电脑小百科

查看: 105

电脑低噪声散热系统详解

[复制链接]

发表于 2019-5-11 20:28
处理器散热系统
处理器风扇,或者说散热器是电脑噪声的主要来源之一,越新型、越高端的处理器结构越复杂、频率越高,发热量常常就越大,处理器散热系统的能力也随之不断提升,其中最常见的方法当然就是增加散热风量,以吹除越来越多的热量,但因此带来的常常就是越来越明显的噪声。要想处理这部分的噪声,多从两个方面下手,一是降低风扇噪声,二是改变传统的设计思路。
1. 静音风扇
散热器风扇提升风量的方式有两种,一是增加风扇转速,加快气流速度;二是加大风扇直径,加宽气流“通道”。其中增加转速的方式中,风扇自身高速运转和带来的快速流动、冲击元件的气流,都会产生更大的噪声;而加大风扇直径则可在获得同样风量的前提下,降低风扇转速和气流速度,因此噪声更低一些,是静音式风扇的主要选择。
但需要注意的是,加大风扇直径的时候,必须对应地加大散热片受风面积,因此在采用下压式风扇设计的散热器中,为了使用大直径风扇,常常不得不使用V型散热片,即底部面积较小,上部鳍片分散为较大的受风面积(图1)。这种设计虽然原理简单,但面积过大的处理器散热片难免影响到周边元件设计和配件安装,例如常常紧挨处理器接口的内存插槽就很可能被遮盖起来,甚至连散热片自身的安装卡笋或螺丝都会被遮蔽起来,难以使用(图2)。

1557468562518.jpeg
1557468562205.jpg
其实要让风扇增大风量、提升效率,同时更加安静,还有一些其他的方法,例如涵道式设计、优化扇叶形状、使用引流式设计等。简单地说,它们就是通过将风扇“包裹”起来避免气流向四周扩散、使用更符合空气动力学的扇叶安静地“切割”空气、利用风扇气流引导周围空气流动而非强行推动空气等。这些设计和理念大都已经隐含在了各种新的静音风扇设计中,这里就不一一赘述了。
需要注意的是,很多厂商喜欢着重宣传自己的风扇轴承技术。理论上讲,滚珠轴承风扇虽然耐久,但运转噪声略大,油膜轴承的寿命略显不足,如果资金足够的话,建议选择磁悬浮轴承产品,可以综合两者的优点。但具体到某一款风扇的实际噪声,则会因为转速、扇叶设计、风道造型的不同而有着巨大差异,因此并不能仅凭风扇轴承来确定风扇的实际噪声水平。
2. 转速控制
在实际挑选产品的时候,大家还必须注意一个非常重要的因素,那就是转速控制。由于处理器散热器的风扇能力是以满足高端高负载处理器的散热需求为目标,但实际使用中,大部分时间则应对的是中低负载和中端主流处理器,其实并不需要以最高转速运行,提供最大的风量,所以很多厂商会为其增加转速控制功能。
一款最高噪声达到30dB以上的风扇,如果支持转速控制的话,很可能大部分时间实际噪声都不到20dB(图3)。而一些转速控制并不好的风扇即使最大噪声仅有25dB,但一直以最大转速运行,使用体验可能还不如前者。
1557468562156.jpg
性能强悍、最高噪声比较明显的风扇,通过转速控制,最低运行噪声仅有9dB
目前的主板大都可以支持自动转速控制,但最好使用4pin接口的风扇。3pin风扇接口使用pin1~pin 3接口,未连接专门的转速操控功能(PWM)针脚(图4),不具备直接调速功能,虽然可以使用电压来控制转速,但在控制精度、效果方面要差得多。
1557468563808.jpg
3. 优化散热片设计
随着对散热风量的进一步追求,12cm甚至14cm直径的风扇也出现在处理器散热器上。这些风扇及相应散热片已经难以使用下压式风路设计,否则会遮盖太大的主板面积,所以一种新设计快速兴起,那就是让散热片“立”起来,充分利用主板的上部空间。这种设计还带来了一个额外的好处,那就是可以更方便地使用双风扇(图5)设计,进一步提升散热风量。
1557468565115.jpg
立置式散热片配合热管是目前的一种主流设计,这种设计可以在支持较大散热片的同时,为底部的内存、供电电路散热片等留下一定空间。热管的传热效率也比直接使用金属块、片更高,且重量轻得多。
此外散热片还可以通过选择导热快的鳍片材质来加快散热速度、使用更薄而多的鳍片来提升散热面积、设计更符合散热风路的结构等方式来提升散热效率,并适当降低气流噪声。
4. 与机箱一体化的散热设计
很多立置式散热器都可以很方便地装卸风扇,根据需要安装单、双风扇,甚至能调节散热风路状态,选择双风扇对吹或一吹一抽。后者可在对处理器散热的同时向主板上需要加强散热的方向吹风,能加强主板的散热能力,或将散热气流更好地融入机箱整体风路中。
需要注意的是,如果散热能力已接近极限,例如使用了发热量很高的处理器或进行极限超频时,排出的气流温度很高,则要改变思路,将散热气流排向主板低温区域而非本身发热量就较大的区域。此时如能与机箱形成一体式散热风路,充分利用机箱内气体循环甚至直接将这部分热风排出机箱,都是不错的选择(图6,图7)。
1557468564322.jpg
1557468704561.jpg
一些机箱会在侧板上增加开口,可将处理器散热气流抽出或者为处理器散热提供外部冷空气
其实利用与机箱的散热一体式设计,完全可以构建无风扇的处理器散热系统,或将整机热量集中处理,仅使用一两个大型风扇进行热量吹除,例如现在典型的笔记本散热系。当然这样的设计很难在使用量产商品的DIY系统里实现,一般都出现在品牌机或者高度定制化的MOD作品中。
5. 水冷散热器
在本刊2018年24期的《淡季寻好价 体验水冷散热》一文中,还着重介绍了目前主流的水冷技术特色及产品。水冷同样适合追求低噪声散热系统的用户,不过这里必须要指出的是,水冷散热系统的噪声除了风扇噪声(一般会注明),还有水泵噪声(大部分产品的噪声标注中已包括),在非常安静的环境中,其实还能听到水流声。相对于机械噪声和风声,水流的声音对有些人来更难以忍受,因此在购买水冷散热器的时候必须考虑到这一点。
显卡散热系统
作为复杂程度已经高于处理器的芯片,GPU及其栖身的显卡在发热量上也常常会超过处理器,因此散热能力同样非常重要,也常常成为机箱内非常重要的噪声来源。在噪声控制方面,显卡散热系统在一定程度上可以借鉴处理器散热系统,如大直径风扇和转速控制、优化散热片等,但也有不同于处理器散热系统的特殊功能,例如三风扇设计、启停设计、外壳风路设计等。
由于显卡自身的限制,其上很难使用120mm和更大直径的风扇,根据显卡的实际形态,提升散热风量的最佳方式就是利用其体型,配置多风扇了。目前中端显卡的主流配置已经是双风扇,三风扇设计也屡见不鲜,相对于提升单风扇的转速,多风扇可以在较低的转速下提供同等散热风量,且散热气流分布更均匀,能同时为GPU、高频显存、供电系统等显卡高热区域散热。
对显卡来说,尽量安排更多风扇,同时又要消除同一平面内的多风扇产生的气流紊乱、风扇共振是独特的需求。针对这些需求,很多显卡采用散热器长度超过PCB板的设计以容纳更多的大直径风扇,并且采用对转或不对称风扇来避免共振、优化气流,或者对某些区域进行重点冷却(图8)。
1557468777776.jpg
采用不对称风扇设计的显卡,小直径风扇的转速控制方案也与另外两个风扇不同
新一代显卡风扇大都拥有转速控制模式,在不启动游戏等3D应用的时候,因为GPU和显存以低负载方式运行,产生的热量极低,风扇可以用极低转速运转,甚至可以直接停转,仅靠被动散热就可以保证2D状态甚至简单3D图形处理时的显卡散热。
此外显卡拥有比较宽阔的表面,也可以设计更有效的散热风路,例如用半封闭外壳,让散热气流吹向最需要的部分,并且从选定的方向排出。在与机箱内整体气流方向配合良好时,这种设计可以让热空气快速离开显卡表面,明显提升散热效率,为显卡制造更好的运行环境。
还有一些“极端”的显卡甚至会使用封闭式风路外壳,让热空气从显卡的接口面板方向排出机箱(图9),避免热空气加热机箱内的其他配件,在前几代显卡中曾广泛使用这种设计。然而这种设计通常采用涡轮风扇,虽然效率较高,但转速较快,因此会产生明显噪声,且成本较高,所以现在已经不再是主流的显卡设计。但在一些特殊应用环境,如内部散热环境不佳的小型机箱中,封闭外壳+向外排气的显卡散热设计还是一种不错的选择。
1557468778863.jpg
如果对性能要求不高的话,在选择入门级显卡的时候还可以考虑被动散热的产品,例如技嘉和EVGA的GT 1030显卡(图10,图11)。它们的性能略高于AMD Ryzen APU的内置显卡,更远高于英特尔核芯显卡,可满足主流网游和休闲单机游戏的需求,但无风扇设计使其运行时完全无噪声,此外两款产品都采用半高设计,也让它们能更好地用在小型机箱中。
1557468777496.jpeg
1557468778582.jpg
显卡同样可以采用水冷方案,但水冷部分必须根据显卡设计进行适配设计(图12),因此只有比较流行的显卡才有相应的水冷套装出售,且因为产销量有限,价格通常比较昂贵。
1557468778624.jpg
电源与机箱散热系统
电源、机箱中的噪声同样主要来自散热系统,特别是风扇,而且其散热需求同样是随着电脑性能不断提升的,因此噪声抑制越来越困难。总体来说,前两部分提到的提升散热能力,同时降低风扇噪声的措施在电源、机箱中大都可以实施,例如顶部/底部大直径风扇,多风扇配置、优化风路等已经是比较常见的设计了,一些电源中甚至也实用了无风扇设计。
与前两部分的风扇相比,电源和机箱通常可以采用14cm风扇,是最大口径的选择,同时因为并不需要对特定的高热区域进行强力冷却,更多的作用是将热空气“推向”希望的方向即可,所以一般来说噪声并不大。但在目前的主流系统中,电源与机箱风扇也支持动态调控甚至自动启停,在相应部分温度过高的时候同样会出现高转速、高噪声的情况。
要降低这两部分的噪声,首先可以考虑配置更出色的风扇,避免出现过热提升转速的情况,其次是在BIOS中调节机箱风扇(英文一般为System Fan或Chassis Fan)的控制机制,一些主板也提供了电源风扇的控制选项(图13),在确认系统无需加强散热的情况下关闭自动调节功能或者降低转速。
1557468865326.jpg
与低端处理器、显卡才能考虑使用无风扇的被动散热不同,主流电源和机箱,甚至是高端产品也可以使用无风扇设计。例如海韵的旗舰级产品中就有无风扇设计的型号600 PRIME TITANIUM FANLESS(图14),在拥有600W功率和80Plus钛金级转换效率的同时,并没有配置风扇,仅使用近乎全部镂空的外壳,配合高品质元件与散热片等设计来提供足够的散热能力,当然比较复杂的做工与高品质元件也使其价格相对较高。
1557468865208.jpg
存储系统散热系统
作为存储系统的主要选择,机械硬盘是目前电脑中除了散热系统外唯一使用活动部件的配件,它通常无需使用风扇进行强制散热,但自身的机械属性就带来了噪声问题。硬盘的最高噪声通常在5dB以下,远低于风扇噪声,但以类似撞击的机械声和偶尔的电机启停声为主,且穿透力较强,对一些用户来说,这是比恒定的风噪更影响使用体验的声音。
好在存储系统已经有了与其他配件一样的半导体解决方案,即SSD。它完全没有活动部件,运行起来没有任何噪声,是绝对安静的存储方案。当然,各个厂商推出的新一代硬盘在噪声控制方面也表现不错,如果是为老硬盘的噪声所困扰,又无力采用全SSD存储方案,那么新一代存储硬盘,特别是追求“冷静”运行的NAS硬盘应该可以满足要求。
外设散热系统
也许很多人会感到奇怪,并没有散热风扇的外设,为什么也被列为噪声源。其实目前很多人选择的键鼠设备,在噪声方面同样是明显超过“前辈”的,例如已经成为主流配置的机械键盘、为游戏优化了手感与反馈感的鼠标等,按键噪声都有所提升。这些噪声也许在游戏中鏖战时并不会让人感到烦躁,但退出“战场”,摘下耳机,开始上网、工作、学习的时候,噪声就可能会打扰到自己和周围的人了。
很多厂商也注意到了这个问题,所以在不放弃手感的情况下,提供了一些较为静音的键鼠产品供大家选择。例如樱桃(Cherry)等厂商的静音轴产品,此外罗技G710+为代表的产品则是通过改装(图15),获得了手感基本不变,但声音更小的效果。此外如罗技G系列中普遍使用欧姆龙轴(G轴)等机械轴,本身的声音就并不大。
1557468865576.jpg
通过简单地在按键上加装橡胶圈的方式,G710+的按键声比普通棕轴更小。
在鼠标方面,不希望打扰的人可以选择按键声较小的产品,罗技G系列等产品还提供了滚轮键方式切换能力,可将带有段落感但声音较大的滚轴方式改变为顺滑无声音的滚动,使用中的噪声会有明显降低。
典型低噪声散热配置
其实对低噪声的极致追求,也是对电脑中机械活动部件的尽量摒弃。减少甚至去除了这些部件后,电脑的耐久度、抗震能力等其实都有所提升,完全可以看作是进化到了另一个层次。那么我们就来看一看如何构建一台这样的电脑吧。
1557468426769.jpg
在这套主流静音系统中,仅使用了处理器散热器上的一个风扇,利用机箱侧板的大面积散热孔(图16),可将外部冷空气吸入。如果有一定的动手能力,其实也可以将处理器散热器更换为大型散热片,改在机箱侧板上安装大口径风扇甚至直接取消风扇,噪声还可以进一步降低。当然要体验更好的静音效果,在键鼠外设的选择上也要精心一些。
1557468866701.jpg
考虑到处理器和显卡的散热需求,我们的推荐系统都仅选择了主流级产品,主要用于应对日常工作、学习和家庭娱乐,性能比较一般。而在综合考虑前面提到的各种因素之后,仅使用两三个大口径低转速风扇,配合转速控制、自动启停能力,甚至是水冷套件等,也可以搭建一套静音效果很好的中端甚至中高端游戏平台。虽然这些配置很难构建无风扇的完全静音系统,但基本可以做到日常使用几乎完全静音,让大家在办公学习的时候不会受到干扰;打开游戏之后,噪声虽明显增加,但也不至于非常喧闹,不仅让带着耳机的玩家可以接受,也不会对周边的人产生太大影响。
来源:CFAN



返回顶部 返回列表