Intel向右轉　新世代散熱技術應運而生
在PC的世界中，CPU的時脈速度長久以來一直被奉為是評斷一臺PC性能優(yōu)劣的第一指標，其次才會去考量硬碟、存儲器、繪圖單元等其它的功能性。不過，這種由Intel所塑造的「時脈崇拜」現(xiàn)象，卻也由Intel自己一手打破。

　Intel上任總裁Craig Barrett卸任前，在2004年10月15日對6500位業(yè)界高階人士演講時，坦誠該公司過去的芯片計畫確實走錯了方向，除了為此深感愧疚外，更向聽眾單腳屈膝表示：「請原諒我們。」他承認以時脈速度做為芯片性能評斷主要標準的觀念已不合時宜，并宣布Intel不會再推出4GHz的Pentium 4處理器。


　當時采用90奈米先進制程的Prescott遲遲無法推出市場，正是卡在它的功耗太高，性能卻反而不如上一代的Northwood。Prescott Pentium 4產生的功耗動輒超過100W，若時脈真的推出4GHz以上，那耗電量更可能上沖到200W左右，更新一代預定時脈超過5GHz的Tejas和超過6GHz的Nehalem，其耗電量和高熱的情況將更難以想象，而這是市場上無法接受的，請參考（圖一）。繼任的現(xiàn)任總裁Paul Otellini形容這種尷尬的發(fā)展瓶頸，就象是一頭撞向無解的高功耗硬墻，除了轉向另謀出路外，別無它途。這也是Intel轉向擁抱多核心架構的所謂「向右轉」時代的開始。

　　在應用功能持續(xù)升級時，服務器、PC、筆記型計算機或Tablet PC、Mini PC等計算機家族產品想回避眼前這座由處理器、硬碟、繪圖芯片／繪圖顯示卡、存儲器、電源供應器等所帶來的高熱量厚墻，必須采取更積極的因應措施。整體來說，可以采用的策略包括：現(xiàn)在見到的雙核心／多核心架構，以降低由處理器高時脈帶來的高熱；透過電源管理技術，以更智能性的省電模式來降低芯片與系統(tǒng)的功耗；以更有效率的散熱技術與架構來帶出或冷卻熱量，并同時考量風扇噪音的問題。本文將著重在計算機熱管理（Thermal Management）技術上的探討。

　■熱管理策略：散熱模塊與風扇

　每個芯片在運作時皆會產生耗熱，當芯片溫度過高時，就很容易造成工作上的誤差，甚至會機器當?shù)簦蛐酒^熱燒掉。以CPU來說，當在室溫約35℃時，Intel或AMD會要求CPU的內部不能超過100℃的安全工作范圍，而系統(tǒng)廠商會進一步要求以更低的溫度為控制規(guī)格（如95℃）以確保產品的穩(wěn)定性。為了達到此目的，就必須對CPU的溫度進行監(jiān)控，并搭配散熱片（heat sink）、熱導管（Heat Pipe）等傳導方式將芯片發(fā)出的熱帶出，再經(jīng)由風扇將熱吹到空氣中，最后再經(jīng)空氣的對流將熱氣帶出機殼。

　以傳導方式達成的散熱作法，稱為被動散熱方式（Passive Cooling Method），以風扇的強制對流（Forced Convection）方式來帶出熱量，則屬于主動散熱方式（Active Cooling Method）。在早期的Pentium時代，由于CPU產生的熱量較少，只要利用散熱片、片（Fin）和熱管的被動散熱設計即可解決散熱需求；但到了PentiumⅡ時代，無風扇的被動方式已不敷需求，除了低階計算機外，新一代計算機都得加上風扇才行。到了今日，熱量的問題已愈來愈棘手，也迫使散熱器和風扇的技術必須不斷進步。

　目前常見的散熱片是采用高熱傳導系數(shù)的鋁（Al）、銅（Cu）所組成，而熱管則是藉由液、氣相間的相變化（phase change）吸收熱量，并以氣體分子來傳輸熱量，因此可得到高于鋁、銅近50倍的熱傳導系數(shù)，具有更佳的傳熱效果。此外，在一些服務器及Apple的PowerMac中也可見到水冷（Liquid cooling）式回路散熱器，但它需要有一個熱交換器和一個大風扇。在風扇方面，則可分為軸流式風扇（axial fan）和徑流式風扇（radial fan）兩大型式，前者用于尺寸較大的PC、服務器，后者則適用于扁平造型、空間有限的筆記型計算機。

　■新一代架構：從ATX到BTX

　今日的桌上型盒裝處理器往往會和散熱模塊（即散熱器加風扇）一起出貨，以確保CPU的散熱效能。然而，就計算機系統(tǒng)來說，CPU只是其中的一個熱源，其它會產生高熱的組件／元件還包括硬碟、繪圖芯片／繪圖卡、存儲器和電源供應器等。因此，主機板、設備業(yè)者就得從系統(tǒng)機構的整體性角度來看待散熱問題，才能提出有效的解決方案。

　目前市場上主流的計算機造型（form factor）架構，還是ATX（Advanced Technology eXpanding），此架構是Intel在十年前提出的，用以替代上一代的AT架構。雖然這些年來ATX也歷經(jīng)了幾次的改良，但仍有一些瓶頸難以突破，除了規(guī)格上的改朝換代外，如PCI-E 16X取代AGP、DDR2取代DDR、SATA硬碟取代IDE硬碟等，最大的難題還是在于散熱和噪音問題，因此Intel近年來開始主推新的BTX（Balanced Technology Extended）架構。

　打開ATX的機殼，可以發(fā)現(xiàn)CPU的周圍前有存儲器、硬碟、光驅，上方有電源供應器，后有背板輸出入界面，可以說是處于被圍剿的窘?jīng)r，再加上風扇的不當配置，造成機殼內的空氣對流相當紊亂，CPU的熱氣很難順利被排出。即使采用了極佳的散熱片和導管，以及轉速快的大風扇，但這只會造成熱空氣在內部滯留循環(huán)，冷空氣又無法有效進入機殼內，在內部熱量的持續(xù)累積下，使得目前機殼內的溫度普遍高于外圍環(huán)境達數(shù)十度。此外，ATX中為降低溫度而采用多顆風扇，以及對CPU等熱源采用高速的大風扇，這都會發(fā)出擾人的風扇噪音。

　新一代的BTX則對主機板的架構做了全面性的調整與規(guī)范。在標準的BTX配置中，CPU散熱模塊被規(guī)劃在外頭冷空氣進入的機殼前方，吹入的冷空氣在冷卻CPU散熱模塊的溫度后，會再往后一并冷卻南北橋芯片與旁邊的顯示卡溫度，再從后方的散熱孔排出；電源供應器仍在原來的位置，另配有散熱風扇來將其產生的熱量及機殼內部的部分余熱帶到機殼外。請參考（圖二）。

　

▲圖二：BTX主機板架構的全新配置。（資料來源：Intel）

　更仔細來看，BTX將整個機構分成多個容積區(qū)域（Volumetric Zones），在主機板部分就區(qū)分成四大區(qū)域：「CPU區(qū)域（Zone A）」、「南北橋、I/O界面（Zone B）」、「存儲器、電源區(qū)域（Zone C）」、「擴充槽區(qū)域（Zone D）」，如（圖三）；此外，BTX還對機殼內部的CPU散熱器、電源供應器、硬碟、光驅等元件的規(guī)劃位置與規(guī)格做了相關的規(guī)范。在此架構下，雖然只用了CPU散熱模塊和電源供應器兩個主風扇，只要各個元件都安置在所屬的容積區(qū)域中，并配置相應的散熱進出風口，就能產生極佳的內部空氣對流，并提供比ATX更佳的散熱效益。除了散熱效益外，BTX的優(yōu)勢還包括：

　1.支持新的界面線路（如SATA、PCI-Express）、窄板設計。

　2.采用全新的主機板布局，在電路布線上更具彈性，在安裝上也更為簡便，也能讓主機板的空間利用更有效率。

　3.由于散熱效率佳，風扇的轉速可以降低，再加上風扇減少的作法，這都能有效降低噪音。

　

▲圖三：BTX容積區(qū)域作法。（資料來源：Intel）

　■散熱技術的推陳出新

　除了BTX的新造型規(guī)格外，Intel也配套推出了多項新的散熱管理相關技術與標準。這些作法包括簡單序列傳輸（Simple Serial Transport；SST）匯流排、數(shù)碼溫度傳感器（Digital Thermal Sensor；DTS），以及平臺環(huán)境式控制界面（Platform Environmental Conrtol Interface；PECI），都被應用在Intel采用雙核心運算的核心微架構（Core Microarchitecture）中，簡介如下：

　SST在溫度感測數(shù)據(jù)的傳送上，過去采用SMBus，但它在使用上有三大缺點，包括傳輸速度太慢、噪訊問題嚴重以及傳送的信息不夠準確。新的SST則針對這些問題做出改善，進而能提供系統(tǒng)等級的溫度管理方案，請參考（圖四）。

　在傳輸速度上，SMBus是100Kbps或400Kbps；相較之下，采用單線序列傳輸協(xié)定SST匯流排最大傳輸速度可達2Mbps（現(xiàn)在的應用速度是1Mbps），最低為2Kbps。在噪訊問題上，SMBus的誤碼率（BER）相當高，容易產生訊息損毀（message corruption）；SST針對不同的協(xié)定進行整合、改善訊息大小，并提出對每個訊息封包的訊框檢查序列（frame check sequence；FCS）作法，進而有效改善了噪訊的狀況。

　在信息的準確性上，SMBus是一個單位元組（single-byte）協(xié)定，在每個傳送序列的芯片位址和暫存器指標（register pointer）位址資料中，所能接收的承載資料（payload）是一組單位元組的資料。為了改善傳輸訊息的效益，SST讓單一訊息中具有讀寫多位元組能力的新協(xié)定。

　

 

　1. PECI

　PECI是Intel新開發(fā)，專門用來報告CPU溫度的單線匯流排界面，而不負責溝通電壓方面的信息。它是SST協(xié)定的一個子集，傳輸速度范圍也是介于2Kbps2Mbps，但指令更為簡化，也比SST容易建置。為保證資料的正確性，PECI使用循環(huán)冗余校驗（Cyclical Redundancy Check；CRC）位元組來進行錯誤檢驗。請參考（圖五）。

　

▲圖五：雙核心Xeon 5100系列處理器中的PECI拓樸架構。（資料來源：Intel）

 

　2. DTS

　今日Intel的CPU核心上都安置了兩種傳感器，一是傳統(tǒng)的溫度二極管（thermal diode；TD），另一種是新的數(shù)碼溫度傳感器（DTS）。DTS具有類比轉數(shù)碼轉換器（ADC），當DTS感測到溫度值后會將結果儲存在CPU暫存器中，再透過PECI界面將數(shù)據(jù)資料傳送出去，如（圖六）。DTS在CPU芯片上位于更佳的位置，雖然它并不正好位于實際的熱源（hot spot）上頭，因為這樣會影響到CPU的運算能力，不過相較于溫度二極管來說，它的位置已改善許多。

 

　■結論

　散熱雖然是計算機市場的重大的議題，Intel也為此推出了BTX架構，并預估在今年（2006年）能攻占一半的市場，但目前看起來，ATX仍是市場的主流架構。回顧歷史，PC產業(yè)的新造型架構往往需要花上56年才能取得八成以上的市占率，進而成為主流的架構，但預估BTX可能要花上更多的時間。

　BTX的先期采用者是Dell、HP和Gateway等最大品牌的廠商，但在通路市場還很難未出現(xiàn)，相信還需要一段時間才看得到。Intel一開始時雖然大力推動BTX，但仍同時持續(xù)推出ATX造型的主機板。目前BTX較受重視的優(yōu)勢在于它的低噪音表現(xiàn)，因此對于娛樂性和辦公室的應用很有吸引力，尤其是超薄型的PC，但它卻非唯一的選擇。

　在散熱技術上，AMD雖然也已基于AMD兼容的主機板SuperIO界面的腳位描述而開發(fā)出使用兩線界面的CPU數(shù)碼溫度計，但在公開資料上仍難看到相關的散熱策略或技術。Intel在這方面確實領先不少，已提出上述多項技術標準。預料上AMD將會觀望市場的發(fā)展，當Intel的規(guī)格作法在ODM/OEM的接受度提升到一定程度后，就會跟進
實現(xiàn)智能性熱量管理的下一步
在計算機系統(tǒng)的散熱設計中，有三大領域的工程師必須坐下來一起談，他們是機構工程師、電子系統(tǒng)工程師及韌體工程師。機構工程師的任務最重，從機殼的造型、內部主機板上各元件的配置、出風口的規(guī)劃，到散熱效益的模擬驗證等，都得有完整的考量，他們的專長是在機械與流體力學方面；電子系統(tǒng)工程師則要負責與電子系統(tǒng)相關的散熱設計，主要工作在于對熱源的溫度量測，以及對風扇的控制規(guī)劃；韌體工程師則要編寫與韌體相關的散熱執(zhí)行指令。本文將從電子系統(tǒng)的面向來探討散熱管理的前瞻性技術。

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