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爱上“毒药”蓝宝3870真空腔均热解析(一)

晨怡热管 2008-10-22 17:31:54

显卡散热介质革命 蓝宝3870 TOXIC新品

随着半导体工艺制程的改进,显卡核心晶体管数量呈几何级增长,核心频率与显存频率也在不断攀升,如此高的集成度必然带来了发热量的增加。为了解决这些问题,显卡都会采用必要的散热方式。尤其对于超频爱好者和需要长时间工作的用户,优秀的散热方式是选择一款显卡的重要因素之一。

  众所周知,蓝宝(Sapphhire)作为AMD-ATI全球最大的合作伙伴,在显卡散热上拥有相当的造诣,众多高性能静音冷却解决方案在全球玩家中备受赞誉。作为显卡散热领域的一代宗师,每一次散热技术的改良,蓝宝都走在了众多显卡厂商前面,旗下的“ULTIMATE”、“TOXIC”系列曾留给我们很多经典的回忆。

  Radeon HD 2900XT是一代寿命短暂的高端产品,AIB厂商也没有再其上多花心思。但到了RV670核心则就不同了,这款可塑性极强的芯片,可以衍生出HD 3870 X2、HD 3870/3850、HD 3690多种型号。


蓝宝HD3870 TOXIC(“毒药”)

  蓝宝在今年的Cebit 2008发布了HD 3870 ATOMIC、HD3870 TOXIC(“毒药”)两款型号。上周,这款显卡走进了小熊在线评测室。“ TOXIC”系列的再度出山,是不是预示着新一代改良的散热技术又要闪亮登场了呢?

  接下来,笔者将带着大家一起走入历史,再次追溯“Sapphire”这个品牌曾经留在每个玩家记忆深处的经典型号,也从一个侧面来回顾一下近几年来显卡散热技术方面的革新里程:

9800PRO/XT Ultimate——首家引入热管

  在热导管散热技术出现之前,或者说是热导管技术应用于PC配件散热之前,工程师传统的散热思路是选用传导热性能更好的铜金属以及增大散热片面积,这个思路面临的问题是会导致产品成本居高不下,巨大的散热器加在显卡上,还造成头重脚轻的感觉。另一个设计思路就是提高转速、增大风扇的风量,但这不可避免会带来噪音的升高。

  因此,有效地缩减散热器体积,同时提高散热介质地热传导效率,成为工程师们改良的重点。于是,热管作为一种导热性能更佳的散热技术就出现了处理器、显卡散热器上。热管技术最早是1963年在美国的LosAlamos国家实验室中诞生的,其发明人是G.M.Grover。


热导管内部构造

  热管一般是由管壳、吸液芯和端盖三个部分组成。将管内抽至较高的真空度后充以适量的工作流体,使得紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管有两端,分别为蒸发端(加热端)和冷凝端(散热端),两端之间间根据需要采取绝热措施。当热管的一端受热时(即两端出现温差时),毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体,液体再沿多孔材料依靠毛细作用流回蒸发端。如此循环不已,热量得以沿热管迅速传递。由于蒸发——冷凝的传热过程中,管内工作流体处于饱和状态,因此热管几乎是在等温下传递热量。

热管传热主要包含了6个相互关联的过程:
  (1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到(液-汽)分界面;
  (2)液体在蒸发段内的(液-汽)分界面上蒸发;
  (3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段;
  (4)蒸汽在冷凝段内的汽.液分界面上凝结:
  (5)热量从(汽-液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源:
  (6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。


热管导热原理

  热管具有极高的导热性、良好的等温性,冷热两侧的传热面积可任意改变,可远距离传热、可控制温度等优点。与传统的金属热传导散热器来说,热管的导热效率无疑更高。

  在显卡领域,蓝宝是第一家引入热导管散热器的厂商,从Radeon 9700 Pro时代,蓝宝(Sapphire)配备两块巨大散热片和导热管的终极版(Ultimate Edition )显卡开始确立它独特的定位。终极版显卡号称带来了“超级的静音体验”,以降低显卡运行噪音为终极目标,终极版显卡的另一大卖点在于它优良的超频血统。

  当时的ATI旗舰型号9800XT采用了台积电0.13微米(TSMC 130nm)工艺,核心代号R360,内部集成了1.07亿个晶体管数量,发热量相当恐怖。蓝宝适时推出了这款Radeon 9800XT终极版(Ultimate Edition )显卡,其采用了韩国思民(Zalman)推出的ZM80C-HP散热器。显卡顶上安装了一把大口径"S"字型的ZM-OP1 2500rpm风扇,让9800XT在全速运行时也能时刻保持安静,当然它的价格也是不菲的,显卡售价高达499元美金以上。


蓝宝Radeon 9800XT Ultimate Edition

  这款散热器采用了单条铜质导热管,从GPU核心处引出到背面的大面积散热片上,加快热量的传导和散发。蓝宝Radeon 9800XT Ultimate Edition成为当时全球无数玩家梦寐以求的一代顶级旗舰显卡!以现在的眼光来看,蓝宝Radeon 9800XT Ultimate Edition这种将风扇横置的设计是非常丑陋的,而且还得为其预留巨大的机箱空间。

  不过现在热管散热器已经成为市面上一些高端PC散热的主流配置部件,随着技术不断成熟和大规模的生产应用,热导管的价格也越来越容易接受。

X700PRO TOXIC——首家引入导流式双槽涡轮

  按照热功学原理,目前显卡的散热方式分为两类,一类是轴流式散热,另一类是风道导流式散热。其中轴流式散热是最常见的散热方式,这种散热方式类似于CPU散热器的散热方式,主要靠采用高导热系数的大面积金属材质散热器来实现散热。

  此外,厂商还会为散热器配置散热风扇,散热风扇会按电机轴向吸收空气并吹到散热片上,从而达到高效率散热的目的。不过,这种方式散发出的热量最终还是要排放到机箱内,对机箱自身的散热系统提出了较高的要求,当机箱散热效果不佳的时候,显卡散热效率也将会大打折扣。

  为了应付90nm工艺PD系列处理器的高功耗,Intel提出了38°C机箱的概念和工业标准,特别是在机箱正对CPU位置增加了进风口,起到导流散热的作用。与CPU处理器并称为机箱内两大发热大户显卡,如果采用类似的风道式散热对GPU散热也会有立竿见影的作用。

  在2005当年的CES展会上,蓝宝出人意料地推出了一款型号为Radeon X700 PRO Toxic的新款显卡。这款X700 Pro TOXIC使用了类似AC Cooler的散热器产品,硕大的双槽涡轮风扇竟然超过X700 Pro PCB的长度,给人一种说不出来的感觉。


蓝宝X700 PRO Toxic

  X700 PRO Toxic这种侧吹式的导流式散热器外形与轴流式有些相似,但其散热效果却是轴流式散热系统不可比拟的。散热片收集的热量可以通过显卡自身的专用导流风道直接排到机箱的外部,既保证了显卡的散热效果,又不为机箱增加额外的热负荷。


蓝宝X800 PRO Toxic

  同时期,蓝宝还有一款X800 PRO TOXIC型号。由于其夸张的造型,网友们形象地将双槽涡轮散热器称其为“鼓风机”,但有过使用经验的玩家会知道,这种低转速的散热器在噪音控制方面其实是非常出色的。

  后来,双槽导流涡轮散热器引来各大厂商竞相模仿,现在成为所有ATI高端显卡、以及部分NVIDIA高端显卡的标配之一,其中发扬光大的的是HIS“Ice -cool”冰酷系列显卡。

X800XL ULTIMATE——思民扇形的推广

  随着GDDR3显存频率的提升,供电元件,特别是MOS管和电容,长期工作在高温下,使用寿命大打折扣。导流式双槽涡轮散热器由于成本高昂,注定其只能应用在高端显卡身上。业界普遍呼唤一种低成本、高效率的散热方式。


蓝宝X800XL ULTIMATE终极版

  在CPU超频散热领域备受好评的扇形散热器,也引起了显卡厂商的关注。有关这种扇形散热器的专利权所属,还曾引起了韩国思民(Zalman)与国内超频三(PC cooler)两家厂商的对簿公堂,究竟有否侵犯专利以及最后的诉讼结果,均不属于本文的讨论之列。但从这个角度也可以看出,这种铜铝挤压工艺的的扇形散热器,在刚进入显卡领域时有多么受欢迎。在当时的ATI阵营中,蓝宝第一个将思民扇型散热器引入进来,推出了一款X800XL ULTIMATE终极版。不过由于Radeon X700/X800系列不支持当时的DX 9.0c,X800XL很快就淡出了玩家们的视线。

  其实说起思民的扇形散热器,大家更多的会想起NVIDIA经典的一代中端型号,Geforce 6600GT 128M,它才是人让这种扇形散热器大规模普及起来,国内影驰显卡也是第一个在其6600GT骨灰玩家版上使用了。

X1950XTX TOXIC——水冷的先行者

  R580是ATI并入AMD之前的谢幕之作,它的核心晶体管数量已经达到了令人咂舌的3.8亿,是R520的1.2倍,G70的1.26倍,这也让Radeon X1950XTX成为一个功耗和发热量巨大的怪兽级产品。

  曾经站在第一线参加R580评测的媒体编辑们一定还会记得,Radeon X1950XTX 3D满载时的轰鸣声和能烫伤手的PCI挡板,绝不是玩家们所能接受的。为此,蓝宝决定首家以Thermaltake Tidewater的定制水冷散热系统,替代了ATI公版惯用的红色涡轮风扇。


蓝宝X1950XTX TOXIC硕大的包装令人浮想联翩

  蓝宝这套水冷散热系统由纯铜水冷散热块、一体式液冷散热器和散热风扇组成,带UV效果的冷却剂循环通过功能强大的12V低噪微型泵推动,热量则通过集成的蓝色透明LED风扇抽出,整体除了拥有静音和超凡的散热效能外还有极COOL的灯光效果。


蓝宝X1950XTX TOXIC

  水冷散热器上采用温控调整风扇,在散热效果与静音之间取得很好的平衡点。散热器提供静音和高效两种工作模式,静音模式下风扇转速2000 RPM,噪音水平18dBA,而高效模式下风扇的转速可达2500 RPM,噪音水平也提高到26dBA。因此这一水冷方式更适合发烧DIY超频玩家使用。

  除了提供全新的水冷系统解决方案,蓝宝还对X1950XTX TOXIC 和X1950 TOXIC CrossFire Edition显卡做了超频处理,从而将核心频率从原来的650MHz提高至695MHz,而显存频率则保持1000MHz不变,打造成当时最强的DX 9.0C顶级Crossfire平台。


七彩虹X1950XTX液冷版

  当时国内显卡厂商七彩虹也推出一款Radeon X1950XTX液冷版的象征性产品。

HD3870 ATOMIC/Toxic——Vapor-X真空腔均热板

  时光回到现在的DX10显卡身上。进入2007年以来,65nm已经成为主流的工艺制程,更先进的55nm、45nm也在开始起步。三雄中的Intel 45nm的移动版处理器今年上半年已经开始出货,AMD图形显卡产品线也由65nm全线过渡到55nm阶段,只有NVIDIA稍显步履蹒跚,Geforce 9系列GPU尚停留在65nm制程上。

  55nm、45nm对芯片的影响是非常重要的,它可以大大降低芯片能耗,同时芯片中可集成更多的晶体管。以Intel Penryn为例,45nm芯片的密度是65nm芯片的两倍(即相同面积集成两倍的晶体管数量)。采用45纳米生产工艺后,单位面积上放置两倍数量的晶体管开关速度提高了20%,同时功耗降低三成,但是,相对单位体积散发出来的热量也以等比级数提高。

  新一代的工艺势必将给显卡GPU芯片散热带来了严峻的挑战,在NVIDIA、AMD下一代45nm GPU登场之前,如何在单位时间内将等比级的热量从越来越小的GPU芯片表面散发出去,加快散热介质的热传导效率同时降低散热介质的热阻值,就成为整个业界持续研究的方向。这次,蓝宝再次先人一步,率先发布了HD3870 TOXIC显卡,带着Vapor-X真空腔均热板技术出现在广大玩家面前。


蓝宝HD3870 ATOMIC


蓝宝HD3870 TOXIC

  与HD3870 ATOMIC相比,TOXIC版本无论在PCB用料、显卡包装的豪华程度上都有所削减,但保留了共同的散热技术——Vapor-X真空腔均热板技术。

Vapor Chamber真空腔均热板原理解析

  与本文前面介绍热导管技术相比,Vapor Chamber真空腔均热板原理与理论架构是相同的,只有热传导的方式不相同,热管的热传导方式是一维的,是线的热传导方式,而Vapor-X所用的均热板的热传导方式是二维的,是面的热传导方式。它以真空腔体内热超导介质的蒸发热快速均匀散布到低温处冷凝,再由腔体内之毛细结构回流至热源,几近超音波速度做动中重复蒸发、冷凝的动作,把大量的热能在极短的时间内排出,一个50cm2, 6mm厚的真空均温板Heat Flux热传密度可达115W/cm2 。

蓝宝Vapor-X Technology原理:


r均热板技术工作原理图

  显卡核心Heating①,产生热能通过大面积均热板迅速吸收和传导,使封装的介质开始由液体转化为气体,通过②蒸发区将热能带出。③气态介质膨胀至整个真空腔,将带出的热能迅速传导到整个封装的铜内腔体中并传导到铝鳍片上。④铝鳍片的热能经过风扇强制对流冷却后, 使工质失去热能冷却,变化为液态通过内腔管壁毛细作用⑤回流到底部②蒸发区,回流到底部后又吸收到新的热能,并再度气化将热带出, 形成一个循环。


铜底座时热量聚积在中心点,而均热板能全面均匀热流分布,提高热交换效率(图示)

  根据蓝宝资料显示,Vapor-X所用的均热板材料具备非常低的热阻值,只为铜的50%,可以让芯片热量消散的速度更快,同时具备更高的热传递性,基本是铜的2倍,热量从核心传递到鳍片的速度更快,单位时间内的热交换率提高。


蓝宝HD3870 Toxic所用铜质真空均热板

  蓝宝HD3870 Toxic所用的均热板面积相对小和对精度要求极高,对真空腔的制造工艺和良率要求十分苛刻,因此目前产能相当低,成本也高出不少。

  国外hexus.tv网站也有一段讲解Vapor技术原理的视频,地址在这里:点击进入。E文好的朋友可以去看看。

  Vapor Chamber真空腔均热板比纯铜基板具有更好的热扩散性能,特别适合于大功率的CPU、GPU的使用。根据奥古斯丁科技股份有限公司的一份有关“真空均热板”的专业报告指出,真空均温板技术将会在未来的短期内完全取代传统散热组件,在往后的20年成为散热组件的主流。

HD3870 Toxic拆解


供电电压为+12伏,电流为0.35A

  拆去散热片上面的盖板可以看到,散热片为铜铝结合工艺,鳍片开齿非常密集。


圆形小焊点为真空均热板的标志

 

责任编辑: banye 参与评论
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