超能課堂(159)：從釺焊到矽脂再到釺焊，英特爾CPU的折騰之路
英特爾公司大概不會喜歡“牙膏廠”這個稱呼，但在玩家看來英特爾這幾年來的處理器升級真的是在擠牙膏，特別是14nm節點之後，已經推出了四代使用14nm工藝的酷睿處理器了。不光是擠牙膏，有時候大家還調侃英特爾牙膏擠多了又給縮回去了，特別是在矽脂導熱這件事上，許多玩家在這個問題上已經糾結了6年了，超能網的文章評論經常可以看到有人吐槽“矽脂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了8核16執行緒，還重回使用了釺焊導熱工藝。
今天的超能課堂裡，我們就來聊聊英特爾處理器的矽脂、釺焊變化過程，先來介紹以下兩位選手的基本情況。
導熱矽脂：
關於矽脂，很多玩家都很熟悉了，這裡就不詳細介紹了，因為超能網11年前做過一次矽脂橫評，這篇文章對矽脂的用途、作用有過詳細介紹，迄今依然不過時。
ofollow,noindex">沙場秋點兵，16款導熱矽脂大比武
釺焊
英文是solder，寫過這麼多關於處理器的釺焊導熱的文章，solder這個可以說一種工藝，也可以理解成一種材料，特別是對應矽脂的時候。這裡就引用 維基百科 的一些解釋：
通常為錫的合金，故又稱焊錫，為低熔點合金，在焊接的過程中被用來接合金屬零件， 熔點需低於被焊物的熔點。一般所稱的焊料為軟焊料，熔點在攝氏90~450度之間，軟焊廣泛運用於連線電子零件與電路板、水管配線工程、鈑金焊接等。手焊則經常使用烙鐵。使用熔點高於攝氏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，至於處理器中所用的釺焊還有別的不同，它使用的材質多數含有銦（In），有的是純銦，也可以是金銦，也可以是銦鋅鉍等等。 含銦焊料的優點 如下：
·銦具有良好的延展性與可鍛性，僅使用中等壓力，就能使其變形並填滿兩個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境中也能保持有效密封。
·銦的導熱率較高（在85°C時為86W / mK），因此被廣泛應用在熱管理應用中，散發電子元件產生的熱量。
·在繫結不同的元件時，銦能補償不同的熱膨脹係數（CTE）。
·即便只含有少量銦，電子裝配中使用的焊料的熱疲勞效能也能得到改善。
·某些含銦合金的熔點低於180°C，因此非常適合多次焊接或者需要較低迴流溫度的焊接。
·銦的蒸汽壓力低，適合高真空焊接。
·銦合金焊料在跌落試驗中的耐抗程度優於其他低熔點合金。
不同焊料的特性及導熱係數
處理器的散熱結構：從核心到散熱器的兩道坎
從散熱角度來說，處理器核心與散熱器底座無縫貼合的話，散熱效率是最高的，但是晶圓廠生產出的晶片太脆弱了，所以需要一層金屬蓋保護，這就是IHS（Integrated Heat Spreader，整合散熱反變形片），它可以保護CPU核心，但是多了IHS就相當於多了一層散熱結構，所以CPU安裝散熱器的時候需要塗抹矽脂在頂蓋上以提高導熱效率（相對空氣而言），這部分就是TIM（Thermal interface material，熱介面材料），最常見的TIM材料就是矽脂，高階點的有液態金屬等。
處理器內部的導熱介質（圖片來源於 Wikichip ）
具體來說，TIM還分為兩層，我們安裝散熱器塗抹的那一層TIM是TIM2，IHS與CPU核心的那一層是TIM1，這個就是現在的PC玩家杯葛了六年多的矽脂（Thermal Paste）vs釺焊（solder）事件的衝突核心。
英特爾處理器從釺焊到矽脂再到釺焊導熱的旅程
為了更好的散熱，處理器通常都是釺焊導熱的，AMD哪怕是在比較低端的CPU及APU上都在堅持釺焊導熱，英特爾之前也是如此，一直堅持到Sandy Bridge架構的酷睿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”，放棄釺焊開始使用矽脂，先是在主流處理器上這樣做，接著發燒級平臺的Core X系列處理器也遭到了黑手，然後Xeon處理器也一樣開始用矽脂，直到九代酷睿處理器重新使用釺焊，前後歷時六年時間。
酷睿i7-3770K開蓋，開始用矽脂了（ 圖片來源 ）
這是矽脂導熱的8代酷睿處理器
開蓋後的酷睿i9-9900K處理器（ 圖片來源 ）
這個過程沒什麼可說的了，老玩家應該多少了解一些，過去六年中DIY玩家提到這個問題就滿臉的不滿，一是因為從焊料到矽脂，兩種材質的導熱係數可是天淵之別，矽脂典型的導熱係數是2W/m·K，焊料因為還有多種金屬元素，導熱係數要高得多，不同成分下50-80W/m·K的導熱係數都是有的。
不管怎麼算，從釺焊到矽脂都是導熱能力的極大下降，理論上導熱效率損失90%都是可能的，而且矽脂的成本更低，工藝也更簡單，所以很多人把英特爾這次改變視為奸商摳門之舉，剛好2012年的時候AMD的處推土機處理器已經失利，英特爾沒有競爭壓力了，所以這個說法是最流行的。
千古之謎：英特爾為何冒大不韙用矽脂？
在放棄釺焊換用矽脂的六年中，英特爾官方對這種轉變一直沒有公開解釋，在一些玩家看來，被罵了6年也不敢解釋更坐實了英特爾是為了省錢才換的說法——不怪人民群眾喜歡陰謀論，從釺焊到矽脂確實可以節省成本，就算減少1美元的成本吧，英特爾一年出貨量的處理器數量在2.5億左右，算下來也要2-3億美元，雖然相對每年一百多億美元的淨利來說不值一哂，但蚊子肉也是肉啊。
上面這個解釋合情，但我個人並不認同這種猜測，省了錢是英特爾改用矽脂導熱的結果，但不是英特爾這麼做的原因，這事應該不是從商業角度考慮的，而是背後有技術原因。
當年酷睿i7-3770K開蓋事件頻發時，還有一個解釋聽上去更合理——英特爾改用矽脂導熱的節點是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的工藝下從216mm2直降到160mm2（4核+GT2核顯級別），之後的4代、5代、6代及7代酷睿處理器的核心面積越來越小，酷睿i7-6700K只有122mm2，而釺焊過程中核心越小，工藝難度越大，所以英特爾開始改用矽脂導熱了。
非洲的衝突有可能影響處理器的釺焊，這又是蝴蝶效應的一個例子（ 圖片來源 ）
除了這個原因之外，還有一種說法與環保有關，歐盟2006年開始全面推行RoHS標準，禁用了有汙染的含鉛工藝，英特爾在2007年就表態45nm及之後的處理器已經是無鉛工藝了。此外，英特爾之前也開展了無衝突礦產行動（ 衝突礦產百科 ），2009年首次對合作夥伴的冶煉廠進行審查，涉及金、鎢、錫、鉭四種礦產，而金、錫金屬正是釺焊中的重要材料。
從英特爾釋出的無衝突礦產報告來看，他們加入並完成這個承諾的時間段正好是在2012年前後，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。
當然，這樣的話又不能解釋為什麼九代酷睿處理器又能用釺焊工藝了，除非這兩年英特爾搞定了無衝突礦產行動中受影響的供應鏈。
總之，在這個問題上英特爾官方多年來一直不肯公佈他們改變釺焊工藝的原因，省錢或者環保等方面的解釋不能完全解釋這個問題，根源可能還是技術上的。
對於釺焊材料，大家所關注的主要是導熱係數，但是“釺焊料的可焊性、 熔點、 強度及楊氏模量、熱膨脹係數、 熱疲勞、 蠕變及抗蠕變效能等均可影響釺焊連線的質量。”，對英特爾來說，導熱效能也很重要，但肯定不是唯一重要的。
至於現在為什麼又把釺焊工藝帶回來，英特爾同樣沒有什麼解釋，當然秋季釋出會上會大談特談釺焊工藝的好處——提高了散熱效率，允許更高的散熱空間，處理器可以執行在更高頻率上。一個簡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，遠高於其他處理器通行的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看，英特爾也有必要改進處理器的散熱，因為6核12執行緒的酷睿i7-8700K處理器就夠熱了，小型的散熱器已經壓不住了，不超頻的話核心溫度也能輕鬆跑到90°C以上，而九代酷睿又是8核16執行緒又是5GHz頻率，不敢想象要還是繼續矽脂導熱，那發熱得是什麼樣。
有了釺焊，九代酷睿還需要開蓋嗎？
從釺焊到矽脂再回到釺焊，九代酷睿處理器的散熱效能肯定會變好了，但很多玩家還是關心它是否應該開核。我們之前的首發評測中，酷睿i9-9900K搭配240水冷的時候FPU拷機溫度都有72.6°C，比酷睿i7-8700K高出了13°C左右，如果是風冷散熱器，那麼酷睿i9-9900K的溫度恐怕也是控制不住的。
開蓋這事從酷睿i7-3770K處理器換用矽脂之後，每年發新一代處理器都會折騰一波，歷代矽脂處理器在不同網站、不同玩家的測試中溫度下降幅度也不等，有的降溫效果能達到15°C以上，非常明顯，不過也有很多測試顯示出開蓋之後降溫效果不那麼明顯。
至於酷睿i9-9900K處理器，超頻玩家Der8auer之前做過開蓋測試，開蓋後4.8GHz的負載溫度可以從93°C降至84°C，如下所示：
9°C的溫差還是挺多的，不過開蓋之後的酷睿i9-9900K溫度依然不算低，再考慮到開蓋的風險及難度（釺焊之後開蓋難度增加，對玩家的動手能力要求高了），個人是不建議大家再玩開蓋了，土豪玩家可以考慮馬雲家的開蓋服務，或者一步到位選擇開蓋並且測試好的處理器，一般玩家還是換個水冷散熱器吧，240冷排即可，360冷排更好。