现在市场上做的比较好的游戏笔记本散热可以将中央处理器和显卡的公作温度大幅度降低，但是均衡下来在玩游戏的时候这两者都不会低于65oc，有时甚至能彪到90甚至100°c,两者的发热机制是怎样的？如果仅因为类似电流的涡流原理，为什么它们工作时需要如此强大的电流供应？

非专业人士，如有错误还请指正。

题目：为什么CPU和GPU可以达到那么高的温度？回答：因为在功耗和散热条件一定时晶元面积越小，温度越高。单独来看100W的发热量可能不算大，但是对于通常只有几百平方毫米的CPU和GPU，在空冷条件下会带来非常高的温度。而真空腔均热板/热管有著远高于普通金属和硅晶元的导热系数，使用均热板/热管连接散热鳍片等效于提高了CPU/GPU和散热鳍片的接触面积。

[公式]

在理想情况下，对于给定的CPU，其功率与电压的平方和频率成正比。而CPU消耗的绝大部分电能都转化成了热能，为了降低功耗和发热，降低工作电压和频率成了移动晶元的主流选择。[1][2][3]

[公式]

考虑CMOS反相器（非门）的能量转化，其功率可分为三部分：动态功率 [公式] 、短路功率 [公式] 和漏电功率 [公式] 。其中[公式]和[公式]远小于[公式]，可以忽略。[1][2][3]

CMOS反相器由一个P沟道MOS管（负载管）和一个N沟道MOS管（输入管）组成。负载管源极接高电压 [公式] ，输入管源极接地，负载管和输入管栅极接输入端，负载管和输入管漏极接输出端。要求 [公式] ，其中 [公式] 为N沟道MOS管的开启电压， [公式] 为P沟道MOS管的开启电压。[4]

对于P沟道MOS管，栅极施加低电平导通，栅极施加高电平截止；对于N沟道MOS管，栅极施加高电平导通，栅极施加低电平截止。对于CMOS反相器，输入低电平时，负载管导通，输入管截止，输出高电平；输入高电平时，输入管导通，负载管截止，输出低电平。

把反向偏置的MOS管看成电容器，正向偏置的MOS管看成短路。由于任一工作状态下，CMOS反相器均有一个MOS管导通和一个MOS管截止，在变换状态时，截止的MOS管放电，导通的MOS管充电。由于电容中储存的能量为 [公式] ，每个工作周期CMOS反相器变换两次工作状态，这些能量最终以焦耳热的形式释放，因此总共有 [公式] 的电能被消耗。[3]

由一个周期内的能量消耗不难推出CPU的功率 [公式] ，考虑到CPU中包含成千上万个这样的门电路，因此有 [公式] 。[3]

如果把硅晶元看成在水平面上完全均匀的物体（近似处理，实际上并不可能。从单晶硅到硅晶元要进行蚀刻掺杂氧化金属化布线等处理，早已不再是硅单质），在发热功率恒定和相同的散热条件下，晶元面积越小，温度越高。

傅里叶定律：当物体内的温度只依赖一个空间坐标，而且温度分布不随时间发生变化时，热量沿温度降低的方向传导，称之为一维定态热传导，可用下式描述：[公式] 。

其中 [公式] 为热流密度，表征在与热传导方向x垂直的平面单位面积上，在x方向上传热的速率；T为温度，x为热传导方向坐标，k为物体的导热系数。此式表明热流密度 [公式] 与x方向上的温度梯度 [公式] 成正比，热流方向与温度梯度方向相反。[5]

想像这样一个场景：硅晶元上方紧贴著一块足够大的铜板，铜板上方有足够多的水，铜板下方除硅晶元外为理想真空。将硅和铜视为理想晶体，在水平方向上规则均匀排布。忽略硅晶元的厚度，铜板的厚度固定，水的温度恒定。忽略界面的空隙和气泡。忽略热对流和热辐射。忽略边界效应。

由已知条件容易得出铜板上表面的温度 [公式] 恒定。当硅晶元的发热功率 [公式] 恒定时，体系最终会趋于稳态。此时所有热量均通过硅-铜界面竖直向上传导，符合一维定态热传导。

设铜板在竖直方向上的导热系数为 [公式] ，铜板厚度为[公式]，硅晶元面积为 [公式] 。根据傅里叶定律，可以计算出铜板下表面的温度 [公式] 。

对 [公式] 进行积分，

[公式] ，

解得 [公式] 。

[公式] ，

解得[公式] 。

由于 [公式] ，

因此 [公式] 。

这个结果是在理想化的条件下得出的。实际上硅晶元并非均匀的。晶元与散热装置之间存在空隙。桌面CPU采用钎焊/硅脂导热封装，散热器底座、热管和鳍片采用焊接方式连接，对热管进行压扁和折弯，对鳍片表面进行镀镍处理。这些因素都会在一定程度上降低散热效果。此外必须指出的是，这里忽略了水平方向上的热传导，在实际应用中由于硅晶元的面积有限，在硅晶元边缘与铜板之间的热传导是不均匀的。

参考

  1. ^abCPU power dissipation - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissipation
  2. ^abWhy P scales as C_V^2_f is so obvious https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/blogs/why-p-scales-as-cv2f-is-so-obvious.html
  3. ^abcdWhy P scales as C_V^2_f is so obvious (pt 2) https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/blogs/why-p-scales-as-cv2f-is-so-obvious-pt-2-2.html
  4. ^CMOS反相器工作原理_主要特性_特点-维库电子通 http://wiki.dzsc.com/7202.html
  5. ^热传导_百度百科 https://baike.baidu.com/item/%E7%83%AD%E4%BC%A0%E5%AF%BC

1、先讲一讲晶元为什么会发热？CPU和GPU都是晶元，晶元就是通过传输电流来传递信息的，电流在流经电阻的时候会发热。就像灯泡会发热一样，如果传递的信息量巨大，那么发热量肯定也巨大。这是CPU和GPU发热的原因。

2、CPU和GPU无论玩不玩游戏都会发热。你开机的那一刻已经在发热了，只不过感知不强。至于为什么玩游戏的时候感知那么强，是因为游戏相当于大型软体，运算量大自然要发热很多。你去渲染或者运行一些大型专业软体，发热量也是巨大的。

这个时候一般要用一些方法来给CPU和显卡散热。

比如显卡散热风扇，就像下面这张图。

你看卖显卡的的都要吹一下散热风扇，为啥，不散热晶元工作效率就降低了，甚至会beng一下烧掉。显卡外面风扇，铜管，那么大，其实里面晶元就一点点，做那么大也是为了散热。

CPU的散热风扇也是一个道理，只不过CPU散热风扇可以更加肆无忌惮的堆料，体积大了散热效果肯定好。铜管用的多了，导热性能好了肯定散热效果好。如果用水冷，直接用水来吸收热量，那效果也是杠杠的。

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这也是为什么微软要把伺服器放到海底，散热成本低。如果有条件，我相信将来阿里，微软他们能把伺服器放到北极的冰川里去，如果能更省钱的话。

3、讲一讲笔记本为什么这么热？刚才我们讲到了CPU的散热方法，显卡因为体积原因，肯定没有CPU的散热方法那么直接了当。那么笔记本上当然就更得节制了。要知道，笔记本的厚度还赶不上显卡。

这是联想R7000P的散热，这款机器的散热在笔记本里面算是比较好的。可以看到2个小风扇分布两端，中间肯定有铜管连著，CPU和显卡都被焊在主板上。但是这个散热水准和台式机比起来真的是弱爆了。

台式机在玩大型3A游戏的时候还要动不动70-80度，笔记本玩游戏的时候发热就太正常了。为什么台式机感受不到热量，因为没人玩游戏的时候抱著台式机，但是有人玩游戏的时候抱著笔记本。

所以笔记本玩游戏那么热？

原因1：先天性不足，和台式机比起来散热先天性不足，为了照顾体积散热器不能做太大。拯救者系列散热比较好，重量也是很重的。没有麒麟臂，不要随便买游戏本。

原因2：厂家不同，笔记本散热水准参差不齐，散热水准差的笔记本对电脑性能影响也很大。同样的配置，不一定同样的性能。

原因3：没人抱著台式机玩游戏，战术后仰。

CPU的发热机制主要有两部分因素：兰道尔原理和晶体管的工作模式。

兰道尔原理是对信息熵和热力学熵交叉定义的一个总结，简单来说就是如果需要写入/删除任何已有状态的信息，必须要消耗一定的能量。详细的解释可以见这个问题：

怎么理解兰道尔原理（Landauers Principle）？?

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具体到CPU和GPU内部，最小的单位是一个晶体管。晶体管的开、关状态改变必须要消耗能量。

但是兰道尔原理只是给出了理论的最小值，如果按这个理论值计算，那一个100亿晶体管、运行于4GHz的CPU只需要0.115W。

所以，绝大部分功耗的消耗，其实都是热量消耗：

  • 晶体管的基本工作模式就是通过Source和Gate两极的电压，从而控制Drain极的电流，电流有无决定晶体管的开关。在这个过程中，三极内的电子流动均会消耗一定的电能，并变成热量
  • 晶体管不是100%通断的，有少量的漏电流。漏电流不走导线，而是在各级之间由高压到低压。这个过程和走导线一样消耗电能并变成热能
  • 一个CPU晶体管之间的互连线长度，如果拉成一根，长度是在几万km这个级别。如此巨量的导线因为电阻的存在，同样发热

所以整个CPU和GPU的发热几乎可以视为纯电阻，因为绝大多数电能都是在各晶体管内和晶体管之间的流动过程中被电阻消耗发热。

跟涡流没有什么关系。一个CPU上千个触点中，有超过一半是供电引脚。就一个CPU算有著200W的功耗，但是平分在每个引脚的电流只有不到1A，分给几十M个晶体管和它们之间的线路消耗。这并不是什么巨大的数字。

你跑步的时候热不热？会不会一身汗？

人的话还好一点，有发达的散热系统，动物可就惨了

猎豹如果一波冲刺抓不到猎物就会放弃，因为跑起来发热发的厉害，而它又没有很好的散热系统，不是它累了，是太热，如果再跑下去可能会把自己热死。

CPU和GPU也是一样的，你让他满负荷运转还不让它发热是不可能的。

猎豹要跑起来要不要吃饭？你工作要不要吃饭？不吃饭哪儿来的动力？

电就是CPU和GPU的饭啊，你又想让驴拉磨，又不想让驴吃草，还不让人家发热，可能吗？

你汽车想跑得快还得加油门呢，怎么电脑想运行的快就不想给电呢？

啊？为什么？

你以为台式机cpu跟gpu温度不高吗。

你把台式机散热器拆了直接开机试试，不超过两分钟你的cpu就会攀升到100度往上，然后会有两个结果。

一.主板检测到到达温度限制，强制电脑断电。

二.主板检测部分被烧坏，电脑屏幕蓝屏，随后升起白烟。

所以，跟cpu温度有关的是散热器跟功耗，跟其他无关。

而散热器的散热效果又与风道，接触面贴合度，硅脂导热系数，散热鳞片接触面大小，铜管数，风扇转速等等有关。

Gpu与cpu相同。

而笔记本游戏本一般都采用被动散热与涡扇散热，所以散热效果很不理想。

当然也有例外，如英特尔的n3150 cpu，功耗只有4w，即使是不加散热器的情况下依然可以稳定运行很长时间。

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