什么叫半导体制冷 半导体制冷
半导体制冷 什么叫半导体制冷
风冷以及水冷，都是大家比较熟悉的散热模式了。其实大家平时使用的一体式水冷，其部分原理仍旧属于“风冷”的范畴，不过是散热器的导热介质由热管的“蒸发-凝结”自动循环原理，替换为依靠由水泵电机主动循环带动的液体传导，最终所有的热量还是通过风扇的转动，形成强制对流，将鳍片 风冷或冷排 水冷的热量传递到环境中帮助芯片降温。因此，风冷与水冷散热器都属于“被动”的散热的形式，因为芯片的高温与环境的低温所产生的温差范围，决定了传统散热器作为热量的搬运工，最多只能将芯片的温度降低至接近环境温度。
随着人类对于芯片计算能力的不断追求，越来越多的晶体管被塞入了计算芯片，每一个计算单元的密度都在不断提高，同时更高的频率也带给芯片更高的工作电压与功耗。可以预见的是，未来数年我们都还将继续追求提升芯片的计算性能，那么也意味着我们也需要不断的持续攻克芯片温度的散热问题。仅仅依靠现有的“被动散热”已经有些力不从心，是否需要一种“主动制冷”的新模式出现？
其实关于处理器的散热模式，一直并不局限于常见的风冷/水冷。为了解决温度问题，实现某些极端的目标 比如极限超频，极客们不断的尝试油冷，压缩机制冷，液氮，干冰等降温方法。 曾经最接近零售市场使用的OCZ CRYO-Z系列压缩机能够通过相变制冷可以使蒸发器温度达到-45℃，甚至有国外发烧友通过自制三级压缩机系统，将温度降至了-196℃，已相当于液氮的蒸发温度。但是由于高昂的成本与复杂的使用方式，压缩机系统是不可能普至到家庭使用。液氮，干冰就更是仅针对极限超频这一特定目标的特殊手段而已，蒸发/升华速度非常快，只能带来短时间的极限效能，这些方式并不具备充分的可控性与可复制性。
那么有没有一种看上去可控性高，使用简易，成本低廉的散热方式，来解决现有处理芯片的高温问题呢？答案可能还是有的，那就是利用热电效应原理的的半导体制冷技术。随着今年11月Intel Cryo相关项目的公布，接下也会有采用热电制冷的民用级散热器出现在DIY市场中，我们今天就来聊聊有关半导体制冷那些事。
什么是半导体制冷？
要了解半导体制冷这一具体到终端的技术应用，我们需要先了解的一个有关电与热的基础原理：热电效应 Thermoelectric effect。
图片来源：《理化检验-物理分册-热电材料的应用、研发及性能测试进展》 李蒙等著
热电效应是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度，冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压，热电装置让温度控制变得非常的容易。
热电效应并非是一个独立存在的术语，这个理论包含了三个分别经定义过的效应，分别是：塞贝克效应 Seebeck effect，1821年，帕尔贴效应 Peltier effect，1834年与汤姆森效应 Thomson effect，1854年
塞贝克效应 Seebeck effect
1821年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：
ES=S.△T
式中：ES为温差电动势，S为温差电动势率 塞贝克系数，△T为接点之间的温差
帕尔贴效应 Peltier effect
1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
Q=.I=aTc
式中：Q为放热或吸热功率 为比例系数，称为珀尔帖系数，I为工作电流，a为温差电动势率，Tc为冷接点温度
汤姆森效应 Thomson effect
英国物理学家威廉汤姆森于1854年发现，当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
Q=.I.△T
式中：Q为放热或吸热功率，为汤姆逊系数，I为工作电流，△T为温度梯度
通俗的讲就是，第一，热量能够产生电；第二，电也能让导体产生温差；第三，电流在温差不均匀导体中流过时，还会吸收并释放一定的热量，形成高温放热与低温吸热的状态。那么我们通过对导体成分的变化以及对电流的控制，便能够形成各种可控的具体应用，比如热能 温差发电：可运用于军事，航天，民用能源等各种领域；热电 温差电制冷：与温差发电相反，将电能转化为热能，制造出温差电制冷机，由于这种类型的只能装置无需压缩机，也无需氟利昂等制冷剂，而且具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等优点。此外，热电冷却不需要像机械制冷那样不断填充化学消耗品，没有活动部件，也就没有磨损，维护成本很低，同样适用于军事，航天，工业及民用制冷需求。我们今天重点要聊的“半导体制冷片”，便是热电效应在制冷应用中的一种具体装置形式。
什么是半导体制冷片 ThermoElectric Cooling？
刚才讲到的帕尔帖效应 Peltier effect自发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱，无法应用于实际。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件：热电致冷器 ThermoElectric Cooling，简称TEC。
与传统的风冷和水冷相比，半导体制冷片具有以下优势：1. 可以把温度降至室温以下；2. 精确温控 使用闭环温控电路，精度可达0.1℃；3. 高可靠性 制冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低；4. 没有工作噪音。
图片来源：《热管散热型半导体冷箱的理论分析及实验研究》 曹志高 2010
在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差。帕尔帖模块也称作热泵 heatpumps，它既可以用于致热，也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具，只要热端 被冷却物体的温度高于某温度，半导体制冷器便开始发挥作用，使得冷热两端的温度逐渐均衡，从而起到致冷作用。能够运用与PC散热器的半导体制冷片 TEC，便是这样的原理。TEC散热片的吸热 冷端贴近发热的CPU，给CPU降温，TEC另外一面进行放热，其具备无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，制冷速度极快，易于进行温差冷量可控调节。
听起来很适合PC芯片这种功耗波动较大的发热体，而且并不是新的技术，为什么以前厂商并没有深入尝试将TEC制冷应用于PC散热领域呢？
TEC半导体制冷应用于PC散热的难点
能耗较高
对普通家用PC来说，使用TEC散热器的能耗比过低。目前半导体制冷系数较小，制冷时消耗的能量远大于制冷量。比如EK目前公布的EK-QuantumX Delta TEC水冷头满负荷工况功耗为200W，甚至某些情况下超过了它的服务对象CPU。我们的电脑10年主流电源功率为300W，5年前约为400W，如今也不过500W左右，并没有足够多的盈余的功率空间留给TEC制冷设备使用。所以除了少部分拥有大功率电源的高端台式机 额定750W以上，TEC散热器现阶段还无法成为主流的PC散热解决方案。
大功率TEC无法独立工作
TEC制冷片在工作时，冷端制冷的同时需要在热端进行有效的散热，需要散去的热量包含帕尔贴效应释放的热量和制冷片本身的焦耳热。也就是说，TEC制冷装置若要进行大功率制冷输出给CPU散热的同时，自身也需要被持续散热，应用在PC领域的话，就是还需要叠加较高性能的水冷来进行TEC制冷片的散热。所以无论是EK-QuantumX Delta TEC还是酷冷至尊ML360 Sub-Zero，最终呈现的TEC产品均为水冷+TEC制冷装置融合的产物。
对于压制高功耗CPU的散热性能领先幅度存疑
按照目前厂商已公布的数据，EK TEC结合分体式水冷的情况下，最多压制338W的CPU，酷冷TEC在结合360一体式水冷的情况下，可压制最大功率为250W的CPU，对比传统的高性能360水冷散热器，在面对全核满载的高功耗处理器的情况下，领先幅度可能没有想象的大。
工作温差较大易导致主板元器件结露损坏
空气中的水分在面对TEC制造的较大温差环境，在低于室温的部件位置容易形成结露，需要在处理器周围设计一定的密封环境，避免结露风险。
需要软硬件精密无缝配合
CPU运行过程中，频率与功耗波动较大，需要制冷片的能够灵敏的针对CPU功耗、温度进行实时调节，而不是简单粗暴的“全功率制冷-暂停制冷”模式循环。如果要让TEC变得智能好用，就需要软硬件结合的控制系统，从频率，温度，湿度，功耗，电压全方位的进行接管监测。Intel Cryo项目的成立，进行各种软硬件通用标准的建立，就是为了让这一套完整的TEC制冷方式能够实现民用化。
成本较高
目前应用于PC领域的TEC半导体散热器，已知的酷冷至尊ML360 Sub-Zero零售价为2999元人民币，EK-QuantumX Delta TEC仅分体式水冷头约合2350元人民币 还需购买冷排水泵等其他部件自行组建，在没有足够量产的情况下，加之新品新技术溢价，成本一定非常高昂，售价比常规360一体式水冷高出2~3倍。至少在TEC类型散热器的产品生命周期前端，并不会进入寻常家庭被普遍使用。
TEC半导体制冷应用于PC的优点
制冷温度可以低于环境温度甚至低于0度
TEC散热器能够产生足够大的温差，只要功率足够，从+90℃到-130℃都可以实现。当CPU功耗处于某个较低的功耗区间时，TEC能让其内核的温度低于环境温度。注意，这种低于环境温度的情形，并非任何时候民用低功率TEC散热器都能达成，仅能在CPU低功耗运行的过程中能够产生低温。
TEC具备的大温差制冷特性，能更好解决晶体管密集的工艺下的发热问题
随着工艺制程的提升，晶体管密度增加，CPU的核心的封装DIE面积越来越小，根据热力学原理，导热面积越小的情况下，需要更大的温差来维持热传导性能，温差较小的传统散热形式无法解决这个问题。即便CPU功耗并不高，但仍然会严重积热 热量出口面积不够，导致频率上限过低。但CPU的发展之路注定了晶体管密度还将继续提升。TEC天然具备较大的温差属性 吸热端温度可轻松做到-20℃，可能是解决小面积高热量传导的最佳方案。
TEC散热器更符合CPU矽晶在工作时的频率/功耗/电压/温度四者关系特性
CPU内核温度越低，就能在同功耗甚至更低的功耗下，达到更高的频率，可简单理解为CPU都是低温高能，高温低能的产品。平时大家无法体会到这个特性，是因为性能最强的风冷和水冷都无法做到让处理器低于室温，使其内核稳定的停留在到0℃~20℃的稳定温度区间。打个比方 非准确数值，只用于概念表达，假如让一颗CPU的某一个核心运行在5.5GHz的超高频，在TEC的压制下，可以将其控制在50℃，50W功耗，1.3V电压；如果没有TEC的大温差制冷，这个核心温度会急剧提升至90度以上，在高温下要维持内核的高频，电压会提升至1.45V，单核功耗提升至80W，最终导致CPU无法稳定高频运行。用TEC散热器，就相当于开启了一个特别定制的CPU舒适温区，让部分核心去冲击在传统散热条件下无法达成的高频率。
提升普通应用的处理器性能
并非所有程序都能够很好的利用主机的多核心资源，我们日常办公，游戏等应用仍然更需要强劲的单核心性能而非多核低频，因此TEC散热器能够帮助用户便利的达到符合实际应用需求的更高频率，即便是核心不那么多，也能带来更好的实际性能。这也是类似于Intel i5 9600K，Intel i5 10600K这类少核高频处理器存在的意义。
可精确智能控制，可批量生产，可控体积的另类超频工具
TEC散热器，正因为更符合CPU内核“低温高能，高温低能”的工作特性，同时具备可量产，可精确智能调节的属性，就能够在某些特定目标下替代不可控且繁琐的液氮超频，成为新概念的超频工具。
TEC半导体制冷应用于PC领域的前景
TEC半导体制冷并非全新技术，这是一位理论概念已存在了100多年，且实际应用于工业，航天，军事领域已经几十年的老朋友。从概念上来说，TEC半导体制冷散热器所具备的优势特性，的确能够与PC主机硬件有一个好的结合。假如未来量产后的成本能够大幅度降低，将这个目前看上去挺神秘的“黑科技”下放到常规的240水冷并适当提升售价，对终端用户来说，将不仅仅是得到了一个散热器，它还是一个够发挥自己独特属性，帮用户提升额外性能的工具。对于这样的“外挂”，我们没理由不期待！
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