作者：Jeremy Cook
计算机运行需要电能。在 CPU 层面，这些输入能量中的大部分在 1 和 0 之间翻腾时转化为热量。因此，工程师在设计计算机时不得不考虑散热问题和 CPU 冷却，以避免在高负载下“煮熟”设备。这是一个简单的概念：提取比处理器产生的热能更多的热量，以应对使用高峰。
在本文中，我们将研究可用的 CPU 冷却类型，从非常简单的（或不存在的）到现实生活中很少应用的极端情况。
没有增加 CPU 冷却功能：可以（也许可以）
在许多情况下，CPU 冷却并不是简单设备设计的一部分。考虑高能效的 ATTiny 系列微控制器。它们的功耗极低，这意味着产生的少量热量很容易散发。在其他情况下，例如 Raspberry Pi 单板计算机 (SBC)，热量积聚可能会成为更大的问题。但是，如果您没有对处理器进行任何过于密集的操作，它通常能够毫无问题地散发足够的热量。CPU 的热量积累和散发是累积的，因此尽管活动中的短暂峰值可能不会触发任何热警报，但持续的热负载可能是一个问题。
在 Raspberry Pi 的情况下，当温度过高时，CPU 的运行会受到抑制，因此您（希望）不会永久损坏您的硬件。同时，这意味着您放弃了通过增加散热可以轻松获得的性能。
基本 CPU 冷却：散热器加风扇
最基本的冷却方法是使用导热膏或导热胶带（统称为 TIM 或导热界面材料）将散热器直接贴在处理器上。散热器通常由高导热性的铜或铝制成，基本上增加了热量从处理器中散发出去的表面积。
作为热交换器，铜的导热性（约 400W/m*k）优于铝（约 200W/m*k）。然而，铜比铝更贵也更重。虽然您在购买热交换器时可能不会直接选择材料，但这仍然是需要注意的事情。
为了进一步增强散热，使用 CPU 冷却风扇主动将空气吹过散热器可以大大提高性能，因为较冷的空气会在散热片上不断循环。这里的缺点是风扇本身需要能量和控制器（除非它们不停地运转），并产生噪音。风扇也会随着时间的推移而磨损，这种持续的空气循环会将灰尘带入系统内部。
增强的 CPU 冷却：热管和真空室（加上风扇）
固态金属散热器的下一步是使用热管和/或真空室。这两种设备都使用热流体（通常只是水），当处理器受热时，热流体就会蒸发，从而吸收热量。在热管的情况下，蒸发的流体通过管道将热能传输到较冷的区域。然后冷凝（释放热能）并在毛细作用下通过毛细表面返回到较热的 CPU 区域。
真空室使用相同的热管蒸发/冷凝循环工作。真空室通常不采用长管（通常是弯曲管）的形式，而是采用直接位于处理器顶部的扁平方形形式。在薄薄的真空室内，液体蒸发并冷凝，将热量从一个区域传播到另一个区域。散热器、风扇和/或热管可以与真空室结合使用，用于增强冷却设置。
这些方法可满足大多数计算机冷却需求，但也许您需要更好的方法。目前实践中有三种更极端的 CPU 冷却方法。
极端 CPU 冷却 #1：液体热传输和热泵
CPU 水冷的工作方式与内燃机冷却系统类似：将冷却液（水）从热处理器循环到外部辐射冷却装置。与大多数方法一样，这种水 CPU 冷却可以与其他方法（例如风扇、散热片）结合使用，以实现充分利用。
水冷见于高端游戏机和定制电脑。如果您想在流体热传输方面更进一步，您可以采用一种机械上类似于冰箱的相变装置（即热泵）。这几乎可以轻松减轻任何处理器的热量，但对于 CPU 冷却来说，这太不寻常了，以至于在撰写本文时，它更像是一个昂贵的原型和/或演示方案。
极端 CPU 冷却 #2：液体浸没冷却
另一种选择是将电子设备浸入冷却液中，通常是矿物油。矿物油可以吸收热能以保持组件冷却，但在CPU长时间负载下，它的散热效果取决于几个因素。虽然没有风扇需要维护，但矿物油最终会蒸发和/或变脏。一大桶随时可能爆炸的液体洒到地板上或通过电缆吸出也会造成问题。
虽然直接液冷对于家用电脑或服务器来说可能不切实际，但按照计算标准来看，这实际上是一个非常古老的想法。CRAY-2 超级计算机是 1985 年发布的世界上最快的计算机，它成功地使用了直接液体冷却，使当时强大的处理单元能够安装在相对紧凑的 53 英寸（135 厘米）直径内。被处理器加热的液体被输送到一个外部“瀑布”冷却装置，据报道，它的绰号是“气泡”。
极端 CPU 冷却 #3：低温位置
另一个极端的解决方案是：为什么不将您的处理器从炎热的地理环境迁移到较冷的环境呢？在消费者层面上，这几乎没有意义—也许除了将您的个人服务器保存在寒冷的地下室中之外—但对于大型企业来说，这是值得考虑的。2013 年，Meta（当时的 Facebook）在距离北极圈 70 英里的瑞典吕勒奥开设了一个近北极服务器场。据报道，它的耗电量比传统数据中心低近 40%。虽然好处似乎很大，但由于基础设施和连接方面的挑战，十年后似乎不会出现寒冷气候的计算用地热潮。有关数据中心级服务器冷却的更多信息，请务必查看本文。
处理器冷却：始终需要（但通常自然散热）
最终，许多处理器在没有散热器的情况下运行不会有问题。据报道，人们已经想出了创造性的解决方案，比如在计算设备上附加一枚硬币，以在必要时获得一点额外的热量。同时，在许多情况下，如果不考虑散热问题，就无法获得所需的性能。我想到了超频处理器。
无论您的应用是什么，都不要忘记热量的影响。有很多种方法可以在需要时保障散热，因此回到绘图板上考虑不同的选择可能会很有用。
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