PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本
2020-10-16 11:00作者:Bletilla来源:A9VG

  在不久前,索尼互动娱乐(SIE)公布了旗下最新世代的游戏机PlayStation 5的主机拆解视频,由PS5的结构设计・热设计的负责人鳳康宏进行拆解、展示并解说。在拆解视频中,PS5散热最大的亮点在于将主处理器(SoC)的热量传导到散热片的热导体(TIM)所采用的液态金属。「我们非常希望使用以液态金属制成的热导体,对此我们需要做好充分的准备与决心」。本次,日经科技公布了对鳳康宏的采访,将进一步讲解PS5散热系统的优点。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

鳳康宏(Otori Yasuhiro)

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

索尼互动娱乐硬件设计部门 机械设计部 部长

  1993年毕业于东京理科大学工学部机械工学科,加入株式会社Ricoh,从事复印机的设计工作。1998年加入索尼电脑娱乐(现索尼互动娱乐),从事PS2、PS3、PS4、toio的设计工作。

为了压低成本而采用了液态金属

  在此前的PS5发布会上,索尼互动娱乐宣布将推出搭载Ultra-HD光驱的标准版PS5与不搭载光驱的PS5 Digital Edition,分别定价499.99美元/399.99美元。而本次对PS5散热设计,成功地让游戏机的生产成本大大降低,让PS5能够以这一价格推出。

  成功降低成本的最大原因,正是前面提到的利用了液态金属这一材料的热导体。如果PS5不使用液态金属热导体来散热的话,游戏机的本体会比现在更大、价格更贵,散热风扇的声音也会更响。根据鳳康宏的描述,在进行游戏时的风扇声音的大小虽然视情况而定,但总体来说PS5比PS4更加安静。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

  说到选择液态金属热导体的原因,PS5的SoC在运作时的频率非常高、但它的晶粒却很小。除了晶粒的尺寸,PS5的SoC在进行游戏的时候基本能在满功率下运作,所以进行游戏时的发热量与TDP值(热设计功耗)基本一样。对比PS4来看,PS4的SoC很少能够在最大功率下运行,即使在进行游戏的时候也达不到TDP值的发热量。结果是PS5的SoC的晶粒热密度非常高,要远远超过PS4。

  要说到将PS5的SoC小型化的原因,是因为晶粒的尺寸会直接影响制造成本和成品率。简单来说就是尺寸越小的话成本越低,并且晶粒中出故障的可能性也越低,会提高产品的成品率。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

PS4的热导体所使用的导热硅脂

  相比此前设计热导体时所使用的导热硅脂,采用液态金属进行制作的热导体的成本要高出不少。但从对电子机械的热设计上考虑的话,对热源近处的散热下的功夫越大,散热系统的成本实效也就越好。因为如果能在热源附近就很好地吸收热能的话,那就可以不用在散热片与散热风扇上提高成本。反过来说如果要继续使用导热硅脂的话,则需要冷却性能更好的昂贵散热片。

  虽然在热导体的设计上采用了昂贵的液态金属材料,但从整体上来看降低了散热系统的总成本。同时也降低了散热风扇的转速,进行游戏时的风扇声也随之降低。从成本与静音这方面来考虑的话,采用液态金属是合乎道理的设计。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

  虽然液态金属导热体有很多优点,但鳳康宏也认为这个材料需要注意使用方式。比如液态金属具有导电性,要是液态金属泄漏、流到主板上话则会导致主板电路发生短路而故障。此外,导热体所采用的液态金属对铝会比较活泼,所以也需要与铝材料隔离开。也因为各种各样的问题需要克服,所以目前也很少有民用产品会采用液态金属来散热。而要让年产数百万至一千万的游戏机采用液态金属导热体来散热,必然要克服这些课题。比如让液态金属不泄漏的密闭构造,鳳康宏称这一构造是取得了专利的设计,虽然通过拆解视频可以明白在这里有块液态金属,但液态金属导热体的涂法、自动化生产的注意点是没法通过看看就明白怎么回事的。

尺寸大的原因在于散热风扇

  PS5的散热风扇与PS3、PS4一样都是离心式的。直径为120mm,和PS4一样采用伺服式控制,会根据游戏机的发热状态调节风扇转速。离心式风扇在运作的时候会向全方向出风,和台式电脑常用的轴流式风扇相比风量会比较小,但相对来说静压会比较高一些。要选风扇的话一般会从静压和流量这两点考虑,PS5所需要的静压值比较暧昧,在设计时犹豫过该选择轴流式还是离心式,但而最后选择了离心式风扇。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

PS5的散热风扇

  为了同时为主板的两面散热,PS5的散热风扇的厚度定在了45mm,比目前现行的PS4与PS4 Pro所采用的都要厚。以装有SoC的一侧为A面、另一侧为B面的话,B面发出的热量要和PS4的SoC要差不多,在运行的时候风扇要同时从两面吸气并进行散热。而正是因为散热风扇才决定了如今PS5的尺寸,因为PS5在竖放时的宽度是以散热风扇的厚度为基准进行设计的。

  PS5的外形大小为390mm×260mm×104mm,比PS4里最大的PS4 Pro(约327mm×295mm×55mm)还要更大。在设计时其实也曾考虑过让PS5比如今尺寸更小的办法,比如为A面与B面各准备一个小型散热风扇的话可以比现在的尺寸更小。但这样以来不但成本要比一个散热风扇更高,转速调节也要比1个散热风扇更加困难。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

  从方便用户与安全性的考虑,PS5在散热风扇周边还增加了能够收集灰尘与碎屑的集尘器。灰尘与碎屑会因为风扇的离心力被保存在PS5内部的集尘器内,玩家只需要拆卸白色外壳就能够用吸尘器从集尘器中将灰尘与碎屑吸出。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

PS5散热片构造

  在PS5中搭载的大型散热片,实现了提升冷却性能与降低生产成本这两个目标。虽然采用的是导热管,但通过形状与气流的设计让它拥有了和昂贵但散热性能优秀的均温板相同散热能力。就比如将导热管扭曲之后分别连接在鳍片①的上侧与下侧,以提升散热片的散热性能。

  剩下两个鳍片也在设计上下了一些功夫,比如鳍片②向一边倾斜一定的角度、并且在鳍片②与鳍片③之间留了一小段空间。这样一来,在鳍片②处加热的空气与从其他不同路径流入的空气混合之后冷却、流到鳍片③时能够提升鳍片③的散热效果。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

上图可看到B面挡板上的散热部分

  除了这个大型的散热片之外,在主板的B面的挡板上也有一个小型的散热片与导热管,这边的散热片是用来给装在B面一侧的DC-DC转换器降温的。顺便一提,A面的挡板和之前一样是钢质的,而B面材料则是铝制的。

PS5选择「液态金属导热体」的真正目的在于降低成本

将主板B面一侧的挡板取下来的时候,可以看到当班上有一层灰色,就是上述的涂抹型导热材料

  除此之外,在构造的设计上也用了一些心思。比如装在主板B面的GDDR6内存与挡板之间也有一层导热材料。这个并不是常见的贴片型导热材料,而是一种涂抹型的导热材料。将液状的导热材料涂抹在挡板上之后不久,就会像橡胶一样固定在上面。如果采用贴片型导热材料的话不太适合自动化操作,需要人力进行,而涂抹型导热材料更适合自动化生产。在PS4时有一部分采用的是涂抹型的导热材料,在PS5中用到的导热材料都是涂抹型的,在生产时效率更高。

来源:日经TECH

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