压，低压状态下水的沸点会变低，随着温度升高，热管内的蒸汽压力变大，沸点又会升高，因此以水为工作液体的热管可以在30~250℃的范围内工作。
热管内部的金属粉末烧结吸液芯在一些工作温度极低的环境中也可以用液氮、液氦等，相反工作温度极高的环境中可以用液态的钾、钠、锂、银等。
比如我国的青藏铁路，为了防止冻土融化，维护铁路路基的稳定性，冻土段铁轨两旁插了“铁棒”，这其实就是一种工作温度较低的热管，内部填充的工作介质是氨，全称为氨-碳钢热虹吸管。
青藏铁路轨道两旁的热管至于前面提到的水冷或液冷，又是另一个新的发明，其原理是通过流动的液体介质（通常也是水）将热量传导至热交换器，最终通过热交换器把热量散到空气中。
从热量流动的起点和终点来看，水冷其实与常见的金属翅片散热器差别不大，但水冷的热对流效率更高，具体取决于水泵的功率和流速，加上水的热容量大，可以让水冷系统有更平稳的温度表现。
另外，水冷系统通过管路相连，热交换器的安装更为灵活，尺寸设计得更大，要比所谓的风冷系统性能更强一些。
360mm规格一体水冷巨大的热交换器和豪华的风扇配置不论过程如何，这些散热器最终都要将热量通过热对流的方式散发到空气中，系统符合所谓的木桶效应，即最薄弱的环节决定了整体的上限。
在热管塔式散热器和水冷散热器中，最薄弱的环节其实是第三个环节，即空气的热对流，而提高这一环节最简单的方法就是增大散热翅片规模，加大风扇的功率。
所以对于CPU散热器而言，顶级的产品往往少不了暴力的风扇，优秀的风扇不仅可以让散热器的上限更好，也可以在同性能下实现更小的噪音。
工业级暴力风扇效果好，但噪音极大以上就是关于典型散热系统中三个环节的强化，可以说是非常简化且不严谨的小科普，只希望能够帮助大家理解过程。
最后，还要说一下另一个被包装成“散热黑科技”的手机冰封背夹风扇，有的号称10秒结霜。实际上这是一种利用珀尔帖效应来制冷的技术，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。
简单来说就是制冷片的一面制冷，相反的一面发热，同时过程中还要额外产生一定的焦耳热，总之发热量大于制冷量。一个小小的手机冰封背夹风扇，功率甚至接近10w，相当于手机芯片的最大功率，其实效率并不高。
某品牌手机冰封背夹散热器的宣传在移动设备上或许不痛不痒，但当爱好者把这种制冷片用于台式机CPU散热时就会发现，除了低负载下的温度极低外，并不比普通的散热系统高效，要达到理想的效果，制冷功率甚至超过了芯片的热功耗，还容易产生冷凝水损害电子元器件，实在有些费力不讨好。
相信每个人都希望用上性能优秀、功耗低、发热小的电子数码设备，但受限于物理规律，它们可能构成了一个不可能三角。
但散热技术是可能有突破的，新的材料、新的发明，意味着新的希望。再不济，也可以期待一下电脑热水器一体机的出现吧。
