TEC:超能課堂(253)：風冷、水冷之后，“半導體制冷”能帶來PC散熱的革命嗎？

風冷以及水冷，都是大家比較熟悉的散熱模式了。其實大家平時使用的一體式水冷，其部分原理仍舊屬于“風冷”的范疇，不過是散熱器的導熱介質由熱管的“蒸發-凝結”自動循環原理，替換為依靠由水泵電機主動循環帶動的液體傳導，最終所有的熱量還是通過風扇的轉動，形成強制對流，將鰭片或冷排的熱量傳遞到環境中幫助芯片降溫。因此，風冷與水冷散熱器都屬于“被動”的散熱的形式，因為芯片的高溫與環境的低溫所產生的溫差范圍，決定了傳統散熱器作為"熱量的搬運工"，最多只能將芯片的溫度降低至接近環境溫度。

隨著人類對于芯片計算能力的不斷追求，越來越多的晶體管被塞入了計算芯片，每一個計算單元的密度都在不斷提高，同時更高的頻率也帶給芯片更高的工作電壓與功耗。可以預見的是，未來數年我們都還將繼續追求提升芯片的計算性能，那么也意味著我們也需要不斷的持續攻克芯片溫度的散熱問題。僅僅依靠現有的“被動散熱”已經有些力不從心，是否需要一種“主動制冷”的新模式出現？

其實關于處理器的散熱模式，一直并不局限于常見的風冷/水冷。為了解決溫度問題，實現某些極端的目標，極客們不斷的嘗試油冷，壓縮機制冷，液氮，干冰等降溫方法。曾經最接近零售市場使用的OCZCRYO-Z系列壓縮機能夠通過相變制冷可以使蒸發器溫度達到-45℃，甚至有國外發燒友通過自制三級壓縮機系統，將溫度降至了-196℃，已相當于液氮的蒸發溫度。但是由于高昂的成本與復雜的使用方式，壓縮機系統是不可能普至到家庭使用。液氮，干冰就更是僅針對極限超頻這一特定目標的特殊手段而已，蒸發/升華速度非常快，只能帶來短時間的極限效能，這些方式并不具備充分的可控性與可復制性。

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那么有沒有一種看上去可控性高，使用簡易，成本低廉的散熱方式，來解決現有處理芯片的高溫問題呢？答案可能還是有的，那就是利用熱電效應原理的的半導體制冷技術。隨著今年11月IntelCryo相關相關的公布，接下也會有采用熱電制冷的民用級散熱器出現在DIY市場中，我們今天就來聊聊有關半導體制冷那些事。

什么是半導體制冷？

要了解半導體制冷這一具體到終端的技術應用，我們需要先了解的一個有關電與熱的基礎原理：熱電效應。

圖片來源：《理化檢驗-物理分冊-熱電材料的應用、研發及性能測試進展》李蒙等著

熱電效應是一個由溫差產生電壓的直接轉換，且反之亦然。簡單的放置一個熱電裝置，當他們的兩端有溫差時會產生一個電壓，而當一個電壓施加于其上，他也會產生一個溫差。這個效應可以用來產生電能、測量溫度，冷卻或加熱物體。因為這個加熱或制冷的方向決定于施加的電壓，熱電裝置讓溫度控制變得非常的容易。

熱電效應并非是一個獨立存在的術語，這個理論包含了三個分別經定義過的效應，分別是：塞貝克效應，帕爾貼效應與湯姆森效應

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塞貝克效應

1821年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢：

ES=S.△T

式中：ES為溫差電動勢，S為溫差電動勢率，△T為接點之間的溫差

帕爾貼效應

1834年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的相反效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

Qл=л.Iл=aTc

式中：Qπ為放熱或吸熱功率π為比例系數，稱為珀爾帖系數，I為工作電流，a為溫差電動勢率，Tc為冷接點溫度

湯姆森效應

英國物理學家威廉·湯姆森于1854年發現，當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為：

Qτ=τ.I.△T

式中：Qτ為放熱或吸熱功率，τ為湯姆遜系數，I為工作電流，△T為溫度梯度

通俗的講就是，第一，熱能產生電；第二，電也能讓導體產生溫差；第三，電流在溫差不均勻導體中流過時，還會吸收并釋放一定的熱量，形成高溫放熱與低溫吸熱的狀態。那么我們通過對導體成分的變化以及對電流的控制，便能夠形成各種可控的具體應用，比如熱能發電：可運用于軍事，航天，民用能源等各種領域；熱電制冷：與溫差發電相反，將電能轉化為熱能，制造出溫差電制冷機，由于這種類型的只能裝置無需壓縮機，也無需氟利昂等制冷劑，而且具有結構簡單、體積小、重量輕、作用速度快、可靠性高、壽命長、無噪聲等優點。此外，熱電冷卻不需要像機械制冷那樣不斷填充化學消耗品，沒有活動部件，也就沒有磨損，維護成本很低，同樣適用于軍事，航天，工業及民用制冷需求。我們今天重點要聊的“半導體制冷片”，便是熱電效應在制冷應用中的一種具體裝置形式。

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什么是半導體制冷片？

剛才講到的帕爾帖效應自發現100多年來并未獲得實際應用，因為金屬半導體的珀爾帖效應很弱，無法應用于實際。直到上世紀90年代，原蘇聯科學家約飛的研究表明，以碲化鉍為基的化合物是最好的熱電半導體材料，從而出現了實用的半導體電子致冷元件：熱電致冷器。

與傳統的風冷和水冷相比，半導體致冷片具有以下優勢：1.可以把溫度降至室溫以下；2.精確溫控；3.高可靠性；4.沒有工作噪音。

圖片來源：《熱管散熱型半導體冷箱的理論分析及實驗研究》曹志高2010

在TEC制冷片中，半導體通過金屬導流片連接構成回路，當電流由N通過P時，電場使N中的電子和P中的空穴反向流動，他們產生的能量來自晶格的熱能，于是在導流片上吸熱，而在另一端放熱，產生溫差。帕爾帖模塊也稱作熱泵，它既可以用于致熱，也可以致冷。半導體致冷片就是一個熱傳遞工具，只要熱端的溫度高于某溫度，半導體制冷器便開始發揮作用，使得冷熱兩端的溫度逐漸均衡，從而起到致冷作用。能夠運用與PC散熱器的半導體制冷片，便是這樣的原理。TEC散熱片的吸熱端貼近發熱的CPU，給CPU降溫，TEC另外一面進行放熱，其具備無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕等特點，且工作可靠，制冷速度極快，易于進行溫差冷量可控調節。

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聽起來很適合PC芯片這種功耗波動較大的發熱體，而且并不是新的技術，為什么以前廠商并沒有深入嘗試將TEC制冷應用于PC散熱領域呢？

TEC半導體制冷應用于PC散熱的難點

能耗較高

對普通家用PC來說，使用TEC散熱器的能耗比過低。目前半導體制冷系數較小，制冷時消耗的能量遠大于制冷量。比如EK目前公布的EK-QuantumXDeltaTEC水冷頭滿負荷工況功耗為200W，甚至某些情況下超過了它的服務對象CPU。我們的電腦10年主流電源功率為300W，5年前約為400W，如今也不過500W左右，并沒有足夠多的盈余的功率空間留給TEC制冷設備使用。所以除了少部分擁有大功率電源的高端臺式機，TEC散熱器現階段還無法成為主流的PC散熱解決方案。

大功率TEC無法獨立工作

TEC制冷片在工作時，冷端制冷的同時需要在熱端進行有效的散熱，需要散去的熱量包含帕爾貼效應釋放的熱量和制冷片本身的焦耳熱。也就是說，TEC制冷裝置若要進行大功率制冷輸出給CPU散熱的同時，自身也需要被持續散熱，應用在PC領域的話，就是還需要疊加較高性能的水冷來進行TEC制冷片的散熱。所以無論是EK-QuantumXDeltaTEC還是酷冷至尊ML360Sub-Zero，最終呈現的TEC產品均為水冷+TEC制冷裝置融合的產物。

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對于壓制高功耗CPU的散熱性能領先幅度存疑

按照目前廠商已公布的數據，EKTEC結合分體式水冷的情況下，最多壓制338W的CPU，酷冷TEC在結合360一體式水冷的情況下，可壓制最大功率為250W的CPU，對比傳統的高性能360水冷散熱器，在面對全核滿載的高功耗處理器的情況下，領先幅度可能沒有想象的大。

工作溫差較大易導致主板元器件結露損壞

空氣中的水分在面對TEC制造的較大溫差環境，在低于室溫的部件位置容易形成結露，需要在處理器周圍設計一定的密封環境，避免結露風險。

需要軟硬件精密無縫配合

CPU運行過程中，頻率與功耗波動較大，需要制冷片的能夠靈敏的針對CPU功耗、溫度進行實時調節，而不是簡單粗暴的“全功率制冷-暫停制冷”模式循環。如果要讓TEC變得智能好用，就需要軟硬件結合的控制系統，從頻率，溫度，濕度，功耗，電壓全方位的進行接管監測。IntelCryo項目的成立，進行各種軟硬件通用標準的建立，就是為了讓這一套完整的TEC制冷方式能夠實現民用化。

成本較高

目前應用于PC領域的TEC半導體散熱器，已知的酷冷至尊ML360Sub-Zero零售價為2999元人民幣，EK-QuantumXDeltaTEC僅分體式水冷頭約合2350元人民幣，在沒有足夠量產的情況下，加之新品新技術溢價，成本一定非常高昂，售價比常規360一體式水冷高出2~3倍。至少在TEC類型散熱器的產品生命周期前端，并不會進入尋常家庭被普遍使用。

TEC半導體制冷應用于PC的優點

制冷溫度可以低于環境溫度甚至低于0度

TEC散熱器能夠產生足夠大的溫差，只要功率足夠，從+90℃到-130℃都可以實現。當CPU功耗處于某個較低的功耗區間時，TEC能讓其內核的溫度低于環境溫度。注意，這種低于環境溫度的情形，并非任何時候民用低功率TEC散熱器都能達成，僅能在CPU低功耗運行的過程中能夠產生低溫。

TEC具備的大溫差制冷特性，能更好解決晶體管密集的工藝下的發熱問題

隨著工藝制程的提升，晶體管密度增加，CPU的核心的封裝DIE面積越來越小，根據熱力學原理，導熱面積越小的情況下，需要更大的溫差來維持熱傳導性能，溫差較小的傳統散熱形式無法解決這個問題。即便CPU功耗并不高，但仍然會嚴重積熱，導致頻率上限過低。但CPU的發展之路注定了晶體管密度還將繼續提升。TEC天然具備較大的溫差屬性，可能是解決小面積高熱量傳導的最佳方案。

TEC散熱器更符合CPU矽晶在工作時的頻率/功耗/電壓/溫度四者關系特性

CPU內核溫度越低，就能在同功耗甚至更低的功耗下，達到更高的頻率，可簡單理解為CPU都是低溫高能，高溫低能的產品。平時大家無法體會到這個特性，是因為性能最強的風冷和水冷都無法做到讓處理器低于室溫，使其內核穩定的停留在到0℃~20℃的穩定溫度區間。打個比方，假如讓一顆CPU的某一個核心運行在5.5GHz的超高頻，在TEC的壓制下，可以將其控制在50℃，50W功耗，1.3V電壓；如果沒有TEC的大溫差制冷，這個核心溫度會急劇提升至90度以上，在高溫下要維持內核的高頻，電壓會提升至1.45V，單核功耗提升至80W，最終導致CPU無法穩定高頻運行。用TEC散熱器，就相當于開啟了一個特別定制的CPU舒適溫區，讓部分核心去沖擊在傳統散熱條件下無法達成的高頻率。

提升普通應用的處理器性能

并非所有程序都能夠很好的利用主機的多核心資源，我們日常辦公，游戲等應用仍然更需要強勁的單核心性能而非多核低頻，因此TEC散熱器能夠幫助用戶便利的達到符合實際應用需求的更高頻率，即便是核心不那么多，也能帶來更好的實際性能。這也是類似于Inteli59600K，Inteli510600K這類少核高頻處理器存在的意義。

可精確智能控制，可批量生產，可控體積的另類超頻工具

TEC散熱器，正因為更符合CPU內核“低溫高能，高溫低能”的工作特性，同時具備可量產，可精確智能調節的屬性，就能夠在某些特定目標下替代不可控且繁瑣的液氮超頻，成為新概念的超頻工具。

TEC半導體制冷應用于PC領域的前景

TEC半導體制冷并非全新技術，這是一位理論概念已存在了100多年，且實際應用于工業，航天，軍事領域已經幾十年的老朋友。從概念上來說，TEC半導體制冷散熱器所具備的優勢特性，的確能夠與PC主機硬件有一個好的結合。假如未來量產后的成本能夠大幅度降低，將這個目前看上去挺神秘的“黑科技”下放到常規的240水冷并適當提升售價，對終端用戶來說，將不僅僅是得到了一個散熱器，它還是一個夠發揮自己獨特屬性，幫用戶提升額外性能的工具。對于這個“外掛”，我們沒理由不期待！

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