又輕又強還不燙？聊聊輕薄型遊戲本的散熱設計

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最近玩了不少輕薄型設計的遊戲本，而且現在的大趨勢是配置越高端，設計也越極端，比如華碩GX501、比如AORUS AERO 15X，但輕薄的大前提是壓縮內部空間，15.6英寸遊戲本從3.5公斤下降到3公斤可以削薄甚至取消防滾架，改用承力點加固。也可以把C殼基板做成鏤空型，降低材料重量；採用更多層PCB、高度集成固化設計、縮減升級空間等方案也屢見不鮮，所以往往越是高端越是輕薄的遊戲本，其實處處都在妥協，而這種妥協雖然減少了物料成本，但大幅增加了設計和制模成本，價格反倒明顯更貴。而且最關鍵的是，現在大家還眼巴巴的望著希望能打進2公斤的大門，這也就引入了一個非常關鍵的問題：散熱模組該怎樣妥協？

散熱一詞，拆開來看其實就是開源與節流，增加散熱模組性能就開源性的增強了「散」，而降低元器件發熱量就是節流性的減少「熱」。所以，輕薄型遊戲本的散熱設計往往都是從這兩個角度同時入手的，先來說後者吧。

目前在移動端，CPU功耗遠遠低於GPU，一直以來高性能GPU都意味著高功耗，從原理來看，每一顆晶體管的每一次翻轉都在消耗能量，當然，它的消耗量很小，但像GTX 1070，在台積電16nm製程下足足塞進了72億顆晶體管，當規模達到這個級別的時候，消耗就非常可觀了。除此之外，高端遊戲本無論輕薄與否也一定會採用至少i7級標準電壓CPU，而CPU功耗則包含動態功耗、短路功耗和漏電功耗三個大類，它們的共性就是隨頻率增大而增大，後兩者主要是受製程影響，變化與頻率呈線性，動態功耗比較特殊，取決於製程、電壓平方和頻率的乘積，而且頻率越高電壓也越高，而且達到轉角點後會以冪函數形式劇烈攀升。所以，高性能和低功耗在現有技術條件下幾乎是背道而馳的，而高功耗則會引發熱密度的快速增加，造成明顯的熱堆積——越是高性能，就需要強有力的散熱模組。

所以，要實現輕薄，最根本的解決方案就是降低功耗，從製程來下手可以說是「治本」，但製程進步需要以年為單位的時間，而市場的饑渴程度顯然沒有辦法乾等下去，這時候NVIDIA就先出招了，在去年推出了Max-Q版GPU，其實就是降頻版，而如前面所說，在工藝不變的情況下，頻率是決定功耗的唯一變數。這一點在CPU端也是一樣的，i7 8750H為什麼把基準頻率僅僅設置在了2.2GHz？就是用比前代多出來的兩顆核心來換頻率，便於做cTDP down——在傳統設計的遊戲本里，i7 8750H常態跑滿45W難度不大，但在妥協了散熱模組的輕薄型遊戲本里，跑不到40W，散熱負載就基本到頂了。

換句話說就是，當前工藝下的輕薄型遊戲本，尤其是頂級產品，越輕薄性能縮水越嚴重。

節流的話題差不多就是這樣，那麼開源呢？其實前面已經基本有個前提結論了：目前輕薄型遊戲本的散熱設計目的並不是性能釋放，因為散熱模組的性能天花板就在那裡，硬上只會導致非常明顯的機身發熱問題，嚴重影響使用體驗。所以輕薄型遊戲本的散熱設計的核心是：舒適。而舒適又可以延伸出以下幾種不同的散熱策略:

第一就是降頻，反正我什麼都不管，負載一高我就降頻，而且絕不會再彈回去。不僅僅是輕薄型遊戲本，部分常規設計的也會這樣做，根本原因就是散熱模組縮水，比如這種：

區別在於輕薄型是無可奈何，常規型則純粹是為了摳成本。而降頻對於散熱來說好處顯而易見，CPU幾乎不會超過70度，一首涼涼送給大家……但缺點就是性能也跟著縮水了，法拉利怒變法拉夏利！

第二是動態變頻，顧名思義，就是頻率隨溫度變化而變化，一開始可以猛跑全速，溫度直奔90度開外去，但當CPU內任何一個溫度感測器讀數超過保護機制（比如BD PROCHOT）設置的閾值時，就會自動降頻和降低電壓來減少發熱，但這個機制的設計跟BIOS關係密切，如果響應不及時，就會超過關鍵保護閾值，系統會自動關機，這在一些純公模機型上並不算少見。

而降頻幅度也不是恆定的，以某i7 8750H輕薄型遊戲本為例，它的下降幅度可能是從最高睿頻65W，扣到基準頻率37W，甚至可能會直接拉到最低倍頻，以0.8GHz，10W不到的功耗運行。而當溫度下降到某個閾值後，頻率和電壓又會重新加回來，溫度攀升，周而復始，形成上圖中LOG表裡的起伏形態，可以看到GPU頻率和溫度也會隨之變化。

這種策略的優點是不會持續高發熱，但缺點是性能變化會比較明顯，需要夠高的幀速基數來做支撐，比如高頻率時可以跑到140fps，低頻率時也能跑到90fps，這就不會明顯影響遊戲體驗了，而採用這種策略的大多是一線品牌。

第三種是維持基準頻率，但也還是燙。這就是跑得太快、為更輕薄設計而妥協太多的後果，基本上是一跑就掉到基準頻率，溫度卻下不去，也沒有再繼續下調頻率，就一直維持在這個狀態下。基本上那些體重數據很驚艷的遊戲本都會遇到這個問題，這會導致Max-Q的GTX 1070哪怕是搭配i7 8750H，也可能被拖回常規GTX 1060+i7 7700HQ的性能水準：

常規形態的遊戲本還會有死都不降頻的設計，這主要是仗著散熱模組性能夠高，再加上品牌的藝高人膽大。但在輕薄型遊戲本上沒有這種設計，就不展開了。

所以單單從溫度數據來看，實現舒適對輕薄型遊戲本來說很有難度。不過，絕對數值雖然無法很好地控制，但具體到機身的發熱點卻是可以控制的，關鍵就是讓玩家在長時間吃雞的時候，體感上不會覺得這台筆記本很燙。而這就純粹是各家設計師的神仙打架了，目前來看主要的思路有以下幾種：

走極端的就是鍵盤下移，代表作華碩GX501、宏碁Triton700。目的就是讓操控躲開高發熱區域，手腕也不會接觸到機身了，機內的散熱布局也可以盡量鋪大，反正你沒事也不會去碰它，但因為大幅改動了機內設計布局，需要單獨開模，而且出貨量小，所以成本相當高。而且散熱上或許實現了舒適，操控體驗可就很難講了。

機智一點的品牌就在細節設計上做文章，第一點就是多開散熱出風口，最開始在遊戲本上玩這招的明星產品是老一代的戴爾游匣，開了3個出風口，而多1個出風口意味著熱管們多一個地方透氣，不用都擠在一起，從而提高散熱效率。AORUS是比較喜歡玩這個設計的品牌，不過在AERO系列上並沒有使用，原因應該還是跟結構強度和內部空間有關，畢竟它真的很薄。

再聰明一點的設計就是把高發熱元器件遠離玩家的主操作區域，也就是鍵盤左側，QWERASDF這個區域，比如這台：

大家注意看它的CPU和GPU位置，再仔細看最頂端供電模塊的位置，很容易看出它的設計就是把高發熱元器件置頂，讓鍵盤面對應的高溫部位處於基本上不會去觸碰的頂部區域，我做了一點模糊效果，但應該也不難看出M.2固態硬碟和機械硬碟都位於左側，也就是右腕托對應的位置，左腕托位置沒有高發熱部件，這個設計就符合操作舒適的原則。而且這台輕薄型遊戲本是四齣風口設計，因此散熱效率也相對較高。

沒有特別注意規避熱區的設計是這樣的：

雖然是CPU/GPU散熱互不串擾獨立熱管設計，但比較明顯可以看到CPU正好位於左手操作區域下方，所以即便是傳統型遊戲本，熱觸感也會很直接影響到操作，不會特別舒適。不過，從工程師思維來說，只要能控制在硬體最高限制溫度以內，這就是好的散熱。而且大多數情況下影響具體設計的關鍵是成本，風扇尺寸多大、頁片材料、頁片厚度、頁片形狀（理論上薄型金屬高密度頁片效率更好）、用什麼馬達（影響噪音和能耗），熱管用多少條、各自多大內徑、長度多少、幾次彎折、做不做防氧化處理（從表象來看也即熱管是否塗黑，有防氧化策略可以讓導熱率在較長年限使用時也足夠穩定）……因此也幾乎只有利潤空間較大的機型，才會著實去從設計角度考慮用戶體驗。

設計上複雜，功能上妥協，性能還不如傳統產品，關鍵是賣得更貴，該燙的地方還燙得不得了……這就是現有輕薄型遊戲本面臨的現實。在CPU端，4核心化的8代低電壓CPU已經以20W左右的功耗，實現了與同為4核的7代45W功耗標壓CPU接近的性能（散熱不是問題的情況下），10nm時代還是可以期待一下下。但高性能GPU做輕薄化的問題比較明顯，一直不能很好的收住功耗：GTX 1070超110W，GTX 1080超160W都很正常，傳言1100系列的主要改進就是降低功耗，還算值得期待一下吧。

所以總結而言，以目前的工藝想要做一台可以操作觸感舒適，性能表現也達到流暢舒適的輕薄型遊戲本，首先是要採用夠強的基準配置，比如i7 8750H+GTX 1070，解析度必須是全高清不能更多，這樣就預留了充足的性能冗餘來應對高發熱降頻後的幀速下滑。CPU、GPU等高發熱元件的位置要優先規避左手區域，供電模塊等區域也要有專用的熱管輔助，固態硬碟、機械硬碟等溫度同樣不低的硬體布局到對應鍵盤面的右側，設計的核心就是保證左手操控區域，包括腕托都不會有高發熱點，而且厚度不能削得太狠，否則會變成基準頻率也持續高發熱的狀態……這就是目前能做的工作了，而且還是在沒有考慮散熱噪音的前提下，可謂任重道遠啊。