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(jīng)發(fā)售一周的時(shí)間，相信大家通過(guò)各種評測文章都已經(jīng)對于新一代的CPU已經(jīng)有了比較深入的了解。從外觀(guān)上說(shuō)，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(cháng)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(huì )有這樣的改變呢？有同學(xué)可能會(huì )下意識認為，這是因為以前的設計沒(méi)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(lái)說(shuō)，其內部的封裝尺寸是10.5*20.5mm，實(shí)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(shuō)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(shí)已經(jīng)給大家簡(jiǎn)單講過(guò)CPU頂蓋的變化以及CPU頂蓋的作用，實(shí)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(huì )有一層經(jīng)過(guò)打磨的封裝，才可以直接往上面裝散熱器進(jìn)行直接散熱。只是這個(gè)外露封裝的面積實(shí)在太小了，而發(fā)熱量卻隨著(zhù)核心規模的提升的快速上漲，散熱器特別是風(fēng)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(lái)越大，核心被散熱器壓碎的幾率也就越來(lái)越高。

在這種情況下，我們現在看到的CPU金屬頂蓋就應運而生了?，F在的CPU在外部結構上其實(shí)與2000年前后的產(chǎn)品并無(wú)太大差異，核心依然是直接放在基板上，不再進(jìn)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(gè)導熱介質(zhì)，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(guò)金屬頂蓋均勻地釋放到基板上，使得CPU基本不會(huì )出現被散熱器壓壞的尷尬。

然而追加CPU頂蓋后，不可否認確實(shí)在散熱效能上會(huì )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(zhì)-散熱器”變成了“核心-介質(zhì)-頂蓋-介質(zhì)-散熱器”，也就說(shuō)熱量從CPU核心傳到散熱器上的阻力就更大了。那么有沒(méi)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(chǎng)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(shí)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(shí)際上是存在兩個(gè)散熱系統的。首先是頂蓋為CPU核心進(jìn)行散熱，然后才是散熱器為頂蓋散熱。我們先來(lái)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(mǎn)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(mǎn)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(zhù)在單位面積里酷睿i9-12900K的發(fā)熱其實(shí)要更高一些。

倘若我們不安裝CPU散熱器，那么通過(guò)熱傳感圖像我們可以看到，CPU在通電開(kāi)機后馬上就進(jìn)入到發(fā)熱的狀態(tài)，頂蓋的溫度會(huì )隨之升高，但整個(gè)頂蓋并不是每一個(gè)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(huì )略高一些，因為這個(gè)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(guò)熱自動(dòng)斷電了。

因此想要讓CPU核心的溫度降下來(lái)，首先要做的就是增強金屬頂蓋的散熱能力。在熱力學(xué)中，傳熱速率的方程式為Q=KAΔt，其中K為總傳熱系數，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(guò)程，提升傳熱速率。在CPU核心與金屬頂蓋的散熱系統中，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K則相當于核心與金屬頂蓋之間導熱介質(zhì)的效能，因此從第9代酷睿處理器開(kāi)始，英特爾就是用了釬焊工藝來(lái)代替導熱硅脂，就相當于是提升了傳熱系數，使得熱量可以更快地從核心傳輸到金屬頂蓋上。

而要改變Δt溫度差，對于金屬頂蓋來(lái)說(shuō)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(zhì)量和溫差有關(guān)，也就是說(shuō)同等物質(zhì)在上升同等溫度的情況下，質(zhì)量越高所需要吸收的熱量就越高，這也就意味著(zhù)更大、更厚的金屬頂蓋，確實(shí)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(wú)限做大，畢竟這會(huì )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(gè)才是當今CPU散熱器的真正作用。

散熱器是如何輔助頂蓋進(jìn)行散熱的？

在完整的CPU散熱系統中，CPU核心的熱量在傳輸到頂蓋上之后會(huì )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(gè)過(guò)程同樣要遵守傳熱速率方程式為Q=KAΔt，而在這里傳熱系數的影響會(huì )比較大，因為金屬頂蓋的材質(zhì)主要是銅，導熱系數高達400W/mK，而頂蓋與散熱器之間的導熱系數則基本是由介質(zhì)也就是硅脂決定，好一點(diǎn)的硅脂也不過(guò)是15W/mK的水準，兩者差異巨大。

因此CPU核心的熱量傳輸到頂蓋之后，不僅會(huì )被散熱器吸收，而且還會(huì )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(huì )很大，但溫度遠遠高于散熱器的溫度。此時(shí)CPU散熱器對頂蓋的散熱將繼續遵循熱速率方程式為Q=KAΔt，因此持續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(huì )更大

因此現在第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(shí)，不少散熱廠(chǎng)商除了提供LGA1700的專(zhuān)用扣具外，也有不少散熱器可能要進(jìn)行重新設計來(lái)針對12代酷睿處理器進(jìn)行優(yōu)化，某種意義上說(shuō)也是散熱器廠(chǎng)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(shí)單純地將金屬頂蓋變大變厚，能直接給核心帶來(lái)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(gè)散熱系統有了更高的效能。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(shí)已經(jīng)下了一番功夫。

至于接下來(lái)的如何進(jìn)一步為CPU降溫，這就是各大散熱器廠(chǎng)商所需要做的工作了，可以預見(jiàn)在未來(lái)的一段時(shí)間里，我們會(huì )看到各種各樣為第12代酷睿處理器所優(yōu)化的散熱器產(chǎn)品，或許那個(gè)時(shí)候才是入手第12代酷睿處理器的更佳時(shí)機。