从钎焊到硅脂再到钎焊，英特尔CPU的折腾之路
从钎焊到硅脂再到钎焊，英特尔CPU的折腾之路
孟宪瑞发布于 2018-11-1 18:27
英特尔公司大概不会喜欢“牙膏厂”这个称呼，但在玩家看来英特尔这几年来的处理器升级真的是在挤牙膏，特别是14nm节点之后，已经推出了四代使用14nm工艺的酷睿处理器了。不光是挤牙膏，有时候大家还调侃英特尔牙膏挤多了又给缩回去了，特别是在硅脂导热这件事上，许多玩家在这个问题上已经纠结了6年了，超能网的文章评论经常可以看到有人吐槽“硅脂U不买”，好在今年的九代酷睿处理器上，英特尔狠狠挤了一大管牙膏，不仅给主流处理器升级了8核16线程，还重回使用了钎焊导热工艺。
今天的超能课堂里，我们就来聊聊英特尔处理器的硅脂、钎焊变化过程，先来介绍以下两位选手的基本情况。
导热硅脂：
关于硅脂，很多玩家都很熟悉了，这里就不详细介绍了，因为超能网11年前做过一次硅脂横评，这篇文章对硅脂的用途、作用有过详细介绍，迄今依然不过时。
钎焊
英文是solder，写过这么多关于处理器的钎焊导热的文章，solder这个可以说一种工艺，也可以理解成一种材料，特别是对应硅脂的时候。这里就引用维基百科的一些解释：
通常为锡的合金，故又称焊锡，为低熔点合金，在焊接的过程中被用来接合金属零件， 熔点需低于被焊物的熔点。一般所称的焊料为软焊料，熔点在摄氏90~450度之间，软焊广泛运用于连接电子零件与电路板、水管配线工程、钣金焊接等。手焊则经常使用烙铁。使用熔点高于摄氏450度的焊料之焊接则称为硬焊（hard soldering）、银焊（silver soldering）、或铜焊（copper brazing）。
上面是通用的解释，至于处理器中所用的钎焊还有别的不同，它使用的材质多数含有铟（In），有的是纯铟，也可以是金铟，也可以是铟锌铋等等。含铟焊料的优点如下：
·铟具有良好的延展性与可锻性，仅使用中等压力，就能使其变形并填满两个配合件之间微小的不平缝隙。 ·这种延展性和可锻性在超低温下仍得以保持，因此组合件即使在恶劣的环境中也能保持有效密封。 ·铟的导热率较高（在85°C时为86W / mK），因此被广泛应用在热管理应用中，散发电子元件产生的热量。 ·在绑定不同的元件时，铟能补偿不同的热膨胀系数（CTE）。 ·即便只含有少量铟，电子装配中使用的焊料的热疲劳性能也能得到改善。 ·某些含铟合金的熔点低于180°C，因此非常适合多次焊接或者需要较低回流温度的焊接。 ·铟的蒸汽压力低，适合高真空焊接。 ·铟合金焊料在跌落试验中的耐抗程度优于其他低熔点合金。
不同焊料的特性及导热系数
处理器的散热结构：从核心到散热器的两道坎
从散热角度来说，处理器核心与散热器底座无缝贴合的话，散热效率是最高的，但是晶圆厂生产出的芯片太脆弱了，所以需要一层金属盖保护，这就是IHS（Integrated Heat Spreader，集成散热反变形片），它可以保护CPU核心，但是多了IHS就相当于多了一层散热结构，所以CPU安装散热器的时候需要涂抹硅脂在顶盖上以提高导热效率（相对空气而言），这部分就是TIM（Thermal interface material，热界面材料），最常见的TIM材料就是硅脂，高级点的有液态金属等。
处理器内部的导热介质（图片来源于Wikichip）
具体来说，TIM还分为两层，我们安装散热器涂抹的那一层TIM是TIM2，IHS与CPU核心的那一层是TIM1，这个就是现在的PC玩家杯葛了六年多的硅脂（Thermal Paste）vs钎焊（solder）事件的冲突核心。
英特尔处理器从钎焊到硅脂再到钎焊导热的旅程
为了更好的散热，处理器通常都是钎焊导热的，AMD哪怕是在比较低端的CPU及APU上都在坚持钎焊导热，英特尔之前也是如此，一直坚持到Sandy Bridge架构的酷睿i7-2600K这一代上，但是从2012年的22nm工艺的Ivy Bridge处理器，也就是酷睿i7-3770K处理器开始，英特尔开始“堕落了”，放弃钎焊开始使用硅脂，先是在主流处理器上这样做，接着发烧级平台的Core X系列处理器也遭到了黑手，然后Xeon处理器也一样开始用硅脂，直到九代酷睿处理器重新使用钎焊，前后历时六年时间。
酷睿i7-3770K开盖，开始用硅脂了（图片来源）
这是硅脂导热的8代酷睿处理器
开盖后的酷睿i9-9900K处理器（图片来源）
这个过程没什么可说的了，老玩家应该多少了解一些，过去六年中DIY玩家提到这个问题就满脸的不满，一是因为从焊料到硅脂，两种材质的导热系数可是天渊之别，硅脂典型的导热系数是2W/m·K，焊料因为还有多种金属元素，导热系数要高得多，不同成分下50-80W/m·K的导热系数都是有的。
不管怎么算，从钎焊到硅脂都是导热能力的极大下降，理论上导热效率损失90%都是可能的，而且硅脂的成本更低，工艺也更简单，所以很多人把英特尔这次改变视为奸商抠门之举，刚好2012年的时候AMD的处推土机处理器已经失利，英特尔没有竞争压力了，所以这个说法是最流行的。
千古之谜：英特尔为何冒大不韪用硅脂？
在放弃钎焊换用硅脂的六年中，英特尔官方对这种转变一直没有公开解释，在一些玩家看来，被骂了6年也不敢解释更坐实了英特尔是为了省钱才换的说法——不怪人民群众喜欢阴谋论，从钎焊到硅脂确实可以节省成本，就算减少1美元的成本吧，英特尔一年出货量的处理器数量在2.5亿左右，算下来也要2-3亿美元，虽然相对每年一百多亿美元的净利来说不值一哂，但蚊子肉也是肉啊。
上面这个解释合情，但我个人并不认同这种猜测，省了钱是英特尔改用硅脂导热的结果，但不是英特尔这么做的原因，这事应该不是从商业角度考虑的，而是背后有技术原因。
当年酷睿i7-3770K开盖事件频发时，还有一个解释听上去更合理——英特尔改用硅脂导热的节点是22nm的IVB处理器，相比32nm的酷睿i7-2600K，酷睿i7-3770K的核心面积在更先进的工艺下从216mm2直降到160mm2（4核+GT2核显级别），之后的4代、5代、6代及7代酷睿处理器的核心面积越来越小，酷睿i7-6700K只有122mm2，而钎焊过程中核心越小，工艺难度越大，所以英特尔开始改用硅脂导热了。
非洲的冲突有可能影响处理器的钎焊，这又是蝴蝶效应的一个例子（图片来源）
除了这个原因之外，还有一种说法与环保有关，欧盟2006年开始全面推行RoHS标准，禁用了有污染的含铅工艺，英特尔在2007年就表态45nm及之后的处理器已经是无铅工艺了。此外，英特尔之前也开展了无冲突矿产行动（冲突矿产百科），2009年首次对合作伙伴的冶炼厂进行审查，涉及金、钨、锡、钽四种矿产，而金、锡金属正是钎焊中的重要材料。
从英特尔发布的无冲突矿产报告来看，他们加入并完成这个承诺的时间段正好是在2012年前后，受此影响而在IVB处理器那一代弃用金属焊料工艺也是有可能的。
当然，这样的话又不能解释为什么九代酷睿处理器又能用钎焊工艺了，除非这两年英特尔搞定了无冲突矿产行动中受影响的供应链。
总之，在这个问题上英特尔官方多年来一直不肯公布他们改变钎焊工艺的原因，省钱或者环保等方面的解释不能完全解释这个问题，根源可能还是技术上的。
对于钎焊材料，大家所关注的主要是导热系数，但是“钎焊料的可焊性、 熔点、 强度及杨氏模量、热膨胀系数、 热疲劳、 蠕变及抗蠕变性能等均可影响钎焊连接的质量。”，对英特尔来说，导热性能也很重要，但肯定不是唯一重要的。
至于现在为什么又把钎焊工艺带回来，英特尔同样没有什么解释，当然秋季发布会上会大谈特谈钎焊工艺的好处——提高了散热效率，允许更高的散热空间，处理器可以运行在更高频率上。一个简单的例子就是英特尔在酷睿i9-9900K的PL2功耗上大幅放宽到了210W，远高于其他处理器通行的1.25倍TDP功耗的做法，限制放宽到了TDP功耗的两倍多。
从八代酷睿的情况来看，英特尔也有必要改进处理器的散热，因为6核12线程的酷睿i7-8700K处理器就够热了，小型的散热器已经压不住了，不超频的话核心温度也能轻松跑到90°C以上，而九代酷睿又是8核16线程又是5GHz频率，不敢想象要还是继续硅脂导热，那发热得是什么样。
有了钎焊，九代酷睿还需要开盖吗？
从钎焊到硅脂再回到钎焊，九代酷睿处理器的散热性能肯定会变好了，但很多玩家还是关心它是否应该开核。我们之前的首发评测中，酷睿i9-9900K搭配240水冷的时候FPU拷机温度都有72.6°C，比酷睿i7-8700K高出了13°C左右，如果是风冷散热器，那么酷睿i9-9900K的温度恐怕也是控制不住的。
开盖这事从酷睿i7-3770K处理器换用硅脂之后，每年发新一代处理器都会折腾一波，历代硅脂处理器在不同网站、不同玩家的测试中温度下降幅度也不等，有的降温效果能达到15°C以上，非常明显，不过也有很多测试显示出开盖之后降温效果不那么明显。
至于酷睿i9-9900K处理器，超频玩家Der8auer之前做过开盖测试，开盖后4.8GHz的负载温度可以从93°C降至84°C，如下所示：
9°C的温差还是挺多的，不过开盖之后的酷睿i9-9900K温度依然不算低，再考虑到开盖的风险及难度（钎焊之后开盖难度增加，对玩家的动手能力要求高了），个人是不建议大家再玩开盖了，土豪玩家可以考虑马云家的开盖服务，或者一步到位选择开盖并且测试好的处理器，一般玩家还是换个水冷散热器吧，240冷排即可，360冷排更好。
