静PC的无风扇之路

不知道为什么, 很久以来自己就对电脑中的风扇、硬盘,甚至早年的软驱、光驱这种存在着物理运动的设备,以及散热孔敬谢不敏。

这些在日常使用中不断运动的风扇或者说转轴,虽然能够带来各方面功能性的提升,却也带来了各种程度上的噪音。很清楚记得当年用PC的时候,放在脚旁的机箱里面硬盘的吱吱咔咔的声音,以及风扇呼呼的呼啸,以及那块三星的光驱在读盘的时候不时发出的电锯般的惨叫,陪伴了童年的很长时间。

PC诞生的初期,风扇是不存在机身内部的。随着芯片性能的提升,一块更小面积的芯片上拥有了更多的芯片组,也被施加更高的电压,这时候,仅凭几片散热片已经很难满足CPU、显卡这种发热大户的“炽热之心”。首先是电源和CPU,然后是GPU和主板南北桥芯片(后来演化为统一的控制芯片),都享受到了风冷带来的“丝丝凉意”,从此,风冷变成为整个PC中最为常见的散热方式。

不过风冷也存在散热效率不如液冷、容易积灰、寿命较短、噪声过大的问题。随着技术的发展,软驱、光驱迅速淡出了PC阵营,接下来也仅有曼彻斯特结构的机械硬盘还保留着转轴设计。但是在散热方面,机箱电源、显卡、CPU风冷依然是标配。可喜可贺的是,随着手机、平板电脑的普及,曾经似乎被人遗忘的“PC去风扇”风潮,再度启程。

注:本文提到的“无风扇”,即被动散热方式,不包括水冷。

乔布斯的完美主义

提起对无风扇的计算机的孜孜以求,不得不首推带有一点完美主义的乔布斯。出于对细节的极致苛求,乔布斯一直以来都想制造出一台在使用的过程中能够提供最大化安静的计算机,从而令用户的思绪不会被扰人的风扇噪音打断。

于是在苹果早年的计算机Apple II上,乔布斯在设计之初就遍访高人,其中一个就是曾经的上司,依然在雅达利公司工作的奥尔康,以求能够令电脑在不采用风扇的情况下供电的方法。奥尔康向乔布斯介绍了罗德・霍尔特。霍尔特设计了Apple II的电源部分。Apple II并没有使用传统的线性电源,而是制造了一个示波器等仪器上使用的开关电源。这种电源通断电的次数能够从60次提高到上千次,从而降低了Apple II电源的发热量。乔布斯认为,罗德应该名垂青史,这种电源设计是革命性的发明。

Apple II

Apple II

从Apple II的设计上依然可以看到即使舍弃了电源的风扇,也必须在机身两侧设计散热口。在微型计算机刚刚兴起的年代,工业技术显然无法满足这种“多此一举”的需求。正如社会的工业化一样,都是走“先发展,后治理”的方式,而不能刚看到蒸汽机的隆隆黑烟就放弃发展工业。所以即使乔布斯不情愿,后来的Apple II新的型号中也加入了风扇模块以改善散热。

当然固执的乔布斯永远不会死心。乔布斯的梦想自然是所有苹果生产的计算机都应该安安静静,所以在之后的Apple III上,乔布斯毅然决然继续坚持无风扇设计。

Apple III

Apple III

即使Apple III市场表现很差,却可以看出苹果在工业美学设计上的孜孜追求。Apple III即使用现在的眼光来看,也是一款很美的作品。没有风扇也没有散热口,整个机器用米黄色塑料外壳包裹,展露出与时代不相符合的精致。

Apple III主机

Apple III主机

Apple III主机内部构造

Apple III主机内部构造

值得一提的是,主机后面的四个口是刀片卡的接口预留位置,而不是散热口。即使采用了铝合金机身设计(可以看出苹果在Apple III用料十足),但由于所有的芯片都挤在一起,因此散热效率非常低。当年甚至出现了软盘在Apple III机身内被几乎烤化的情况。因此,Apple III让苹果很是头疼,甚至不得不因此免费为“首发购买”的用户更换重新设计过的机器。

如果Apple III的失利就能阻挡住乔布斯执拗的追求,那乔布斯也就不是乔布斯了。在以后的产品中,只要有可能,乔布斯始终记得把扰人的风扇去掉。外观设计巧夺天工、不落窠臼的Power Mac G4 Cube上,乔布斯不仅让乔纳森设计出了叹为观止的外观,同时也达到了乔布斯心中的完美:去掉风扇,通过机身内部自然的空气对流进行被动散热。

Power Mac G4 Cube

Power Mac G4 Cube

Power Mac G4 Cube

Power Mac G4 Cube

只是这个时候,“Wintel”阵营的PC在如日中天,Power Mac G4 Cube本身也存在诸多问题,这款机器也在一年后就停产了。

之后的故事,就是在Mac全面换装Intel的CPU。没有了“自主芯”的Mac,自然受制于Intel的CPU升级的“摩尔定律”,也无法再奢求无风扇了。

即使在生命的最后几年,乔布斯通过iPad“重新定义”了笔记本电脑,也片面地达成了无风扇的梦想,但是即使到了今天,iPad依然无法替代笔记本的功能和生产力,甚至也无法替代MacBook。

天妒英才,当乔布斯撒手人寰的时候,心里一定对于没有在Mac上做到无风扇耿耿于怀,死不瞑目。

在计算机发展史上,乔布斯是一座里程碑;而在对于无风扇计算机之路的坚持上,乔布斯是最为执着的。或许,如果多给乔布斯一段时间,PC的无风扇设计或许会完全不同。

Intel的野心

“蓝色巨人”Intel在“Wintel”时代,颇有旧社会躺在炕上抽着鸦片的地主老财一样高枕无忧的范儿,发展史上最大的危机也是奔腾四到x86-64处理器过渡到那段弯路,AMD真的有一丝那么威胁到Intel的迹象,当然回过神的Intel迅速又把AMD按在地上打了,而且一直打到现在。

对于Intel来说,PC无风扇?可以有,上水冷就可以做到了。而在与AMD性能大战的过程中,Intel根本就没怎么想过被动散热这种看似费力不讨好的事情。可是随着笔记本电脑在市场上逐渐占据越来越重要的位置,移动计算对于续航、发热的控制要求越来越高,从“迅驰”平台开始,Intel真正尝到了笔记本市场的爆发所带来的甜头,于是开始更加注重低功耗低发热的CPU方案。不过Intel从诞生之日开始,公司就不存在“乔布斯”的“执bie着niu基因”,所以Intel非常谨慎地发展着移动平台的芯片。由于PC生产厂商设计能力和制造水平良莠不齐,在那个时候,对于散热系统设计要求更高的被动散热方案显然不适合Intel的发展道路。在2000年左右的时代,强行研发被动散热的CPU,会极大地降低CPU性能,而且如果PC制造商设计和工艺达不到水平,还可能存在即使采用了无风扇CPU,却依然搭载了风扇的尴尬局面。

于是故事又回到了乔布斯身上。iPhone的发布彻底吹响了智能手机普及的号角,短短几年,智能手机真正得到普及和长足发展,并进入了Android和iOS双雄称霸的时代。与此同时,云计算也从无到有取得了极大进步,移动性、便携性、续航能力成为移动设备的重要考量标杆。iPad让平板电脑的观念深入人心,甚至浓眉大眼的微软也推出了类似的Surface二合一设备。

Intel是无法忽略手机和平板电脑逐年增长的出货量的,毕竟这些芯片和Intel没啥关系。同时这些设备普遍采用ARM架构,也规避了很多Intel的专利,Intel连专利费都不能好好收了,自然浑身不舒服。

一方面,Intel加强了自己在ARM上的研发投入;另一方面,也推出低功耗低发热的芯片,忽悠一些和自己关系比较好的设备制造商推出x86架构的移动设备。Intel的Atom系列CPU就是用在手机和平板电脑上,在x86架构的基础上,降低功耗和发热。譬如联想大名鼎鼎的K900,CPU采用Intel的Atom Z2580。

联想K900

联想K900

同样,对于平板,甚至说Windows的平板,Intel也提供了性能稍好一点Atom的CPU,譬如Surface 3上面采用的Atom Z8700。

事与愿违,Intel的x86架构在移动领域并不那么吃香。Android系统的x86分支兼容性并不太好,联想K900在使用的过程中经常会出现一些莫名其妙的兼容性问题。性能上,虽然Atom比同时代的ARM架构的CPU性能高一些,但是Intel并没有把太大的精力放在软件优化上。在市场推广上,Intel也不用心,导致Atom在移动设备市场中表现并不好,只有很少的设备采用了Atom芯片。而对于Windows二合一设备来说,Atom性能略显孱弱,Surface 3在Windows 8上表现尚可,在Windows 10上系统整体的流畅度都不太能保证了。

Intel在发现Atom市场表现不佳之后,在2016年中期,Intel宣布Atom寿终正寝,也标志着Intel在移动领域芯片组的进军的滑铁卢。

对于笔记本产品线,Intel推出了功耗比U系列更低的Core M系列,旨在最大限度提升续航,并带来无风扇设计的可能。

有得必有失,Core M却为笔记本带来了真正的无风扇的可能。对于Core M系列CPU,不同商场态度不同。也有诸如松下的ToughBook即使使用Core M依然搭载风扇的设备,而更多的厂商,就算顶着Core M依然较高的发热量,也要设定一定的温度阈值和“功耗墙”,来达到无风扇的效果。

从此,Windows的无风扇设备才开始遍地开花。同时,苹果也终于了却了乔布斯的一个心愿,在12寸的MacBook上搭载Core M芯片采用无风扇设计。性能方面,Core M终于保证了不错的性能,每一代的性能提升也很明显。如今Core M7的性能已经接近Core i5的低电压U系列。

松下CF-RZ4

松下CF-RZ4

惠普Elite x2 1012 G1

惠普Elite x2 1012 G1

New MacBook

New MacBook

实话实说,Core M的发热控制并不理想,即使在2017年这个时间点上,搭载Core M的处理器同时能够保证长时间不大幅度降频的设备屈指可数。厂商的设计能力和制造工艺的确有了巨大进步,但是Core M依然处在被动散热的边缘,尤其是“高性能”的Core M7系列,对于厂商的散热系统设计依然很有挑战。不可否认,Core M终于带来了无风扇设备的曙光。

更进一步

2017年应该可以说是无风扇PC的里程碑式一年。在这一年,微软发布了Surface Pro(2017版),华为发布了Matebook X。这两个设备的共同特点,都是在采用了Core i低电压U系列的CPU基础上,达到了无风扇设计。

其中,Surface Pro(2017版)是Core m3和Core i5采用了无风扇设计,但是保留了散热口。华为Matebook X则在采用了Core i5 7200U或Core i7 7500U的基础上,全部采用无风散无散热口设计。

根据网上的测试,无论是Surface还是华为Matebook X,散热并不是很差,同时CPU降频也在可以接受的范围内。

值得一提的是华为在Matebook X上采用的PCM相变散热材质。这个相变材料听起来非常高端,其实水就是最常见最常用的相变材料。简单说,吸收热量材料升温变液态,释放热量材料降温变固态,和水与冰的转换过程一样。无法查到华为采用的是何种相变材料,但是华为这种用于尝试的精神值得肯定。

从此可看出,对于第七代Core i的低电压U系列来说,也可以在改进散热系统的基础上,达到无风扇的效果。

似乎将来可以展望更多采用Core i的低电压U系列处理器的设备也采用类似的无风扇设计,希望这仅仅是一个开始。

之所以对于无风扇PC的坚持,也是为了更好的使用设备,创造更为纯粹、安静的环境,保持专注避免分心。无风扇设备带来的性能不足,也随着网络普及和计算能力从终端转移到云端的这个过程而得到弥补。对于日常的文档处理和网页浏览、音视频轻度娱乐应用,Core M已经完全能够满足。甚至可以大胆设想,在将来,Intel和Core i的低电压U系列会逐渐和Core M系列融合,到那时候,无风扇会成为大部分轻薄便携笔记本的选择。

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Majirefy

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一个没有技术的技术宅,喜欢买买买,热爱生活,贪图享受。

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2 条回复

  1. 宋启哲说道:

    666

  2. alexi说道:

    希望今后能平衡这两块

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