半导体制冷(什么是半导体制冷)

空气冷却和水冷却是常见的冷却模式。其实大家平时使用的集成水冷的部分原理还是属于“风冷”的范畴，只是散热器的传热介质被热管的“蒸发-冷凝”自动循环原理所替代，依靠水泵电机主动循环带动液体。最后，所有的热量都是通过风扇的旋转强制对流，风扇将散热片的热量(空气冷却)或冷排气(水冷)传递到环境中，帮助芯片冷却下来。所以无论是风冷还是水冷散热器都是被动的散热形式，因为芯片的高温和环境的低温之间的温差决定了传统散热器作为“热量的搬运工”，最多只能将芯片的温度降低到接近环境温度。

随着对芯片计算能力的不断追求，越来越多的晶体管被封装到计算芯片中，每个计算单元的密度也在不断增加。同时，更高的频率也给芯片带来了更高的工作电压和功耗。可以预见，未来几年，我们将继续追求提升芯片的计算性能，这意味着我们还需要不断克服芯片温度的散热问题。仅仅依靠现有的“被动冷却”已经有些不够了。是否需要一种新的“主动冷却”模式？

其实处理器的散热方式并不局限于常见的风冷/水冷。为了解决温度问题，实现一些极端的目标(比如极端超频)，极客们不断尝试油冷、压缩机制冷、液氮、干冰等冷却方式。零售市场上使用的OCZ CRYO-Z系列压缩机，通过相变制冷可以使蒸发器温度达到-45℃，甚至有国外发烧友自制三级压缩机系统将温度降到-196℃，相当于液氮的蒸发温度。然而，由于成本高和使用复杂，压缩机系统不可能在国内广泛使用。液氮和干冰只是针对极端超频这一特定目标的特殊手段。蒸发/升华速度很快，只能带来短期的极致效率。这些方法不是完全可控和可再现的。

那么有没有一种看似高度可控、使用方便、成本低廉的散热方法来解决现有加工芯片的高温问题呢？可能还有一些答案，那就是基于热电效应原理的半导体制冷技术。随着今年11月英特尔Cryo相关项目的公布，接下来，DIY市场将出现使用热电制冷的民用散热器。今天就来说说半导体制冷。

什么是半导体制冷？

要了解半导体制冷的应用，这是终端技术特有的，我们需要知道电和热的一个基本原理:热电效应。

图片:“理化检验-物理量-热电材料应用、R&D及性能测试进展”李蒙在等。

热电效应是温差产生的电压的直接转换，反之亦然。简单来说就是一个热电器件，当它的两端有温差的时候，就会产生电压，当有电压加在上面的时候，也会产生温差。这种效果可以用来发电、测量温度、冷却或加热物体。因为加热或冷却的方向取决于所施加的电压，热电装置使得温度控制非常容易。

热电效应不是一个独立的术语。这一理论包含三种定义的效应，即塞贝克效应(1821年)、珀尔帖效应(1834年)和汤姆逊效应(1854年)。

塞贝克效应

1821年，德国人塞贝克发现，当两个不同的导体连接时，如果两个连接点保持不同的温差，导体中就会产生热电电动势:

ES=S.△T

式中:ES为热电电动势，S为热电电动势率(塞贝克系数)，△ t为触头之间的温差。

珀尔帖效应

1834年，法国珀尔帖发现了与塞贝克效应相反的效应，即当电流流过两种不同导体形成的结时，结会产生放热和吸热，放热或吸热由电流决定。

Q=。I=aTc

式中:Q为作为比例系数的放热或吸热功率，称为珀尔帖系数，I为工作电流，A为热电电动势率，Tc为冷结温度。

汤姆逊效应

英国物理学家威廉·汤姆孙在1854年发现，当电流流过具有温度梯度的导体时，导体电阻产生的焦耳热之外，导体还会散发或吸收热量，温差δt的导体两点之间释放或吸收的热量为:

Q=.I.△T

式中:Q为放热或吸热功率，汤姆逊系数，I为工作电流，△T为温度梯度。

通俗地说，第一，热可以发电；第二，电也会使导体产生温差；第三，当电流流过温差不均匀的导体时，会吸收和释放一定的热量，形成高温放热，低温吸热的状态。然后，通过改变导体成分，控制电流，就可以形成各种可控的具体应用，如热能(温差)发电:可用于军事、航空航天、民用能源等领域；热电制冷:与热电发电相反，电能转化为热能制造热电制冷器。由于这种类型的冰箱只能在没有压缩机或氟利昂等制冷剂的情况下安装，因此具有结构简单、体积小、重量轻、动作速度快、可靠性高、使用寿命长、无噪音等优点。此外，热电制冷不需要像机械制冷一样填充化学耗材，没有运动部件，没有磨损，维护成本很低，也适用于军事、航空航天、工业和民用制冷需求。今天，我们将重点介绍“半导体制冷芯片”，它是热电效应在制冷应用中的一种特定器件形式。

什么是半导体热电制冷？

刚刚提到的珀耳帖效应自发现以来，已经有100多年没有在实践中应用了，因为金属半导体的珀耳帖效应太弱，无法在实践中应用。直到20世纪90年代，前苏联科学家约菲的研究表明，基于碲化铋的化合物是最好的热电半导体材料，这导致了一种实用的半导体电子冷却元件的出现:热电冷却(简称TEC)。

与传统的风冷和水冷相比，半导体制冷片具有以下优点:1 .它可以将温度降低到室温以下；2.精确控温(采用闭环温控电路，精度可达0.1℃)；3.可靠性高(制冷部件为固体装置，无运动部件，使用寿命超过20万小时，故障率低)；4.没有工作噪音。

图片:热管散热半导体冷箱的理论分析与实验研究曹2010

在TEC制冷片中，半导体通过金属导流板连接成回路。当电流从N通过P时，电场使N中的电子和P中的空空穴反向流动，它们产生的能量来自晶格的热能，因此在偏转器上吸收热量，在另一端释放热量，产生温差。珀尔帖模块，也称为热泵，可用于加热和冷却。半导体冷却器是一种传热工具。只要热端(被冷却物体)的温度高于一定温度，半导体制冷器就开始发挥作用，使冷热端的温度逐渐平衡，从而起到制冷作用。这是半导体散热片(TEC)的原理，可以和PC散热器一起使用。TEC散热器的吸热(冷)端靠近热CPU，为CPU降温，而TEC的另一侧散热。它具有无噪音、无振动、不需要制冷剂、体积小、重量轻、运行可靠、冷却速度极快、温差和制冷量易于可控调节的特点。

听起来很适合PC芯片，PC芯片是功耗波动大的发热元件，不是什么新技术。为什么之前厂商没有尝试将TEC制冷深度应用于PC散热？

TEC半导体制冷应用于PC散热的难点

高能耗

对于普通家用电脑来说，TEC散热器的能耗比太低。目前半导体制冷系数小，制冷时消耗的能量远远大于制冷量。比如EK目前公布的EK-QuantumX Delta TEC水冷头在满载情况下的功耗为200W，在某些情况下甚至超过了其服务目标CPU。我们电脑10年的主流电源是300瓦，5年前大概是400瓦，现在只有500瓦左右，没有足够的剩余功率空给TEC制冷设备。因此，除了少数高电源(额定750瓦以上)的高端台式机外，TEC散热器无法成为现阶段主流的PC散热解决方案。

大功率TEC无法独立工作

TEC冷却板工作时，需要热端有效散热，冷端冷却。要散发的热量包括珀尔帖效应释放的热量和冷却板本身的焦耳热。也就是说，TEC制冷装置在需要大功率制冷输出给CPU进行散热时，需要持续冷却。如果应用在PC领域，需要叠加高性能水冷，用于TEC制冷片的散热。因此，无论是EK-QuantumX Delta TEC还是极寒的ML360 Sub Zero，最终呈现的TEC产品都是水冷和TEC制冷装置融合的产物。

对抑制大功率CPU散热性能前沿的质疑

从目前厂商公布的数据来看，EK TEC与分体式水冷结合时最高可抑制338W CPU，而cool TEC与360°一体式水冷结合时最高可抑制250W CPU。与传统的高性能360水冷散热器相比，面对满核负载的大功率处理器，领先优势可能没有想象中那么大。

工作温差大容易导致主板组件结露损坏。

空面对TEC制造的大温差环境，气体中的水分在低于室温的部位容易形成冷凝，因此需要在处理器周围设计一定的密封环境，避免冷凝的风险。

软件和硬件之间需要精确和无缝的合作。

CPU在运行过程中，频率和功耗波动较大，需要实时灵敏地调节CPU的功耗和温度，而不是“全功率冷却-暂停冷却”模式的简单粗暴循环。如果TEC要变得智能和易于使用，它需要一个结合软件和硬件的控制系统来监控从频率、温度、湿度、功耗和电压的接管。英特尔Cryo项目的建立和各种软硬件通用标准的建立，正是为了让这套完整的TEC制冷系统实现民用化。

成本更高

目前PC领域使用的TEC半导体散热器，极寒ML360零度以下的已知零售价为2999元，EK-QuantumX Delta TEC只有2350元左右的分体式水冷头(其他部分如冷排水泵等需自行购买施工)。没有足够的量产和新产品新技术的溢价，成本必然很高，售价比常规360集成水冷高2~3倍。至少在TEC型散热器的产品生命周期前端，不会在普通家庭广泛使用。

TEC半导体制冷应用于PC机的优势

制冷温度可以低于环境温度，甚至低于0度。

TEC散热器可以产生足够的温差，只要功率足够，可以实现从+90℃到-130℃的温差。当CPU功耗处于低功耗范围时，TEC可以使其核心的温度低于环境温度。注意，这种低于环境温度的情况是民用低功耗TEC散热器随时无法实现的，只能在CPU低功耗运行时产生低温。

TEC具有大温差制冷的特点，可以更好地解决晶体管密集型工艺中的加热问题。

随着工艺流程的改进和晶体管密度的增加，CPU核心的封装管芯面积越来越小。根据热力学原理，导热面积越小，维持导热性能所需的温差越大，温差较小的系统的散热形式无法解决这一问题。即使CPU功耗不高，仍然会严重积热(出热面积不够)，导致频率上限降低。然而，CPU的发展注定了晶体管密度会不断增加。TEC自然具有大温差属性(吸热端的温度很容易达到-20℃)，可能是解决小面积高导热问题的最佳方案。

TEC散热器更符合运行时CPU硅片的频率/功耗/电压/温度的关系。

CPU内核温度越低，在功耗相同甚至更低的情况下可以实现的频率越高。可以简单理解为CPU是低温高能高温低能的产品。通常，人们无法欣赏这一特性，因为最强大的风冷和水冷无法将处理器保持在室温以下，从而使其内核能够保持在0℃至20℃的稳定温度范围内。例如(数值不准确，仅用于概念表达)，如果一个CPU的一个核心运行在5.5GHz超高频，在TEC的抑制下，可以控制在50℃，50W功耗，1.3V电压；没有TEC的大温差制冷，这个核心的温度会急剧上升到90度以上。为了维持核心在高温下的高频，电压会上升到1.45V，单核功耗会上升到80W，最终会导致CPU高频运行不稳定。使用TEC散热器相当于打开了一个专门定制的CPU舒适温度区，让一些核心可以冲击传统散热条件下无法达到的高频。

提高常见应用的处理器性能。

不是所有的程序都能很好的利用主机的多核资源。我们日常办公、游戏等应用还是需要强大的单核性能而不是多核低频。因此，TEC散热器可以帮助用户方便地达到满足实际应用需求的更高频率，即使核心不那么多，也能带来更好的实际性能。这也是英特尔i5 9600K、英特尔i5 10600K等低核高频处理器存在的意义。

一种替代超频工具，具有精确和智能的控制，大规模生产和可控的体积。

TEC散热器，正是因为它更符合CPU核心“低温高能、高温低能”的工作特性，并具有量产和精准智能调节的属性，可以替代某些特定目标下不可控、繁琐的液氮超频，成为新概念超频工具。

TEC半导体制冷在PC领域的应用前景

TEC半导体制冷并不是一项全新的技术。是一位理论概念已存在100多年的老朋友，几十年来在工业、航空航天、军事领域得到了实际应用。从概念上来说，TEC半导体散热散热器的优势确实可以和PC主机硬件很好的结合。如果未来能够大幅度降低量产后的成本，将这种看似神秘的“黑科技”放入常规的240水冷系统中，适当提高售价，对于终端用户来说，不仅会得到一个散热器，更是一个能够充分发挥其独特属性，帮助用户提升附加性能的工具。对于这样的“外挂”，我们没有理由不期待！