過熱降頻

發(fā)熱是手機的夢魘

喜歡跑分的用戶不難發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：都是搭載驍龍835處理器的手機，運行安兔兔、GeekBench等軟件時的成績有可能會出現(xiàn)15%以上的差距（圖1）；同一款手機，連續(xù)運行跑分軟件的話成績也會越來越低。

這個問題其實很容易理解。手機內(nèi)置的處理器（準確來說是集成CPU、GPU和ISP等單元的SoC）等芯片的材料都是半導體，只要有電流通過就會在其內(nèi)部的電阻上產(chǎn)生熱量，而發(fā)熱量的高低則取決于處理器的頻率高低，以及處理器當前的負載情況。

為了避免處理器因高溫而燒毀，手機廠商會為其設(shè)定一個閾值，只要瞬間溫度超過這個閾值就會觸發(fā)降頻機制（圖2），在最短的時間內(nèi)降低處理器芯片的發(fā)熱量。很多手機跑分偏低、玩游戲時突然遭遇莫名卡頓，基本都是處理器過熱降頻惹的禍。

智能手機的散熱之旅

在功能手機時代，手機最多也就是運行Java游戲，負載相對較低，也不存在處理器發(fā)熱降頻的問題。步入智能手機時代后，無論是UI界面操作的流暢度、運行APP的快慢還是游戲運行的幀數(shù)都與處理器（CPU/GPU）頻率息息相關(guān)，一旦降頻就必然出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

隨著智能手機處理器核心數(shù)量和主頻的不斷增加，以及3D手游對系統(tǒng)資源的消耗越來越大，如何提升手機的散熱效率就擺在了眾多廠商面前。

散熱先從結(jié)構(gòu)入手

很多人都將手機散熱的希望放在了石墨稀、熱管甚至風扇上，其實從手機內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)入手也能顯著提升散熱效果。比如，PCB主板采用整板堆疊有利于熱源分散，可降低局部熱量堆積的問題；將PCB主板放置在遠離手握的區(qū)域，可提升持握時的發(fā)熱感；增加內(nèi)部各組件與后蓋的間隙，可降低外殼溫度；模內(nèi)鑲件是與主熱源最近的金屬，如果選用高導熱系數(shù)材質(zhì)就能降低局部溫度；提升材質(zhì)表面粗糙度可增加表面積、改善散熱能力等。這是一套系統(tǒng)工程學，考驗的是廠商的決心和良心。

此外，不要以為手機處理器都是ARM架構(gòu)就小看它們的發(fā)熱量哦。NVIDIA Tegra 2/3系列曾經(jīng)引領(lǐng)智能手機步入雙核和四核時代，但就是因為架不住發(fā)熱/功耗高而放棄手機市場，轉(zhuǎn)載平板電腦和掌機戰(zhàn)場。以任天堂最新的Switch為例（圖3），這款產(chǎn)品搭載的就是NVIDIA旗下的Tegra X1（20nm工藝，四核A57+四核A53架構(gòu)，集成256顆Maxwell CUDA GPU），哪怕內(nèi)置了獨立的散熱風扇和熱管（圖4），玩游戲時的發(fā)熱量依舊非常“感人”，冬天可以拿來當做暖手寶。

因此，對于內(nèi)部空間稀缺的智能手機而言，就需要在散熱方面耗費更多的精力了。

面積至上的石墨烯

石墨烯熱輻射貼片（下文簡稱石墨散熱膜）是一種超薄散熱材料，可有效降低發(fā)熱源的熱密度，實現(xiàn)大面積快速傳熱、大面積散熱，并消除單點高溫的現(xiàn)象。2011年，小米在推出第一代小米手機時還將“石墨散熱膜”冠以“黑科技”的稱號而廣泛宣傳（圖5）。實際上，石墨散熱在當年已經(jīng)被很多智能手機獵裝，只是被小米拿來進行重點宣傳。

簡單來說，石墨的導熱性優(yōu)于鋼、鐵、鉛等多種金屬材料，它的優(yōu)點還體現(xiàn)在輕量化、質(zhì)地柔軟，本身也不會產(chǎn)生額外的電磁波干擾，如搭配特定的吸波材料還可同步解決散熱與電磁干擾的問題。石墨散熱膜在水平方向的導熱系數(shù)高達1200，大約是銅的3倍、鋁的6倍。但是，石墨散熱膜在垂直方向的導熱性卻極差，屬于越薄（當然也有一個極限值）散熱效果越好的輔助散熱材料。

將智能手機拆開，我們通常都能在LCD下方、CPU上方和后蓋內(nèi)側(cè)看到石墨散熱膜的身影（圖6）?？上?，石墨散熱膜的截面積太小，所能承載的熱流相對有限，在如今移動處理器發(fā)熱量和APP負載越來越高的當下，它的主要作用還是用來分散熱量，將溫度均勻化。

比如，手機金屬后蓋表面幾個點的最高溫度分別為50/40/30攝氏度，貼上石墨散熱膜后，相同位置的溫度可能就變成了40/40/40攝氏度。如果想進一步降低手機滿載時的溫度，還需要從其他幾個方面入手。

金屬為骨發(fā)散熱量

早期的智能手機普遍以ABS工程塑料為主要材質(zhì)，當移動處理器發(fā)熱量堆積后很難從中擴散。于是，金屬材質(zhì)逐漸在智能手機領(lǐng)域生根發(fā)芽，很多中高端手機甚至還引入了名為金屬背板散熱的技術(shù)：

在使用石墨散熱膜和金屬材質(zhì)機身的基礎(chǔ)上，還在金屬外殼內(nèi)部添加了額外的一層金屬導熱板（圖7），可以將石墨導出的熱量直接通過這層金屬導熱板傳遞至金屬機身的各個角落，提升了密閉空間中的熱量擴散效率，最理想的狀態(tài)是熱量還沒傳遞到手心前就已冷卻了下來，從而明顯改善手機滿載時的持握體驗。

雖然如今智能手機逐漸以雙面玻璃為美，但此類產(chǎn)品大都還保留了金屬中框和骨架內(nèi)的金屬導熱板，它們在手機運行時都能分擔一些熱量的發(fā)散作用。不過，隨著手機紛紛追求“性感”身材，手機處理器性能逐漸逼近PC等級后，上述輔助散熱的手段都不足以確保手機長時間滿血運行，當年搭載驍龍810處理器的手機“集體焚身”（發(fā)熱高、易降頻）就是最好的例證。

于是，在筆記本領(lǐng)域常見且成熟的熱管散熱技術(shù)就逐漸進入了手機廠商的視野，并衍生出無數(shù)“散熱黑科技”。

偷師于筆記本的散熱技術(shù)

筆記本最經(jīng)典的散熱模塊設(shè)計就是導熱硅脂+熱管+風扇+鰭片（圖8），但就智能手機的“小身板”而言，風扇和鰭片肯定是沒有空間安置的，但塞進硅脂+熱管卻不是夢想。

早在2013年，NEC就在旗下的Medias X手機上引入了水冷降溫技術(shù)，這款手機在驍龍600處理器表面覆蓋了一根長達10cm的熱管，內(nèi)部注有純水的液冷，當處理器開始發(fā)熱的時候，扁平的導管內(nèi)里的純水會將熱量傳遞到手機外殼再散熱（圖9），從而達到降低機身溫度的效果。

繼N EC后，同樣為日系廠商代表的索尼也從Xperia Z2開始引入了熱管，并在全球首款4K屏幕的Xperia Z5 Premium手機身上塞進了雙熱管和硅脂（圖10），用于應對驍龍810的“熱情”，屬于絕對的豪華套餐。隨后，還有更多品牌也為手機武裝了熱管，只是為了增加噱頭改用了不同的稱號，比如360奇酷手機的“太空水冷散熱系統(tǒng)”、微軟Lumia950/950L所采

用的Liquid Cooling“液態(tài)冷卻技術(shù)”、中興的“主動循環(huán)納米導熱系統(tǒng)”等等。

這些技術(shù)的本質(zhì)相同，都是將（中空）熱管內(nèi)部抽成負壓狀態(tài)，然后充入不同材質(zhì)的冷卻液。這些冷卻液的特色是沸點低，通常在55攝氏度時就會蒸發(fā)成水蒸氣，借助水蒸氣“傾冷”的特性自動流向?qū)峁芰硪粋?cè)，由于該側(cè)溫度較低，水蒸氣便會冷凝成液體，并把一部分熱量傳遞至與導熱管相連的石墨片上（圖11）。最后，從氣態(tài)重新變成液態(tài)的冷卻液會隨著熱管內(nèi)壁的毛細結(jié)構(gòu)返流至導熱管靠近處理器的一側(cè)，為處理器降溫，并且等待下一次降溫循環(huán)。

新生的游戲手機品類

如今電子競技正逐漸從桌面（PC）走向移動（手機），游戲過程中任何輕微的卡頓都會導致團戰(zhàn)的失利。因此，“游戲手機”必將成為未來一個重要的品類，為喜歡玩游戲或打比賽的玩家所青睞。努比亞在MWC2018發(fā)布的游戲手機只是開始，而且在它之前“全球首款游戲手機”的桂冠也已名花有主。

提起游戲手機，雷蛇旗下的Razer Phone應該算是全球首款（圖12）。所以，從Razer Phone身上我們不難找出游戲手機必須具備的幾個元素：

那么，作為全球第二款游戲手機，努比亞的新品又有哪些改進和不足呢？

努比亞游戲手機的黑科技

努比亞游戲手機的特色在于采用了融入“超級跑車”元素的外觀設(shè)計，背部中央可以看到明顯的折線，上下兩端還有橙色條紋裝飾，極具科幻感（圖14）。同時，針對游戲手機“高性能高功耗”的特點，努比亞這款游戲手機號稱還采用“風冷、近黑體、碳納米材質(zhì)、立體風洞切面結(jié)構(gòu)”四大創(chuàng)新散熱黑科技，旨在運行大型游戲時保證高性能運轉(zhuǎn)并大幅降低手機溫度，將游戲體驗提升至電競級的高度。

從現(xiàn)場的內(nèi)部拆解圖來看，這款機器在四個邊角分別嵌入了1顆迷你的小型渦輪風扇（圖15），再加上碳納米材質(zhì)和立體風洞切面結(jié)構(gòu)的風道設(shè)計用來解決長時間游戲時的降頻問題。但是，給手機配風扇真的是一個好主意嗎？

就理論散熱效果來看，風扇只有在搭配熱管和散熱鰭片時才能起到最大的冷卻效果，如果缺少這些元素，再多的風扇也只能起到加強內(nèi)部空氣流通的作用。此外，風扇必然會占用手機內(nèi)部寶貴的空間，會有額外的耗電，全速運行時還會傳出擾人的噪音，這些都會影響到游戲手機的便攜性、電池容量（機身內(nèi)空間被風扇占用了不少）、續(xù)航時間（風扇全速運行時費電）、聲音效果（占用了揚聲器空間）。如果橫屏玩游戲時手掌擋住了散熱孔，也會影響風扇的效率，這些都是努比亞需要解決的問題。

但是，對專業(yè)級游戲手機而言，只要可以提升比賽成績，遠離可能的發(fā)熱降頻干擾，再怎么折騰都不為過。雷蛇Razer Phone和努比亞的游戲手機只是一個開始，相信未來會有更多品牌的游戲手機加以借鑒和優(yōu)化。

還有沒有更好的主意

游戲手機需要持久的續(xù)航，沒有耳機的情況下也要呈現(xiàn)震撼的音效，這些都意味著多風扇的設(shè)計很難大面積推廣和普及。想讓現(xiàn)有的智能手機可以更好地勝任游戲環(huán)境，其實我們可以換個思路，從外設(shè)的角度入手。

比如，X-naut公司早前為iPad家族設(shè)計的散熱背殼就是很好的解決方案（圖16），這種散熱背殼最多內(nèi)置有4個風扇，它們使用的電源可以由Micro USB接口或者AA電池來提供，整個背板重約280g，而風扇噪音也被控制在26分貝左右。試想一下，如果針對熱門手機推出內(nèi)置風扇的專用散熱背殼，而且針對橫屏操作進行人體工程學的持握優(yōu)化，既可以提升手感，降低長時間游戲時的手腕酸麻感，起到降溫防降頻功效的同時還不會增加手機自身的研發(fā)成本，外出或不玩游戲時換上普通保護套即可。