從釬焊到硅脂再到釬焊，英特爾CPU的折騰之路

英特爾公司大概不會(huì)喜歡“牙膏廠”這個(gè)稱呼，但在玩家看來(lái)英特爾這幾年來(lái)的處理器升級(jí)真的是在擠牙膏，特別是14nm節(jié)點(diǎn)之后，已經(jīng)推出了四代使用14nm工藝的酷睿處理器了。不光是擠牙膏，有時(shí)候大家還調(diào)侃英特爾牙膏擠多了又給縮回去了，特別是在硅脂導(dǎo)熱這件事上，許多玩家在這個(gè)問(wèn)題上已經(jīng)糾結(jié)了6年了，我們經(jīng)?？梢钥吹接腥送虏?ldquo;硅脂U不買”，好在今年的九代酷睿處理器上，英特爾狠狠擠了一大管牙膏，不僅給主流處理器升級(jí)了8核16線程，還重回使用了釬焊導(dǎo)熱工藝。

今天的超能課堂里，我們就來(lái)聊聊英特爾處理器的硅脂、釬焊變化過(guò)程，先來(lái)介紹以下兩位選手的基本情況。

導(dǎo)熱硅脂：

關(guān)于硅脂，很多玩家都很熟悉了，這里就不詳細(xì)介紹了，因?yàn)槌芫W(wǎng)11年前做過(guò)一次硅脂橫評(píng)，這篇文章對(duì)硅脂的用途、作用有過(guò)詳細(xì)介紹，迄今依然不過(guò)時(shí)。

沙場(chǎng)秋點(diǎn)兵，16款導(dǎo)熱硅脂大比武

釬焊

英文是solder，寫過(guò)這么多關(guān)于處理器的釬焊導(dǎo)熱的文章，solder這個(gè)可以說(shuō)一種工藝，也可以理解成一種材料，特別是對(duì)應(yīng)硅脂的時(shí)候。這里就引用維基百科的一些解釋：

通常為錫的合金，故又稱焊錫，為低熔點(diǎn)合金，在焊接的過(guò)程中被用來(lái)接合金屬零件， 熔點(diǎn)需低于被焊物的熔點(diǎn)。一般所稱的焊料為軟焊料，熔點(diǎn)在攝氏90~450度之間，軟焊廣泛運(yùn)用于連接電子零件與電路板、水管配線工程、鈑金焊接等。手焊則經(jīng)常使用烙鐵。使用熔點(diǎn)高于攝氏450度的焊料之焊接則稱為硬焊(hard soldering)、銀焊(silver soldering)、或銅焊(copper brazing)。

上面是通用的解釋，至于處理器中所用的釬焊還有別的不同，它使用的材質(zhì)多數(shù)含有銦(In)，有的是純銦，也可以是金銦，也可以是銦鋅鉍等等。含銦焊料的優(yōu)點(diǎn)如下：

·銦具有良好的延展性與可鍛性，僅使用中等壓力，就能使其變形并填滿兩個(gè)配合件之間微小的不平縫隙。

·這種延展性和可鍛性在超低溫下仍得以保持，因此組合件即使在惡劣的環(huán)境中也能保持有效密封。

·銦的導(dǎo)熱率較高(在85°C時(shí)為86W / mK)，因此被廣泛應(yīng)用在熱管理應(yīng)用中，散發(fā)電子元件產(chǎn)生的熱量。

·在綁定不同的元件時(shí)，銦能補(bǔ)償不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。

·即便只含有少量銦，電子裝配中使用的焊料的熱疲勞性能也能得到改善。

·某些含銦合金的熔點(diǎn)低于180°C，因此非常適合多次焊接或者需要較低回流溫度的焊接。

·銦的蒸汽壓力低，適合高真空焊接。

·銦合金焊料在跌落試驗(yàn)中的耐抗程度優(yōu)于其他低熔點(diǎn)合金。

不同焊料的特性及導(dǎo)熱系數(shù)

處理器的散熱結(jié)構(gòu)：從核心到散熱器的兩道坎

從散熱角度來(lái)說(shuō)，處理器核心與散熱器底座無(wú)縫貼合的話，散熱效率是最高的，但是晶圓廠生產(chǎn)出的芯片太脆弱了，所以需要一層金屬蓋保護(hù)，這就是IHS(Integrated Heat Spreader，集成散熱反變形片)，它可以保護(hù)CPU核心，但是多了IHS就相當(dāng)于多了一層散熱結(jié)構(gòu)，所以CPU安裝散熱器的時(shí)候需要涂抹硅脂在頂蓋上以提高導(dǎo)熱效率(相對(duì)空氣而言)，這部分就是TIM(Thermal interface material，熱界面材料)，最常見的TIM材料就是硅脂，高級(jí)點(diǎn)的有液態(tài)金屬等。

處理器內(nèi)部的導(dǎo)熱介質(zhì)(圖片來(lái)源于Wikichip)

具體來(lái)說(shuō)，TIM還分為兩層，我們安裝散熱器涂抹的那一層TIM是TIM2，IHS與CPU核心的那一層是TIM1，這個(gè)就是現(xiàn)在的PC玩家杯葛了六年多的硅脂(Thermal Paste)vs釬焊(solder)事件的沖突核心。

英特爾處理器從釬焊到硅脂再到釬焊導(dǎo)熱的旅程

為了更好的散熱，處理器通常都是釬焊導(dǎo)熱的，AMD哪怕是在比較低端的CPU及APU上都在堅(jiān)持釬焊導(dǎo)熱，英特爾之前也是如此，一直堅(jiān)持到Sandy Bridge架構(gòu)的酷睿i7-2600K這一代上，但是從2012年的22nm工藝的Ivy Bridge處理器，也就是酷睿i7-3770K處理器開始，英特爾開始“墮落了”，放棄釬焊開始使用硅脂，先是在主流處理器上這樣做，接著發(fā)燒級(jí)平臺(tái)的Core X系列處理器也遭到了黑手，然后Xeon處理器也一樣開始用硅脂，直到九代酷睿處理器重新使用釬焊，前后歷時(shí)六年時(shí)間。

酷睿i7-3770K開蓋，開始用硅脂了(圖片來(lái)源)

這是硅脂導(dǎo)熱的8代酷睿處理器

開蓋后的酷睿i9-9900K處理器(圖片來(lái)源)

這個(gè)過(guò)程沒(méi)什么可說(shuō)的了，老玩家應(yīng)該多少了解一些，過(guò)去六年中DIY玩家提到這個(gè)問(wèn)題就滿臉的不滿，一是因?yàn)閺暮噶系焦柚瑑煞N材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可是天淵之別，硅脂典型的導(dǎo)熱系數(shù)是2W/m·K，焊料因?yàn)檫€有多種金屬元素，導(dǎo)熱系數(shù)要高得多，不同成分下50-80W/m·K的導(dǎo)熱系數(shù)都是有的。

不管怎么算，從釬焊到硅脂都是導(dǎo)熱能力的極大下降，理論上導(dǎo)熱效率損失90%都是可能的，而且硅脂的成本更低，工藝也更簡(jiǎn)單，所以很多人把英特爾這次改變視為奸商摳門之舉，剛好2012年的時(shí)候AMD的處推土機(jī)處理器已經(jīng)失利，英特爾沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)壓力了，所以這個(gè)說(shuō)法是最流行的。

千古之謎：英特爾為何冒大不韙用硅脂?

在放棄釬焊換用硅脂的六年中，英特爾官方對(duì)這種轉(zhuǎn)變一直沒(méi)有公開解釋，在一些玩家看來(lái)，被罵了6年也不敢解釋更坐實(shí)了英特爾是為了省錢才換的說(shuō)法——不怪人民群眾喜歡陰謀論，從釬焊到硅脂確實(shí)可以節(jié)省成本，就算減少1美元的成本吧，英特爾一年出貨量的處理器數(shù)量在2.5億左右，算下來(lái)也要2-3億美元，雖然相對(duì)每年一百多億美元的凈利來(lái)說(shuō)不值一哂，但蚊子肉也是肉啊。

上面這個(gè)解釋合情，但我個(gè)人并不認(rèn)同這種猜測(cè)，省了錢是英特爾改用硅脂導(dǎo)熱的結(jié)果，但不是英特爾這么做的原因，這事應(yīng)該不是從商業(yè)角度考慮的，而是背后有技術(shù)原因。

當(dāng)年酷睿i7-3770K開蓋事件頻發(fā)時(shí)，還有一個(gè)解釋聽上去更合理——英特爾改用硅脂導(dǎo)熱的節(jié)點(diǎn)是22nm的IVB處理器，相比32nm的酷睿i7-2600K，酷睿i7-3770K的核心面積在更先進(jìn)的工藝下從216mm2直降到160mm2(4核+GT2核顯級(jí)別)，之后的4代、5代、6代及7代酷睿處理器的核心面積越來(lái)越小，酷睿i7-6700K只有122mm2，而釬焊過(guò)程中核心越小，工藝難度越大，所以英特爾開始改用硅脂導(dǎo)熱了。

非洲的沖突有可能影響處理器的釬焊，這又是蝴蝶效應(yīng)的一個(gè)例子(圖片來(lái)源)

除了這個(gè)原因之外，還有一種說(shuō)法與環(huán)保有關(guān)，歐盟2006年開始全面推行RoHS標(biāo)準(zhǔn)，禁用了有污染的含鉛工藝，英特爾在2007年就表態(tài)45nm及之后的處理器已經(jīng)是無(wú)鉛工藝了。此外，英特爾之前也開展了無(wú)沖突礦產(chǎn)行動(dòng)(沖突礦產(chǎn)百科)，2009年首次對(duì)合作伙伴的冶煉廠進(jìn)行審查，涉及金、鎢、錫、鉭四種礦產(chǎn)，而金、錫金屬正是釬焊中的重要材料。

從英特爾發(fā)布的無(wú)沖突礦產(chǎn)報(bào)告來(lái)看，他們加入并完成這個(gè)承諾的時(shí)間段正好是在2012年前后，受此影響而在IVB處理器那一代棄用金屬焊料工藝也是有可能的。

當(dāng)然，這樣的話又不能解釋為什么九代酷睿處理器又能用釬焊工藝了，除非這兩年英特爾搞定了無(wú)沖突礦產(chǎn)行動(dòng)中受影響的供應(yīng)鏈。

總之，在這個(gè)問(wèn)題上英特爾官方多年來(lái)一直不肯公布他們改變釬焊工藝的原因，省錢或者環(huán)保等方面的解釋不能完全解釋這個(gè)問(wèn)題，根源可能還是技術(shù)上的。

對(duì)于釬焊材料，大家所關(guān)注的主要是導(dǎo)熱系數(shù)，但是“釬焊料的可焊性、 熔點(diǎn)、 強(qiáng)度及楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、 熱疲勞、 蠕變及抗蠕變性能等均可影響釬焊連接的質(zhì)量。”，對(duì)英特爾來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱性能也很重要，但肯定不是唯一重要的。

至于現(xiàn)在為什么又把釬焊工藝帶回來(lái)，英特爾同樣沒(méi)有什么解釋，當(dāng)然秋季發(fā)布會(huì)上會(huì)大談特談釬焊工藝的好處——提高了散熱效率，允許更高的散熱空間，處理器可以運(yùn)行在更高頻率上。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是英特爾在酷睿i9-9900K的PL2功耗上大幅放寬到了210W，遠(yuǎn)高于其他處理器通行的1.25倍TDP功耗的做法，限制放寬到了TDP功耗的兩倍多。

從八代酷睿的情況來(lái)看，英特爾也有必要改進(jìn)處理器的散熱，因?yàn)?核12線程的酷睿i7-8700K處理器就夠熱了，小型的散熱器已經(jīng)壓不住了，不超頻的話核心溫度也能輕松跑到90°C以上，而九代酷睿又是8核16線程又是5GHz頻率，不敢想象要還是繼續(xù)硅脂導(dǎo)熱，那發(fā)熱得是什么樣。

有了釬焊，九代酷睿還需要開蓋嗎?

從釬焊到硅脂再回到釬焊，九代酷睿處理器的散熱性能肯定會(huì)變好了，但很多玩家還是關(guān)心它是否應(yīng)該開核。我們之前的首發(fā)評(píng)測(cè)中，酷睿i9-9900K搭配240水冷的時(shí)候FPU拷機(jī)溫度都有72.6°C，比酷睿i7-8700K高出了13°C左右，如果是風(fēng)冷散熱器，那么酷睿i9-9900K的溫度恐怕也是控制不住的。

開蓋這事從酷睿i7-3770K處理器換用硅脂之后，每年發(fā)新一代處理器都會(huì)折騰一波，歷代硅脂處理器在不同網(wǎng)站、不同玩家的測(cè)試中溫度下降幅度也不等，有的降溫效果能達(dá)到15°C以上，非常明顯，不過(guò)也有很多測(cè)試顯示出開蓋之后降溫效果不那么明顯。

至于酷睿i9-9900K處理器，超頻玩家Der8auer之前做過(guò)開蓋測(cè)試，開蓋后4.8GHz的負(fù)載溫度可以從93°C降至84°C，如下所示：

9°C的溫差還是挺多的，不過(guò)開蓋之后的酷睿i9-9900K溫度依然不算低，再考慮到開蓋的風(fēng)險(xiǎn)及難度(釬焊之后開蓋難度增加，對(duì)玩家的動(dòng)手能力要求高了)，個(gè)人是不建議大家再玩開蓋了，土豪玩家可以考慮馬云家的開蓋服務(wù)，或者一步到位選擇開蓋并且測(cè)試好的處理器，一般玩家還是換個(gè)水冷散熱器吧，240冷排即可，360冷排更好。