如今的 PC 中常見的 CPU 散熱器，無論是主流級(jí)還是高端產(chǎn)品，幾乎都采用了這樣的結(jié)構(gòu)：與 CPU/GPU 表面接觸的結(jié)構(gòu)采用銅材質(zhì)，也就是我們常說的銅制底座，而熱管鰭片或者是水冷排鰭片則采用鋁材質(zhì)。所謂的 " 銅鋁結(jié)合 " 說的就是這樣的結(jié)構(gòu)，而采用銅材質(zhì)鰭片或者銅材質(zhì)水冷排的散熱器，也就是我們俗稱的 " 純銅散熱器 " 在 PC 領(lǐng)域幾乎可以說是曇花一現(xiàn)，只在早些年頭曾經(jīng)露面。

那為什么 " 銅鋁結(jié)合 " 能成為 PC 散熱的主流設(shè)計(jì)呢？如果你到網(wǎng)上去搜索的話，得到最多的說法應(yīng)該就是 " 銅鋁結(jié)合在綜合多方面因素之后擁有最佳的平衡 "，大家可以簡單理解為考慮到體積、重量、工藝、成本、散熱效能等多方面后的綜合之選，甚至還有說法認(rèn)為，鋁的散熱效能其實(shí)比銅更好，銅只是傳熱更快，因此銅鋁結(jié)合是將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，散熱效能比純銅結(jié)構(gòu)會(huì)更高。這些說法看上去都很有道理，但真相就是這樣嗎？

散熱鰭片的材質(zhì)對(duì)散熱量并沒有影響

其實(shí)熱力學(xué)中的牛頓冷卻公式 Q=hAΔT 已經(jīng)給出了答案，牛頓冷卻公式多用于對(duì)流換熱的計(jì)算，而 CPU 散熱的從本質(zhì)上來說就是讓 CPU 的熱量通過散熱器傳遞到空氣中，散熱器本身并不會(huì)產(chǎn)生熱量，也不能消滅熱量，也就是說散熱器所需要承擔(dān)的 " 散熱量 " 就是 CPU 的 " 發(fā)熱量 "，或者稱之為總熱流量。我們超能課堂文章《超能課堂 ( 302 ) ：熱是什么？（下）》中已經(jīng)給大家講解過，用于驅(qū)動(dòng) CPU 工作的能量，最終基本上都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚虼酥灰?CPU 功耗不變，總熱流量就不會(huì)改變，而總熱流量就是牛頓冷卻公式中的 Q；公式中的 A 則是散熱器與空氣的接觸面積，只要散熱器結(jié)構(gòu)和尺寸不變，換熱面積就不會(huì)改變，與散熱器的材質(zhì)是沒有任何關(guān)系的；h 則是流體的換熱系數(shù)，只要對(duì)流方式和氣體種類不變，這基本上也是一個(gè)定值。

因此對(duì)于對(duì)流換熱來說，如果熱量不變、空氣參數(shù)不變、散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不變，那么其 ΔT 也應(yīng)該是不變的。而 ΔT 則是空氣與散熱鰭片上的溫差，空氣溫度不變，就意味著鰭片溫度就不變，與鰭片材質(zhì)同樣沒有任何關(guān)系。換而言之，散熱器采用何種材質(zhì)，對(duì)于總熱流量也就是散熱量是沒有影響，散熱器上的溫度也不會(huì)改變。

然而在實(shí)際使用中，相同尺寸、相同結(jié)構(gòu)但材質(zhì)不同的散熱器確實(shí)對(duì) CPU 的工作溫度尤其是滿載溫度有明顯的影響，這似乎與牛頓冷卻公式展現(xiàn)出來的結(jié)果相矛盾。其實(shí)這里面是很多同學(xué)都陷入的一個(gè)誤解，那就把溫度控制與散熱混為一談了。那為什么說溫度控制與散熱并不是一回事呢？這就要從 "CPU 為什么需要散熱器 " 說起了。

PC 上的 CPU 為什么需要散熱器？其實(shí)這個(gè)同樣可以用牛頓冷卻公式 Q=hAΔT 來解釋。倘若 CPU 直接讓核心與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，那么以核心面積以及對(duì)于 ΔT 的限制（CPU 工作溫度上限），我們是可以快速計(jì)算 CPU 散熱需求的，相當(dāng)于傳熱速率或者說總熱流量的上限。倘若此時(shí)的 CPU 發(fā)熱量不超過這個(gè)上限，那自然是不需要加裝額外的散熱器，直接與空氣對(duì)流散熱即可；但如果 CPU 實(shí)際功耗會(huì)高于上限，那么為了提升總熱流量，基本上就是只有兩條道路，要么是提升自身的溫度換取更高的 ΔT，要么就是增大自身的換熱面積 A，兩種方法都可以讓總熱流量 Q 上升至符合 CPU 實(shí)際功耗的水平。

如今 CPU 的頂蓋其實(shí)就是一個(gè)小規(guī)模的散熱器

我們不妨舉例說明，與核心面積為 200mm2 的 CPU，當(dāng)其功耗為 200W 時(shí)，使用溫度為 25 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)為 200W/m2 · Λ 的空氣進(jìn)行直接散熱，那么其工作溫度會(huì)是多少呢？我們把相應(yīng)的數(shù)值套入牛頓冷卻公式，可以得出其工作溫度。然而以這個(gè)條件進(jìn)行計(jì)算的話，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)其工作溫度將達(dá)到 5000 ℃的水平，沒有 CPU 可以承受這樣的工作溫度。

然而當(dāng)我們?yōu)槠浼友b散熱器，使其與空氣的接觸面積達(dá)到等效 50000mm2 的時(shí)候，經(jīng)計(jì)算 CPU 的工作溫度在理想狀態(tài)下只有 45 ℃，這個(gè)溫度顯然合理得多，這就是為什么現(xiàn)在 PC 平臺(tái)上的 CPU 都需要加裝散熱器的原因。

不過到這里為止，我們?nèi)匀晃茨芙忉專瑔柺裁床煌馁|(zhì)的散熱器會(huì)給 CPU 帶去不同工作溫度。實(shí)際上在上一個(gè)環(huán)節(jié)中，我們只是理想化地把 CPU 與散熱器進(jìn)行了一體化的計(jì)算。算出來的 45 ℃其實(shí)只是散熱器與空氣接觸面的溫度，并不是真正意義上的 CPU 核心溫度。實(shí)際上 CPU 的整個(gè)散熱過程，是核心熱量經(jīng)過散熱器再傳導(dǎo)至空氣的過程，這里面其實(shí)有兩個(gè)散熱系統(tǒng)，一個(gè)是散熱器與 CPU 組成，另一個(gè)則是散熱器與空氣組成，后者可以直接使用牛頓冷卻公式進(jìn)行快速計(jì)算，而前者則需要使用到熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散等方面的公式子進(jìn)行計(jì)算，這里涉及到了熱力學(xué)與傳熱學(xué)的基礎(chǔ)，也涉及到了散熱器的材質(zhì)問題。

傳熱學(xué)是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)，在經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，如果物體是一個(gè)規(guī)則的形狀，例如圓柱形，那么物體的傳熱速率大小與兩端溫度差 ΔT=T1-T2 成正比，與物體截面積 A 呈正比，與物體長度 L 成反比，而且不同材質(zhì)的物體都會(huì)遵循上述規(guī)則，因此我們可以為不同材質(zhì)的物體引入一個(gè)系數(shù) λ，從而得出 Qx=λAΔT/L 的公式，而這個(gè)系數(shù) λ 就是在散熱領(lǐng)域中經(jīng)常提到的導(dǎo)熱系數(shù)。

因此如果我們將 CPU 散熱器視為一個(gè)規(guī)則的物體，其與 CPU 的接觸面溫度為 T1，與空氣接觸面的溫度為 T2，那么我們不難看出，當(dāng) Qx 總熱流量、A 截面積、L 長度、T2 溫度都維持不變的時(shí)候，如果 λ 導(dǎo)熱系數(shù)越高，那么 ΔT 就會(huì)越低，T1 溫度也會(huì)越低，反之則越高。銅的導(dǎo)熱系數(shù)為 401W/ ( m · Λ ) ，而鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為 238W/ ( m · Λ ) ，前者是后者的 1.7 倍，相應(yīng)地溫差在數(shù)值上也就相差了 1.7 ℃，銅材質(zhì)散熱器上，CPU 與散熱器接觸面的溫度更低。同理我們也可以通過這個(gè)數(shù)值進(jìn)一步推算出 CPU 的核心溫度，同樣可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們使用銅材質(zhì)散熱器時(shí)，CPU 的核心溫度會(huì)更低，只是在數(shù)值上相比使用鋁材質(zhì)是同樣沒有太大的差異。

當(dāng)然這也使一個(gè)理論化的計(jì)算，而且就算如此，想要直接計(jì)算出 CPU 的工作溫度并對(duì)比銅鋁材質(zhì)的散熱器在整個(gè)散熱系統(tǒng)中的影響，也不是一件方便的事情。因此我們不妨將傳熱速率的公式進(jìn)行改寫，Qx=ΔT/ ( L/λA ) = ( T1-T2 ) /R。此時(shí)我們將其與電路中的歐姆定律作對(duì)比，歐姆定律 I= ( U1-U2 ) /Re，是不是發(fā)現(xiàn)兩者竟如此相似呢？

其實(shí)熱擴(kuò)散的過程與電荷擴(kuò)散的過程是相似的，它們都是在勢(shì)差的作用下發(fā)生的，而在擴(kuò)散的過程在則會(huì)受到阻力，如果說電荷擴(kuò)散的阻力就是電阻，那么熱擴(kuò)散的阻力自然就是熱阻了。按照我們此前改寫的傳熱速率的方式，我們可以快速得出，在傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射中的熱阻，分別是以下三個(gè)公式。

R 傳導(dǎo) = L / ( λ · A )

R 對(duì)流 = 1 /（h · A）

R 輻射 = 1 / ( hr · A )

而有了熱阻的概念后，我們對(duì)于傳熱速率的分析和計(jì)算就簡便多了，可以將傳熱過程轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚拇⒙?lián)電路結(jié)構(gòu)，而這個(gè)結(jié)構(gòu)一般稱之熱路或者是熱網(wǎng)絡(luò)，例如 CPU 的散熱過程就簡單地可以理解成一個(gè)類似與串聯(lián)電路的熱路。

當(dāng)然正如我們此前講到，我們這里分析的更多地是一種理想化的模型，現(xiàn)實(shí)中的 CPU 的熱量不僅僅會(huì)通過散熱器傳導(dǎo)至空氣中，同時(shí)還會(huì)通過 CPU 基板、底座、主板 PCB 等多種路徑進(jìn)入到空氣中，此外整個(gè)散熱系統(tǒng)中還存在硅脂等其它散熱介質(zhì)，所以 CPU 散熱的熱路實(shí)際上是要更復(fù)雜一些的，應(yīng)該是一個(gè)串聯(lián)與并聯(lián)共存的電路。而我們這里是為了便于理解而做了理想化的模型，有興趣的同學(xué)可以自行作進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與了解。

通過上述的熱路我們可以看到，CPU 的熱量源自與核心，經(jīng)由頂蓋傳導(dǎo)至散熱器，然后散熱器與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。如果說不考慮核心內(nèi)部熱阻以及核心與頂蓋、頂蓋與散熱器之間的接觸熱阻，那么整個(gè)熱路中的熱阻就是由頂蓋、散熱器以及空氣三者的熱阻組成，從而得出下方這個(gè)式子。

Qx = ( T1-T2 ) / ( R 頂蓋 + R 散熱器 + R 空氣）

在這個(gè)式子中，頂蓋與散熱器的熱阻可以使用傳導(dǎo)傳熱的熱阻計(jì)算公式，而空氣則使用對(duì)流換熱的熱阻計(jì)算公式，T1 為 CPU 溫度，T2 空氣的溫度，因此倘若我們只更換散熱器的材質(zhì)，例如從鋁制散熱器更換為銅制散熱器，而不改變其尺寸結(jié)構(gòu)，也就是體積不變，那么散熱器所用材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)越高，那么其表現(xiàn)出來的熱阻就會(huì)越低。由于頂蓋與空氣的熱阻也是不變的，因此 CPU 核心溫度可以按照下述公式計(jì)算得出：

T1 = T2 + Qx · ( R 頂蓋 + R 散熱器 + R 空氣）

因此散熱器的熱阻越高，CPU 的工作溫度會(huì)處于更高的狀態(tài)，這樣其與空氣之間才有足夠的溫差去彌補(bǔ)更高熱阻帶來的影響。因此我們對(duì)散熱器進(jìn)行測試的時(shí)候，本質(zhì)上是測定其熱阻的高低，而為了準(zhǔn)確地展現(xiàn)出熱阻，我們就需要控制測試環(huán)境當(dāng)中的變量，尤其重要的是 Qx 總熱流量不能改變。這就是我們認(rèn)為，在使用實(shí)際平臺(tái)進(jìn)行散熱測試時(shí)，只有鎖定 CPU 功耗并保證室溫相同的情況下，CPU 的滿載工作溫度才能作為不同散熱器性能，嚴(yán)格來說來是溫度控制性能對(duì)比依據(jù)的原因，也是我們?cè)诟挠霉潭üβ实陌l(fā)熱平臺(tái)測試散熱器，并依據(jù)溫差來評(píng)價(jià)散熱器的原因。

根據(jù)上述的討論，我們不難得出如下結(jié)論，那就是在 CPU 溫度可變且總熱流量不變的情況下，只要散熱器結(jié)構(gòu)、尺寸以及空氣溫度、對(duì)流方式也不發(fā)生改變，那么散熱器的 " 散熱效能 " 其實(shí)并不會(huì)隨著材質(zhì)的變化而變化，但是控制 CPU 溫度的能力則確實(shí)是與材質(zhì)有莫大關(guān)系的，也就是說銅材質(zhì)的散熱器在 CPU 溫度的表現(xiàn)上都不會(huì)比同樣條件下的鋁材質(zhì)更差，所謂的 " 鋁材質(zhì)更有利于散熱 " 只是一種不嚴(yán)謹(jǐn)、不正確的說法。

現(xiàn)在已經(jīng)幾乎看不到純銅散熱器的蹤影

那么為什么現(xiàn)在的散熱器幾乎都不會(huì)采用純銅材質(zhì)了呢？首先從之前的計(jì)算我們可以看到，其實(shí)銅散熱器與鋁散熱器在實(shí)際使用中帶來的 CPU 溫度差距并不是很大，基本上只有追求極致散熱效果的才需要使用純銅結(jié)構(gòu)，大部分情況下同樣結(jié)構(gòu)的鋁制散熱器同樣可以滿足需求。其次就是兩種材質(zhì)的散熱器，在實(shí)際使用中，從開始工作到進(jìn)入溫度穩(wěn)定的時(shí)間是相差無幾的。在傳熱學(xué)中，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定下來不在改變時(shí)，一般來說是稱之為穩(wěn)態(tài)傳熱，相當(dāng)于是我們常說的 " 散熱效率最大化 "，因此對(duì)于散熱系統(tǒng)來說，越快進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)傳熱，對(duì)于散熱是越有利的。

然而導(dǎo)熱系數(shù)表示的只是材質(zhì)傳遞熱量的能力，而溫度則與材質(zhì)的熱容有關(guān)系，然而熱容則與材質(zhì)的比熱容以及質(zhì)量有關(guān)系。然而在散熱系統(tǒng)中，散熱器更多地是同體積比較而不是同重量比較，因此在這里我們可以引入一個(gè)系數(shù)，稱之為導(dǎo)溫系數(shù)，又叫做熱擴(kuò)散系數(shù)。如果說導(dǎo)熱系數(shù)展示的不同材質(zhì)傳遞熱量的能力，那導(dǎo)溫系數(shù)展示的就是不同材質(zhì)傳遞溫度的能力。

導(dǎo)溫系數(shù)的公式為 α=λ/ρc，其中 λ 就是導(dǎo)熱系數(shù)，ρ 是密度，c 是比熱容，ρc 的乘積代表著單位體積的物體溫度升高 1 ℃所需的熱量。這些參數(shù)其實(shí)都是已知的數(shù)值，因此我們可以計(jì)算出銅和鋁的導(dǎo)溫系數(shù)，前者為 115mm2/s，后者則為 100mm2/s，也就是說同樣結(jié)構(gòu)的情況情況下，銅材質(zhì)散熱器達(dá)到溫度穩(wěn)定的速度只是比鋁材質(zhì)的快 15% 左右，而前者導(dǎo)熱系數(shù)是后者的 1.7 倍，也就是說銅材質(zhì)的散熱器在進(jìn)入最佳散熱效率的時(shí)間上，其實(shí)并沒有比鋁材質(zhì)的領(lǐng)先多少，以目前常見的 CPU 散熱器而言，滿打滿算也就是 1 分鐘左右的差距，在實(shí)際使用中算是可以忽略的。

其實(shí)這次我們更多地只是討論熱力學(xué)與傳熱學(xué)中的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，實(shí)際上 PC 的散熱會(huì)是一個(gè)更為復(fù)雜的過程，實(shí)際計(jì)算中需要考慮更多的參數(shù)，例如我們此次討論中的散熱器，是按照理想化的模型設(shè)計(jì)的，而實(shí)際設(shè)計(jì)的散熱器結(jié)構(gòu)上會(huì)更為復(fù)雜，當(dāng)中熱阻的組成也是有更多項(xiàng)目的，就連空氣的對(duì)流換熱系數(shù)，實(shí)際上也不是一個(gè)固定值，而是在不同的位置上要做相應(yīng)計(jì)算處理的，這里面涉及的知識(shí)面相當(dāng)廣，并不是我們一篇超能課堂可以完全說明的事情，我們也只能作理想話的講解。

散熱器的實(shí)際結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比理論推算中的更為復(fù)雜

回歸到 CPU 散熱器到底用銅材質(zhì)還是用鋁材質(zhì)更好的問題上，其實(shí)很多時(shí)候同學(xué)會(huì)下意識(shí)地認(rèn)為，CPU 滿載時(shí)溫度更高，發(fā)熱量就會(huì)更大。其實(shí)不然，事實(shí)上只要 CPU 的功耗不變，那么當(dāng)其溫度穩(wěn)定之后，其 " 發(fā)熱量 " 或者說總熱流量實(shí)際上是基本一致的。如果以電路的方式進(jìn)行解釋的話，那就是 CPU 及其散熱系統(tǒng)的整個(gè)組成，其實(shí)就相當(dāng)于是 " 變壓恒流電路 "，電流就相當(dāng)于是總熱流量，CPU 與室溫的溫度差則相當(dāng)于電壓或者說電勢(shì)差，熱阻自然就是電路中的電阻了。當(dāng)熱阻增大時(shí)，由于熱量不變，那溫差自然就需要增加，也就是說如果這個(gè)時(shí)候室溫不降低的話，那就只能是芯片的溫度上升了。

而想要降低芯片的溫度，那在不改變芯片發(fā)熱量、不改變室溫的前提下，就只能夠是降低散熱系統(tǒng)的熱阻了。如果在這個(gè)前提下再加入限制，例如不改變散熱器的尺寸和結(jié)構(gòu)，那就只能換用導(dǎo)熱系數(shù)更高的材質(zhì)，例如從鋁材質(zhì)換成銅材質(zhì)。這樣整套系統(tǒng)的發(fā)熱量與散熱量不變，但芯片的溫度確實(shí)可以降下來。因此 " 鋁比銅散熱更好 " 的說法在嚴(yán)格意義上來說是不正確的，散熱器用銅還是用鋁，甚至是用其它材質(zhì)，更多地只是影響熱源的溫度，對(duì)于 " 散熱量 " 來說是沒有改變的。當(dāng)然如果你只是看 CPU 的溫度是不是足夠低，那么在散熱器尺寸和結(jié)構(gòu)相同的情況下，銅材質(zhì)相比鋁材質(zhì)，確實(shí)可以讓芯片的溫度保持在更低的狀態(tài)。

那為什么如今 PC 上的多數(shù)散熱器都會(huì)采用 " 銅鋁結(jié)合 " 的方式，而不是溫度控制更為理想的純銅結(jié)構(gòu)呢？根據(jù)熱擴(kuò)散系數(shù)的公式，我們也可以得知鋁材質(zhì)相比銅材質(zhì)在熱擴(kuò)散速率方面相差并不大，也就是說兩者進(jìn)入到溫度平衡狀態(tài)的時(shí)間相差不大。因此純銅材質(zhì)的散熱器確實(shí)在 CPU 溫度上有更好看的表現(xiàn)，但是成本綜合考量包括成本、重量、加工難度等多個(gè)因素之后，其相比鋁材質(zhì)散熱器就有點(diǎn)投入與收益不成正比的意思了。

而純鋁散熱器則確實(shí)在溫度表現(xiàn)上不占優(yōu)勢(shì)，因此在綜合多方面的因素之后，在散熱器中占體積大頭，主要用于擴(kuò)展散熱面積的鰭片使用鋁材質(zhì)，與熱源直接接觸的結(jié)構(gòu)，如底座、熱管等使用銅材質(zhì)，這樣的結(jié)構(gòu)就形成了一個(gè)最佳平衡點(diǎn)，也就逐步演化為當(dāng)今主流乃至高端散熱器的基本結(jié)構(gòu)了。