我的CPU全裸上機

無風扇玩膩了嗎？試試看另一種玩法



雖然節能減碳、愛惜能源的理念在最近成為風潮，但是早就有一部分的電腦硬體玩家，將組電腦時的理念往這方面發展。雖然當初的動機與理由並不是為了環保，只是想藉由降低CPU與其他零組件的耗電量，讓整台電腦對散熱的需求下降，進而達成靜音電腦的最終目標。因為CPU是一台電腦中發熱量數一數二的零組件，某些玩家就藉由CPU散熱器不加風扇的方式，向其他人誇耀自己的電腦很省電、很安靜。


無風扇，還是要空氣流動


我們再來回憶一下散熱系統的一些特性：散熱片的總面積越大、流經散熱片的風量越高，散熱效果就越好。雖然還有很多其他的影響因素，例如散熱器的結構、材質、以及環境溫度等等，但整體說來還是不脫「面積、風量」這兩大要點。筆者用一個比較具體的例子來說明，在裸機的情況下，其實高階空冷散熱器的效果，有可能會比入門級水冷還要好，畢竟就散熱片的總面積而言，前者比後者還要大，若是搭上同樣轉速與大小的風扇，入門級水冷不一定有優勢。


換個角度說，流經散熱片的風量也很重要，假設你的CPU散熱器沒有外加風扇，還是得靠其他動力源創造一個空氣流動的環境，例如借助電源供應器的風扇。否則很難單靠散熱片本身的熱對流，把多餘熱量完整發散，將CPU的溫度抑制在一定水準以下。


玩過頭別怕，有過熱保護


無風扇散熱這麼困難，假設你已經成功辦到的話，可以再試試另一個更嚴苛的條件，那就是連散熱片都別裝了，只靠CPU的表面鐵蓋，或是晶片本身自行散熱，讓熱源與空氣接觸的表面積大減，達成更不可能的任務，以下就要來探討CPU不裝散熱片進行運作的可能性。


說到這裡，大多數讀者應該都會覺得不可能，甚至有點害怕，完全不敢拿自己的CPU開玩笑。還記得幾年前大約是Pentium 4與K7的時代，知名硬體評測網站Tom’s Hardware公開了一段影片，內容是在電腦運作的情況下，將CPU散熱器臨時移除，結果部份廠牌與型號的CPU因此燒毀，雖然自AMD K8平台以後，市場上能買到的所有處理器，都有內建過熱保護功能，不會再發生這種容易燒毀的情形，但是影片效果早已深植人心，許多人心中的刻板印象還是揮之不去。


簡介Intel CPU的保護功能


在進行實作之前，筆者先拿Intel的CPU當作例子，說明TM（Thermal Monitor，有時又稱TM1）過熱保護功能的運作機制，了解為什麼這樣不會搞壞。其實早在Pentium 4的時代，CPU就已經內建這個功能，根據Intel官方文件的描述，它的原理是在CPU內部建立一塊稱為TCC（Thermal Control Circuit）的電路，TM功能會針對CPU內部溫度一直作偵測，要是超出了臨界溫度，TCC會在極短的時間內啟動，機動關閉CPU最內部的核心時脈，以減少CPU本身的電力消耗與發熱量，令CPU維持在一定溫度以下。此舉能讓風扇失效時，CPU與電腦還能持續運作，不至於立刻重開機，遺失未儲存的資料。但TM功能僅能做到短時間的保護，要是功能啟動後的CPU溫度還一直上升，或是造成其他週邊組件過熱，最後還是會讓系統自行斷電，只不過關機斷電是最後一道保護的防線。


如果更細部、具體地描述，當TCC啟動時會斷斷續續關閉CPU內部運作的時脈，讓CPU「醒著」的時間降低為正常的30％～50％，但是內部時脈關閉，CPU「睡著」的時間不會超過3微秒，所以使用者頂多只會感受到效能下降，電腦並不會產生一頓一頓的現象。當CPU溫度降至臨界點以下，TCC功能就會關閉，這時候CPU就恢復正常的效能。


更進步的TM2功能


就現在的Intel處理器來說，還具備自TM改良而來，更進步、效果也更明顯的TM2功能。在溫度過熱的時候，TCC會直接將時脈降低，而不是斷斷續續的開關，而且輸入電壓（VID）也會跟著下降，透過最主要的這兩個手段，CPU的耗電量與溫度可以有效降低。跟TM功能一樣，CPU達到臨界溫度後只需要5毫秒，TCC就會啟動。


雖然處理器已經有這麼完善的保護機制，但還是請讀者了解一件事，這些功能只能保護CPU在短時間內，不會受到意外而燒毀，並不代表它可以完全在極端環境下工作。要是整台電腦長期都在散熱不良的情況下，即使CPU沒有異狀，也會影響到其他零組件的壽命，例如主機板上的北橋晶片與VRM轉換電路。假設你想嘗試無風扇或是無散熱器的效果，除非你有把握將CPU的耗電量壓到極低水準，而且其他零組件的溫度不會高於合理數字，才能考慮長期使用，否則還是請在短時間內玩玩就好。


█Intel TM2功能的運作機制


當CPU達到臨界溫度時，過載保護信號會送出，接著CPU頻率與工作電壓都會下降，以達到降溫的效果。

兩種散熱方式的最低門檻


接下來我們從理論角度來探討，如果要實做無風扇，或是無散熱器的運作方式，CPU本身的耗電量要壓到多低，才有可能成功？由下表可知，如果在平常運作時不加散熱片，晶片本身的TDP必須低到4W以下，可說是相當不容易。即使加了散熱片後，可負荷的最大TDP數字也在25W左右。如果單從這些數字判斷，TDP動輒35W、65W的一般CPU，幾乎不能在無風扇的系統中使用預設值運作，何況是更嚴苛的「無散熱片」運作了。


█Pentium-DC E5200挑戰無散熱片環境



詳細設定：時脈200x6＝1.2GHz，電壓0.85V，實測耗電量6.0W。

Celeron 420挑戰無散熱片環境


詳細設定：時脈150x8＝1.2GHz，電壓0.85V，實測耗電量4.8W。

但TDP只是一個散熱設計的參考數字，根據之前實測經驗，大部分CPU於滿載時的耗電量，都會低於TDP所標定的規格。假設再配合手動降低頻率與工作電壓的方式，確實有可能達到無風扇散熱的境界。拜45nm半導體製程所賜，Intel目前桌上型CPU的實測耗電量，表現都非常優秀，根據電腦王第51期「玩硬體」文章內的測試結果，Pentium Dual-Core E5200在預設值之下，實測的耗電量就能壓到25W以下，如果要玩無風扇系統，已經具備基本的門檻。除此之外，45nm製程也幫助CPU在更低的電壓下工作，如果再加上降頻降壓的手段，也許可以挑戰完全無散熱片的最高境界？


完全無散熱裝置，長期運作有困難


筆者挑選兩款都以省電著稱的處理器，Pentium Dual-Core E5200（以下稱E5200），以及單核心的Celeron 420，並再透過更極端的方式，將電壓降到BIOS中可調整的最下限0.85V，時脈也調到1.2GHz，讓耗電量再大幅減少。就實測結果而言，在閒置時的耗電量幾乎量不到，滿載時也只有5～6W左右，確實有機會挑戰無散熱器的運作。


拜超低耗電量之賜，散熱器一拿下來的瞬間，CPU溫度並沒有立刻往上飆，反而維持在一個極穩定的狀態下，最後與環境達到熱平衡的溫度並不高，大約只有攝氏40度出頭。但是開啟燒機軟體之後，溫度就很快地往上升高，並直達90度以上的危險數字，完全沒有長期使用的實際價值。接下來筆者做一個嘗試，將8公分風扇直接放在CPU上方，但是不加任何散熱片，結果溫度能維持在60～70度左右。根據測試結果判斷，還是需要一定的散熱面積，或是持續大量流通的空氣，才能處理5～6W的發熱量。


無風扇勉強有實用價值


Celeron 420與E5200在預設值的情況下，耗電量就非常低，我們實測之後發現，前者的滿載耗電量僅有15.6W，後者也只有22.8W，確實符合無風扇散熱，發熱量需在25W以下的理論界線。因此在這部份，筆者就不再對這兩顆CPU進行降頻降壓的動作，直接以預設值的方式，搭配Intel原廠散熱器（不含風扇）進行測試。


就測試結果而言，在裸機環境下，空氣幾乎沒有流通性，要達成無風扇散熱也相當困難。耗電量僅有15.6W的Celeron 420勉強通過這項考驗，開啟燒機軟體10分鐘後，溫度在上升至70度，六小時後與環境溫度達成平衡，約是73～75度左右，但北橋散熱片的溫度也飆升至70度以上，在非短期的使用情況下，應該可以撐一陣子。但是耗電量略高的E5200，就沒有這麼好運了。雖然10分鐘後的溫度達到82度，可是之後的溫度還是一路上升，直到CPU本身啟動TM2功能，才達到大約90～95度的穩定平衡溫度，還是沒有實際運用的可能性。除非裝在機殼中，靠鄰近的電源供應器風扇，才能有比較理想的散熱效果。


就整體說來，空氣的流動性還是非常重要，CPU在降頻降壓後的耗電量，已經低於北橋晶片的常態標準，再加上北橋上的散熱片更單薄，實際在無風扇的環境下，溫度上升的速率，或者最後得到的平衡溫度，都會比CPU還要高。結論就是，如果整台電腦要靠無風扇散熱，還是只限於短期玩玩就好，長期使用會有一定的困難。