发热降频=游戏卡顿!智能手机的散热梦魇如何破?

智趣狗 电脑爱好者 2018-05-03 09:44产品 标签:手机 散热

喜欢跑分的童鞋不难发现一个有趣的现象:都是搭载骁龙835/845处理器的手机,运行安兔兔、GeekBench等软件时的成绩有可能会出现15%以上的差距;同一款手机,连续运行跑分软件的话成绩也会越来越低。难道这里面涉及到厂商或媒体的虚假宣传?

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实际上,这个问题其实很容易理解。手机内置的处理器(准确来说是集成CPU、GPU和ISP等单元的SoC)等芯片的材料都是半导体,只要有电流通过就会在其内部的电阻上产生热量,而发热量的高低则取决于处理器的频率高低,以及处理器当前的负载情况。

为了避免处理器因高温而烧毁,手机厂商会为其设定一个阈值,只要瞬间温度超过这个阈值就会触发降频机制,在最短的时间内降低处理器芯片的发热量。很多手机跑分偏低、我们在玩游戏时突然遭遇莫名卡顿,基本都是处理器过热降频惹的祸

为啥智能机才谈散热

 在功能手机时代,手机最多也就是运行Java游戏,负载相对较低,也不存在处理器发热降频的问题。步入智能手机时代后,无论是UI界面操作的流畅度、运行APP的快慢还是游戏运行的帧数都与处理器(CPU/GPU)频率息息相关,一旦降频就必然出现卡顿现象。

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散热先从结构入手

很多人都将手机散热的希望放在了石墨稀、热管甚至风扇上,其实从手机内部的物理结构入手也能显著提升散热效果

比如,PCB主板采用整版堆叠有利于热源分散,可降低局部热量堆积问题;将PCB主板放置在远离手握区域,可提升持握时的发热感;增加内部各组件与后盖的间隙,可降低外壳温度;模内镶件是与主热源最近的金属,如果选用高导热系数材质就能降低局部温度;提升材质表面粗糙度可增加表面积,改善散热能力等等。这是一套系统工程学,考验的是厂商的决心和良心。

此外,不要以为手机处理器都是ARM架构就小看它们的发热量哦。NVIDIA Tegra 2/3系列曾经引领智能手机步入双核和四核时代,但就是因为架不住发热/功耗高而放弃手机市场(当然  还有NVIDIA缺乏基带技术),转载平板电脑和掌机战场。

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以任天堂最新的Switch为例,这款采用搭载的就是NVIDIA旗下的Tegra X1(20nm工艺,四核A57+四核A53架构,集成256颗Maxwell CUDA GPU),哪怕内置了独立的散热风扇和热管,玩游戏时的发热量依旧非常“感人”,冬天可以拿来当做暖手宝。

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因此,作为内部空间稀缺的智能手机而来,就需要在散热方面耗费更多的精力了。

面积至上的石墨烯

石墨烯热辐射贴片(下文简称石墨散热膜)是一种超薄散热材料,可有效降低发热源的热密度,实现大面积快速传热、大面积散热,并消除单点高温的现象。石墨散热膜在水平方向的导热系数高达1200,大约是铜的3倍,铝的6倍。但是,石墨散热膜在垂直方向的导热性却极差,属于越薄(当然也有一个极限值)散热效果越好的辅助散热材料。

将智能手机拆开,我们通常都能在LCD下方、CPU上方和后盖内侧看到石墨散热膜的身影。可惜,石墨散热膜的截面积太小,所能承载的热流相对有限,在当今移动处理器发热量和APP负载越来越高的当下,它的主要作用还是用来分散热量,将温度均匀化

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比如,手机金属后盖表面几个点的最高温度分别为50/40/30摄氏度,贴上石墨散热膜后,相同位置的温度可能就变成了40/40/40摄氏度。如果想进一步降低手机满载时的温度,还需要从其他几个方面入手。

金属为骨发散热量

早期的智能手机普遍以ABS工程塑料为主要材质,当移动处理器发热量堆积后很难从中扩散。于是,金属材质逐渐在智能手机领域生根发芽,很多中高端手机甚至还引入了名为金属背板散热的技术:

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在使用石墨散热膜和金属材质机身的基础上,还在金属外壳内部添加了额外的一层金属导热板,可以将石墨导出的热量直接通过这层金属导热板传递至金属机身的各个角落,提升了密闭空间中的热量扩散效率,最理想的状态是热量还没传递到手心前就已冷却了下来,从而明显改善手机满载时的持握体验。

虽然如今智能手机逐渐以双面玻璃为美,但此类产品大都还保留了金属中框和骨架内的金属导热板,它们在手机运行时都能分担一些热量的发散作用。不过,随着手机纷纷追求“性感”身材,手机处理器性能逐渐逼近PC等级后,上述辅助散热的手段都不足以确保手机长时间满血运行,当年搭载骁龙810处理器手机“集体焚身”(发热高、易降频)就是最好的例证。

于是,在笔记本领域常见且成熟的热管散热技术就逐渐进入了手机厂商的视野,并衍生出无数“散热黑科技”。

偷师于笔记本的散热技术

笔记本最经典的散热模块设计就是导热硅脂+热管+风扇+鳍片,但就智能手机的“小身板”而言,风扇和鳍片肯定是没有空间安置的,但塞进硅脂+热管却不是梦想。

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早在2013年,NEC就在旗下的Medias X手机上引入了水冷降温技术,这款手机在骁龙600处理器表面覆盖了一根长达10cm的热管,内部注有纯水的液冷,当处理器开始发热的时候,扁平的导管内里的纯水会将热量传递到手机外壳再散热,从而达到降低机身温度的效果。

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继NEC后,同样为日系厂商代表的索尼也从Xperia Z2开始引入了热管,并在全球首款4K屏幕的Xperia Z5 Premium手机身上塞进了双热管和硅脂,用于应对骁龙810的“热情”,属于绝对的豪华套餐。

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随后,还有更多品牌也为手机武装了热管,只是为了增加噱头改用了不同的称号,比如360奇酷手机的“太空水冷散热系统”、微软Lumia950/950L所采用的Liquid Cooling“液态冷却技术”、中兴的“主动循环纳米导热系统”等等。

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对了,雷蛇Razer Phone和黑鲨游戏手机主打的多级直接接触式液体冷却系统也都是这种散热设计的分支。

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这些技术的本质相同,都是将(中空)热管内部抽成负压状态,然后充入不同材质的冷却液。这些冷却液的特色是沸点低,通常在55摄氏度时就会蒸发成水蒸气,借助水蒸气“倾冷”的特性自动流向导热管另一侧,由于该侧温度较低,水蒸气便会冷凝成液体,并把一部分热量传递至与导热管相连的石墨片上。最后,从气态重新变成液态的冷却液会随着热管内壁的毛细结构返流至导热管靠近处理器的一侧,为处理器降温,并且等待下一次降温循环。

风冷手机暂时无望

努比亚在MWC2018上曾展示了内置4颗迷你涡轮风扇的概念游戏手机,本以为这个设计会出现在其最新的红魔游戏手机身上。

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遗憾的是,红魔游戏手机并没有带来风冷设计,而是采用了对流冷却方案,在背面金属上加入风槽进行空气交换,可将手机内部热量从机身上的纳米微细塑料网去除,再加上3层石墨和“近黑体”材料,从而将机身的温度控制在较低的水平。

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总之,散热设计和效率,将成为未来高端智能手机的主打特性,如果你希望在朋友圈晒出更高的跑分,游戏过程中不因莫名的卡顿而输掉团战,那就请优先挑选散热过硬的新品吧。