超能課堂(293)：為什么第12代酷睿處理器的頂蓋變大又變厚了？

英特爾第12代酷睿桌面處理器已經發(fā)售一周的時間，相信大家通過各種評測文章都已經對于新一代的CPU已經有了比較深入的了解。從外觀上說，這次第12代酷睿處理器最大的變化就是從之前的正方形變?yōu)榱碎L方形，其金屬頂蓋也因此而改變了尺寸，與散熱器的接觸面從第11代酷睿處理器的31.6*27.65mm增大到38.25*28.25mm，相當于增加了24%的散熱面積，而且金屬頂蓋的厚度也有所增加，提升到了3.3mm的水平。

那為什么第12代酷睿處理器會有這樣的改變呢？有同學可能會下意識認為，這是因為以前的設計沒有足有的空間放下新CPU的核心，然而根據資料顯示，第11代酷睿處理器所用的頂蓋并非覆蓋不了第十二代酷睿處理器的核心，以目前最頂端的酷睿i9-12900K來說，其內部的封裝尺寸是10.5*20.5mm，實際上比11代酷睿處理器核心封裝的11.5*24mm還要更小一些，因此12代酷睿處理器之所以換用尺寸更大的金屬頂蓋，顯然不是因為尺寸不適用。那具體是什么因此促使12代酷睿處理器作出如此變化呢？這就需要從CPU金屬頂蓋的作用說起了。

CPU的金屬頂蓋到底有什么用？

CPU核心曾采用外露設計

在我們的超能課堂文章《超能課堂(256)：CPU頂蓋之變遷》中其實已經給大家簡單講過CPU頂蓋的變化以及CPU頂蓋的作用，實際上CPU頂蓋一直存在，只是以前是CPU核心的外部封裝直接作為頂蓋使用，即便是核心外露的CPU，其表面也會有一層經過打磨的封裝，才可以直接往上面裝散熱器進行直接散熱。只是這個外露封裝的面積實在太小了，而發(fā)熱量卻隨著核心規(guī)模的提升的快速上漲，散熱器特別是風冷散熱器體積和重量也隨之增大，扣具給CPU施加的壓力也是越來越大，核心被散熱器壓碎的幾率也就越來越高。

在這種情況下，我們現(xiàn)在看到的CPU金屬頂蓋就應運而生了?，F(xiàn)在的CPU在外部結構上其實與2000年前后的產品并無太大差異，核心依然是直接放在基板上，不再進行整體封裝處理，只是核心的上面追加了金屬頂蓋，其與核心之間有一個導熱介質，可以吸收核心的熱量，再傳遞到散熱器上面。而散熱器的安裝壓力也不再直接施加到核心上，而是通過金屬頂蓋均勻地釋放到基板上，使得CPU基本不會出現(xiàn)被散熱器壓壞的尷尬。

然而追加CPU頂蓋后，不可否認確實在散熱效能上會比直接在內核上裝散熱器要弱一些，畢竟熱量的行程從“核心-介質-散熱器”變成了“核心-介質-頂蓋-介質-散熱器”，也就說熱量從CPU核心傳到散熱器上的阻力就更大了。那么有沒有什么方法可以彌補加裝頂蓋后所增加的熱阻呢？把金屬頂蓋變大、變厚就是CPU廠商給出的答案。更大更厚的金屬頂蓋不僅可以承擔更高的散熱器安裝壓力，同時還可以有效加強CPU的散熱效能。

目前我們熟知的CPU散熱流程，實際上是存在兩個散熱系統(tǒng)的。首先是頂蓋為CPU核心進行散熱，然后才是散熱器為頂蓋散熱。我們先來看第一部分，也就是CPU與頂蓋之間的散熱。以酷睿i9-12900K為例，其滿載功耗在235W左右，核心面積則為10.5mm*20.5mm=215.25mm2，相當于功率密度為1.09W/mm2，而酷睿i9-11900K在相同負載下的滿載功耗為255W，核心面積則為11.5mm*24mm=276mm2，相當于功率密度為0.92W/mm2，顯然酷睿i9-12900K的功率密度要更高一些，也就意味著在單位面積里酷睿i9-12900K的發(fā)熱其實要更高一些。

倘若我們不安裝CPU散熱器，那么通過熱傳感圖像我們可以看到，CPU在通電開機后馬上就進入到發(fā)熱的狀態(tài)，頂蓋的溫度會隨之升高，但整個頂蓋并不是每一個位置都同步升溫，大體上是從中部溫度更高，而后熱量向頂蓋四周迅速擴散，但中心位置的溫度始終都會略高一些，因為這個位置就是一直發(fā)熱的CPU核心，金屬頂蓋的傳熱速度雖然快，但與核心的發(fā)熱速度相比仍然要低得多，因此在堅持1分鐘左右后，CPU就過熱自動斷電了。

因此想要讓CPU核心的溫度降下來，首先要做的就是增強金屬頂蓋的散熱能力。在熱力學中，傳熱速率的方程式為Q=KAΔt，其中K為總傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，Δt為溫度差，顯然提高K、A，Δt中的任何值，均可強化傳熱過程，提升傳熱速率。在CPU核心與金屬頂蓋的散熱系統(tǒng)中，傳熱面積就相當于CPU核心的面積，這部分要改變基本上不可能，總傳熱系數(shù)K則相當于核心與金屬頂蓋之間導熱介質的效能，因此從第9代酷睿處理器開始，英特爾就是用了釬焊工藝來代替導熱硅脂，就相當于是提升了傳熱系數(shù)，使得熱量可以更快地從核心傳輸?shù)浇饘夙斏w上。

而要改變Δt溫度差，對于金屬頂蓋來說減緩自身溫度的上升，使自己可以與核心保持足夠的溫差。根據公式Q=cm△t，物體升溫所需要吸收的熱量與比熱容、質量和溫差有關，也就是說同等物質在上升同等溫度的情況下，質量越高所需要吸收的熱量就越高，這也就意味著更大、更厚的金屬頂蓋，確實可以在保持一定溫差的情況下，吸收更多的核心熱量。

然而頂蓋的體積不可能無限做大，畢竟這會讓CPU的重量和體積徹底失控。因此為了讓金屬頂蓋可以維持對CPU核心的散熱效能，CPU散熱器就必須讓CPU頂蓋可以一直維持清涼，是其保證與CPU核心存在足夠的溫度差，這個才是當今CPU散熱器的真正作用。

散熱器是如何輔助頂蓋進行散熱的？

在完整的CPU散熱系統(tǒng)中，CPU核心的熱量在傳輸?shù)巾斏w上之后會有兩條傳播途徑，一部分是被CPU散熱器吸收，另一部分是傳遞到頂蓋的其他位置，這個過程同樣要遵守傳熱速率方程式為Q=KAΔt，而在這里傳熱系數(shù)的影響會比較大，因為金屬頂蓋的材質主要是銅，導熱系數(shù)高達400W/mK，而頂蓋與散熱器之間的導熱系數(shù)則基本是由介質也就是硅脂決定，好一點的硅脂也不過是15W/mK的水準，兩者差異巨大。

因此CPU核心的熱量傳輸?shù)巾斏w之后，不僅會被散熱器吸收，而且還會迅速傳遞到CPU頂蓋四周，在加上頂蓋升溫所需要吸收的熱量也要比散熱器升溫所需要的少，因此頂蓋溫度與CPU核心的溫差不會很大，但溫度遠遠高于散熱器的溫度。此時CPU散熱器對頂蓋的散熱將繼續(xù)遵循熱速率方程式為Q=KAΔt，因此持續(xù)降低散熱器本身的溫度、增大散熱器與CPU頂蓋的有效接觸面積、換用性能更好的硅脂都可以增強散熱效能。

為了配合12代酷睿處理的設計，新一代的散熱器底部面積可能會更大

因此現(xiàn)在第12代酷睿處理器的頂蓋面積更大，散熱器的底座也需要作出相應的改變，必須要做到可以完全且有效覆蓋CPU頂蓋。所以在第12代酷睿處理器發(fā)布的同時，不少散熱廠商除了提供LGA1700的專用扣具外，也有不少散熱器可能要進行重新設計來針對12代酷睿處理器進行優(yōu)化，某種意義上說也是散熱器廠商的一次競爭機遇。

更大更厚的頂蓋對于12代酷睿CPU是必要的嗎？

其實單純地將金屬頂蓋變大變厚，能直接給核心帶來的散熱效能提升是比較有限的，但是頂蓋面積變大之后，其與散熱器之間的散熱效能提升更為明顯，間接地也就提升了CPU內核與頂蓋之間的散熱效率，從而使得整個散熱系統(tǒng)有了更高的效能。因此第12代酷睿處理器的頂蓋改變肯定是有必要的，為了能讓CPU變得更為清涼，英特爾確實已經下了一番功夫。

至于接下來的如何進一步為CPU降溫，這就是各大散熱器廠商所需要做的工作了，可以預見在未來的一段時間里，我們會看到各種各樣為第12代酷睿處理器所優(yōu)化的散熱器產品，或許那個時候才是入手第12代酷睿處理器的更佳時機。