从诺贝尔奖到“吃鸡守护者”:通往极点的手机散热战争

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      作者:风辞远

      IG夺冠之后的无数故事,让我们又一次见证到了游戏可以是多么重要的一件事。游戏产业与游戏体验,甚至关乎无数人宝贵的青春。

      随着游戏市场越来越重要,游戏体验也悄然成为近两年手机行业的新热点之一。

      先是各式各样主打游戏的手机登场,有的纹路炫酷,有的周边繁多。但静下来想想,就会发现真正左右了手机游戏体验的因素只有那几个:运算性能、电池续航、高清显示,以及散热性。

      这些处于手机心脏中的因素,不是手机壳设计的好看一点就能改变的,甚至必须要回到工业领域、材料科学这样的手机最底层,最后端的领域里,才可能让手机游戏的核心体验向前推微微一小步。

      为了这一小步,可能需要动用无数的资金、研发能力,甚至要搬出仿佛还远在天边的科学成果。比如说——石墨烯散热膜。

      华为Mate 20 X,是追求的极致科技的Mate系列中,在今年推出的一款有点特别的产品。它主打大屏与游戏体验,而更引人注目的是,同时它也是世界第一款石墨烯膜+VC液冷散热手机。

      让我们把这二者联系起来:为什么游戏体验的极点,今天一定要召唤出石墨烯散热膜这个大招?这场散热战争的故事,背后隐藏着手机中根深蒂固的问题——同时可能更深藏着手机产品如何摆脱同质化,这个“史诗级疑问”的某种答案。

      一切要从一场关于“热”的原罪说起。

    “热”的原罪

      人性毫无疑问是贪婪的,而人类的贪婪又常常是矛盾的。

      比如说人类想要更薄、更大屏占比的手机,同时又想在手机上玩越来越复杂的游戏。然而问题在于:这两者本质上是矛盾的。

      吃鸡这类FPS类游戏,堪称最烧系统、吃运算资源的游戏。手机需要大量的运算能力与运算空间去处理你的98k,但同时大屏幕和超薄机身让手机没有那么多空间去放置电池与大功率芯片。

      除此之外,手机游戏更顽固的一个矛盾,在于热量。

      根据数据,今天主流的手机配置,玩《刺激战场》30分钟手机就会达到45度,随后过热的机身会导致玩家不舒服,同时过热也会触发硬件?;せ?,导致画面掉帧,甚至随后出现各种奇奇怪怪的bug。

      据说,手游吃鸡玩家如今已经习惯了玩一会休息一下,也习惯了一边心疼手机一边开8倍镜。但不管怎么说,只有30分钟优质游戏体验的手机,显然是无法满足玩家的。

      然而从本质上来看,手机里的超狭小空间、抗摔耐磨的外壳材料、计算力强劲的芯片,这些让手机更好的东西,却是散热这件事的天敌。

      游戏场景的另一个特点,是热量存在突然上升的可能。比如吃鸡的时候,你终于抢到了载具打算狂飙突进一把,这时候你的手机散热量却可能从正常的4W突然飙升到8W,王者荣耀中华丽的大招也有类似功能。

      这些特质,把手机游戏过程中的散热变成了一个难以捉摸,没有规律的事,让很多智能散热技术难以发挥作用。

      这么看来的话,游戏与手机中关于热的矛盾,可谓是挡在游戏体验面前一场“热”的原罪。

      然而从游戏体验本源上讲,热又是一个不得不面对的敌人。

      因为从游戏玩家的普遍心理上来看,半小时实在是一个过短的游戏时间。组队打游戏,玩半小时就走是要被队友骂死的。而且由于手机过热导致玩家不得不退出游戏,是一种严重损害玩家心态的方式。很可能引发用户痛骂二十分钟都不带重样的。

      归根结底,想要让吃鸡这种大型游戏,在手机上不知不觉玩到两小时,甚至一玩四小时也hold住,就必须攻克散热这一关卡。

      为了准备这场攻坚战,华为Mate20 X甚至请出了石墨烯材料——这个听起来就厉害的“诺贝尔级”秘密武器。

    没有硝烟的散热战争

      手机散热有多重要,或许可以从仿生学的角度得到一个特别精准的解释。

      我们知道地球上跑的最快的动物是猎豹,极限奔跑速度能达到110公里每小时,然而同时大家也知道猎豹是一个无法长跑的动物。

      其原因就在于,猫科动物是没有汗腺的。猎豹在奔跑时会制造大量热量,然而这些热量却无法有效散出,导致体温达到危险的41度,唯一的解决方式就是停下来休息。

      手机也是如此,既想跑得快,又想跑得久,似乎难以跨越热量这个无法绕过的关卡。

      主打大屏幕的Mate 20 X,显然在立意上就要把游戏体验作为产品与技术的核心目标。假如说麒麟980和GPU Turbo技术解决了猎豹心脏与运动神经的问题,那么下一个问题就是给猎豹装上汗腺。

      但是这并不容易。

      如果我们把一台Mate 20 X仔细拆开,会发现为了解决热量问题。这台手机在每一个可能产生和传递热量的环节里都进行了“埋伏”,层层狙击“热”这头怪兽。

      比如说,最底层麒麟980采用了Flex-Scheduling多核智能调度机制,让芯片更加省电同时优化散热效率,避免无意义的热量产出。然而在软硬件结合的环节,GPU Turbo起到了优化通道效率的功能,避免GPU算力浪费产生热耗。而在CPU上,这次的华为Mate 20系列还采用了针对CPU的AI调度系统,用神经网络模拟游戏等复杂任务,针对不同画面调配算力。

      这一整套算力调用技术,主要目的在于保证游戏满帧体验,同时也起到了层层减少热量产出的作用。

      然而面对大型游戏,热量始终还是要来的。这时候的问题,就是如何把热量疏导出去。

      首先要考虑的是降温。为此,华为Mate 20 X首先采用了更加先进的液冷技术,即真空腔均热板技术(Vapor Chamber)。

      所谓的VC液冷,是把两块上下盖板焊接密封抽真空, 注入冷液。利用相变换热, 等效导热系数是纯铜几十倍, 超越自然界的所有天然材料。整体VC液冷均热板贴在CPU系统上,热量发出后,首先通过液冷技术把温度降下去。

      相比于其他芯片液冷手机,Mate 20 X采用的VC更薄,只有0.4mm的厚度,不影响手机体积。并且远超热管的宽度设计让液冷系统可以覆盖整个SoC,满足给手机芯片全面降温的需要,让手机能有猎豹的爆发力!

      

      到这里为止,散热战争还是没有结束。想要进一步提高散热效率,还有一招就是要让散热膜具备更好的散热性。

      这里就需要引出那个被科技界心心念念若干年的名字:石墨烯。

    从诺贝尔奖到“吃鸡守护神”:

    为什么散热需要石墨烯?

      最早的智能机,芯片和机身间是没有散热膜的。后来热量越来越大,大伙一看这样不靠谱,于是就在机身之下加上了铝合金散热层。引导热量通过,避免热量囤积烧坏机身或者触发硬件?;は低?。

      后来,随着手机算力的不断增大,对散热膜的要求也越来越高,其材质越来越好。今天的高端机,普遍会采用石墨,或者多层石墨作为散热膜。虽然绝大多数消费者都不会注意到手机中这一层硬件系统,但它却最终影响了用户打游戏、看视频时候的体验与感受。

      可是问题又来了:为什么Mate 20 X一定要选择石墨烯呢?

      热爱科学的小伙伴显然对石墨烯这词儿不会陌生。2004年,曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫分理出了一种超薄石墨薄片,一种呈蜂巢晶格的平面二维材料。。

      试验过后,科学家们发现这种新分离出来的材料不同凡响,在各个领域都大有作为。而两位发现者也凭借石墨烯获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

      石墨烯这东西,理论上一大优点就是导热性特别好。虽然取得不易,价格昂贵。但理论上的无缺陷石墨烯的导热系数能达到5300W/mK,是目前为止导热系数最高的碳材料。要知道,目前被业界认为最佳的散热材料单壁碳纳米管,导热系数也只有3200W/mK。

      数据听上去美轮美奂的另一面,是石墨烯的取得与应用都十分艰难。比如很多所谓的石墨烯应用,都被专家指出实际上只有纯度非常小的石墨烯,混入了大量的石墨。而在手机端,把石墨烯当噱头的案例更是层出不穷。

      然而Mate 20 X面对的问题是,想要获取长时间的优质游戏体验。就必须把散热做得更充分,于是石墨烯散热膜成为了最好的选择。

      但从一个选择,到Mate 20 X最终得以量产,之间并不是什么简单愉快的过程。首先华为著名的2012实验室非常前瞻性地找到并布局了石墨烯技术,成为了Mate 20 X得以成真的先决条件。

      要知道石墨烯从大学实验室走出,到今天才不过3年,已经被安放在了百万级量产的手机中。这个效率在科学家来看是能称为奇迹的。

      为了应用石墨烯,华为手机背后的研发部门与世界各地的热学研究机构合作,还与两位诺奖获得者及团队进行了大量沟通。据悉,Mate 20 X当中的石墨烯膜由99%以上单层率的氧化石墨烯悬浮液做原材料加工而成,基本结构单元是石墨烯,非石墨微片。这种新材料新工艺,不用胶粘直接烧结出高导热石墨烯片,具有高热通量,完全突破了传统高导热石墨片的厚度限制。

      故事并没有结束,真正想做到石墨烯进手机,下一个问题是工业量产。然而石墨烯膜质地柔软,在切割时不易切断,容易出现“藕断丝连”的情况,切割非常困难。把石墨烯膜的生产良率提升到能够支撑工业化,其中的艰辛似乎更加不足为外人道。

      石墨烯膜生产工艺路线完全不同于传统石墨膜,为此几乎更换了所有设备。如涂布工艺,十几吨的石墨烯原材料不断试制探索才做出达到要求的石墨烯膜,走了很多弯路。而最终的手机石墨烯片就几克,这个过程,与居里夫人从几十吨沥青里提炼一克镭有区别吗? 最终,华为与产业界合作伙伴一起将石墨烯膜的良品率做到了商用级别。

      为了守护游戏众们可以痛快“吃鸡”的权利,Mate 20 X最终完成了阿汤哥的任务:把效果最好,但同行只敢说不敢碰的石墨烯膜,真正塞到了手机里。组成复杂散热矩阵的最后一片拼图。

      

      这或许是一种华为Mate系列的哲学:最好的办法,即使再难,也是正确答案,也就是最后的办法。

      技术,从来只欢迎偏执狂。

    与自己为敌:

    散热战场的偏执狂们

      散热这件事,毫无疑问是手机中战略意义重大,但又地形复杂的特殊战场。

      因为它不只关乎于运算和处理硬件,同时还要考虑软件场景、空间布局,甚至手机的设计感。更别提还要带上材料科学这座人类技术的永恒天梯。

      终极虽然永不到来,但旅行者却要把每一个脚印都对准极点的方向。

      最终的结果我们看到了,华为Mate 20 X在接近满帧的情况下跑一小时游戏,正反面温度分别只有37.4℃、38.1℃,明显低于iPhone XS Max——“吃鸡守护神”到底还是成真了。

      回头看去,在Mate 20 X背后,整个关于手机如何终极化散热的问题,是一场技术研发体系近乎偏执的自我对抗。

      从科学前瞻到工业落地,每一步都是深坑,才是移动终端背后技术创新的真实境况。比如说在Mate 20 X散热之战的背后,我们可以清晰看到三种让人想象一下都头疼的对抗:

      对抗琐碎的系统——

      就像我们刚才讨论的,石墨烯并不是万能的散热材料,而是Mate 20 X一整套复杂散热架构的组成部分与延展。为了满足最终的散热率目标,这套架构的每一步都要最优解,都不能出错。

      最终能玩4小时吃鸡的手机(当然并不推荐大家这么拼)背后,是把手机从硬件、软件、辅助材料、全球供应链进行一层层的拆分,以及对每一个细节的重审和质问:是否还有更好选择?更好选择能否在规定时间实现,以及方案之间是否能够兼容?

      对抗迷离的未来——

      谁会知道石墨烯散热膜可以在2018年商用呢?几年之前,估计一个人都不会有。

      对技术的前瞻和预判,是充斥着危险与优雅的解谜游戏。作为手机材料,石墨烯在今天绝对是超前的。这需要在相当早的时间里开始了解和相信这种技术,并进行大规模的资金与人才投入?;懈鲋摹芭笛欠街邸?,2012实验室的任务就是替华为寻找这些超前的东西。而从那张石墨烯薄膜上看,未知里的财报已经变成了手机行业现实中的竞争力。

      对抗工业焦虑与不可知性——

      内行人会知道这样一个常识:高校里的研究和工厂里的工艺制造,是两个天差地别的世界。具体到石墨烯散热膜这件“小事”上。在Mate 20 X项目立住之后,研发部门只有几个月的时间来完成量产。而在这之前,烧结不出高导热石墨烯薄膜一直是致命问题,很多时候甚至是想要放弃这个计划。另一方面,石墨烯膜过软导致的切割难度太大,即使华为八级的高级专家, 都迅速义无反顾的投入第一线解决良率瓶颈。把良率从低于10%提高到量产水准,华为在这条工业焦虑的对抗之路上走足了四年。

      而在手机真正开始生产之后,则打开了另一场没有回头路的冒险?;娜壬杓谱?、材料科学家、结构材料专家、采购技术专家们都参与驻厂攻关,最终才让我们看到适合打游戏的Mate 20 X。

      在技术之路上,孤独是永恒的常态。学会把自己当成敌人,跟学会为自己鼓掌同样重要。一个新技术在手机上实现,背后是千万种技术创新甚至可以说是机缘,而再背后,是必须战胜自己的那一股勇猛。

      

      手机散热战争的这一个故事,或许可以告诉我们这样一个真理:在所有人高呼“手机同质化太严重”、“创新已经不存在”、“未来完全是竞低”的日子里,差异化其实一直都在。存在于幕后的研发世界与工业能力;存在于从预判到思考,再到工程化的庞大流程中;存在于潜入技术深海的勇气和底气。

      对于今天的手机来说,幕后才是真正的战场。技术上的每一分偏执,最终都会凝结为时间难以收回和抹杀的馈赠。


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