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    從諾貝爾獎到“吃雞守護者”:通往極點的手機散熱戰爭

    11-21更新人看過


      作者:風辭遠

      IG奪冠之后的無數故事,讓我們又一次見證到了游戲可以是多么重要的一件事。游戲產業與游戲體驗,甚至關乎無數人寶貴的青春。

      隨著游戲市場越來越重要,游戲體驗也悄然成為近兩年手機行業的新熱點之一。

      先是各式各樣主打游戲的手機登場,有的紋路炫酷,有的周邊繁多。但靜下來想想,就會發現真正左右了手機游戲體驗的因素只有那幾個:運算性能、電池續航、高清顯示,以及散熱性。

      這些處于手機心臟中的因素,不是手機殼設計的好看一點就能改變的,甚至必須要回到工業領域、材料科學這樣的手機最底層,最后端的領域里,才可能讓手機游戲的核心體驗向前推微微一小步。

      為了這一小步,可能需要動用無數的資金、研發能力,甚至要搬出仿佛還遠在天邊的科學成果。比如說——石墨烯散熱膜。

      華為Mate 20 X,是追求的極致科技的Mate系列中,在今年推出的一款有點特別的產品。它主打大屏與游戲體驗,而更引人注目的是,同時它也是世界第一款石墨烯膜+VC液冷散熱手機。

      讓我們把這二者聯系起來:為什么游戲體驗的極點,今天一定要召喚出石墨烯散熱膜這個大招?這場散熱戰爭的故事,背后隱藏著手機中根深蒂固的問題——同時可能更深藏著手機產品如何擺脫同質化,這個“史詩級疑問”的某種答案。

      一切要從一場關于“熱”的原罪說起。

    “熱”的原罪

      人性毫無疑問是貪婪的,而人類的貪婪又常常是矛盾的。

      比如說人類想要更薄、更大屏占比的手機,同時又想在手機上玩越來越復雜的游戲。然而問題在于:這兩者本質上是矛盾的。

      吃雞這類FPS類游戲,堪稱最燒系統、吃運算資源的游戲。手機需要大量的運算能力與運算空間去處理你的98k,但同時大屏幕和超薄機身讓手機沒有那么多空間去放置電池與大功率芯片。

      除此之外,手機游戲更頑固的一個矛盾,在于熱量。

      根據數據,今天主流的手機配置,玩《刺激戰場》30分鐘手機就會達到45度,隨后過熱的機身會導致玩家不舒服,同時過熱也會觸發硬件保護機制,導致畫面掉幀,甚至隨后出現各種奇奇怪怪的bug。

      據說,手游吃雞玩家如今已經習慣了玩一會休息一下,也習慣了一邊心疼手機一邊開8倍鏡。但不管怎么說,只有30分鐘優質游戲體驗的手機,顯然是無法滿足玩家的。

      然而從本質上來看,手機里的超狹小空間、抗摔耐磨的外殼材料、計算力強勁的芯片,這些讓手機更好的東西,卻是散熱這件事的天敵。

      游戲場景的另一個特點,是熱量存在突然上升的可能。比如吃雞的時候,你終于搶到了載具打算狂飆突進一把,這時候你的手機散熱量卻可能從正常的4W突然飆升到8W,王者榮耀中華麗的大招也有類似功能。

      這些特質,把手機游戲過程中的散熱變成了一個難以捉摸,沒有規律的事,讓很多智能散熱技術難以發揮作用。

      這么看來的話,游戲與手機中關于熱的矛盾,可謂是擋在游戲體驗面前一場“熱”的原罪。

      然而從游戲體驗本源上講,熱又是一個不得不面對的敵人。

      因為從游戲玩家的普遍心理上來看,半小時實在是一個過短的游戲時間。組隊打游戲,玩半小時就走是要被隊友罵死的。而且由于手機過熱導致玩家不得不退出游戲,是一種嚴重損害玩家心態的方式。很可能引發用戶痛罵二十分鐘都不帶重樣的。

      歸根結底,想要讓吃雞這種大型游戲,在手機上不知不覺玩到兩小時,甚至一玩四小時也hold住,就必須攻克散熱這一關卡。

      為了準備這場攻堅戰,華為Mate20 X甚至請出了石墨烯材料——這個聽起來就厲害的“諾貝爾級”秘密武器。

    沒有硝煙的散熱戰爭

      手機散熱有多重要,或許可以從仿生學的角度得到一個特別精準的解釋。

      我們知道地球上跑的最快的動物是獵豹,極限奔跑速度能達到110公里每小時,然而同時大家也知道獵豹是一個無法長跑的動物。

      其原因就在于,貓科動物是沒有汗腺的。獵豹在奔跑時會制造大量熱量,然而這些熱量卻無法有效散出,導致體溫達到危險的41度,唯一的解決方式就是停下來休息。

      手機也是如此,既想跑得快,又想跑得久,似乎難以跨越熱量這個無法繞過的關卡。

      主打大屏幕的Mate 20 X,顯然在立意上就要把游戲體驗作為產品與技術的核心目標。假如說麒麟980和GPU Turbo技術解決了獵豹心臟與運動神經的問題,那么下一個問題就是給獵豹裝上汗腺。

      但是這并不容易。

      如果我們把一臺Mate 20 X仔細拆開,會發現為了解決熱量問題。這臺手機在每一個可能產生和傳遞熱量的環節里都進行了“埋伏”,層層狙擊“熱”這頭怪獸。

      比如說,最底層麒麟980采用了Flex-Scheduling多核智能調度機制,讓芯片更加省電同時優化散熱效率,避免無意義的熱量產出。然而在軟硬件結合的環節,GPU Turbo起到了優化通道效率的功能,避免GPU算力浪費產生熱耗。而在CPU上,這次的華為Mate 20系列還采用了針對CPU的AI調度系統,用神經網絡模擬游戲等復雜任務,針對不同畫面調配算力。

      這一整套算力調用技術,主要目的在于保證游戲滿幀體驗,同時也起到了層層減少熱量產出的作用。

      然而面對大型游戲,熱量始終還是要來的。這時候的問題,就是如何把熱量疏導出去。

      首先要考慮的是降溫。為此,華為Mate 20 X首先采用了更加先進的液冷技術,即真空腔均熱板技術(Vapor Chamber)。

      所謂的VC液冷,是把兩塊上下蓋板焊接密封抽真空, 注入冷液。利用相變換熱, 等效導熱系數是純銅幾十倍, 超越自然界的所有天然材料。整體VC液冷均熱板貼在CPU系統上,熱量發出后,首先通過液冷技術把溫度降下去。

      相比于其他芯片液冷手機,Mate 20 X采用的VC更薄,只有0.4mm的厚度,不影響手機體積。并且遠超熱管的寬度設計讓液冷系統可以覆蓋整個SoC,滿足給手機芯片全面降溫的需要,讓手機能有獵豹的爆發力!

      

      到這里為止,散熱戰爭還是沒有結束。想要進一步提高散熱效率,還有一招就是要讓散熱膜具備更好的散熱性。

      這里就需要引出那個被科技界心心念念若干年的名字:石墨烯。

    從諾貝爾獎到“吃雞守護神”:

    為什么散熱需要石墨烯?

      最早的智能機,芯片和機身間是沒有散熱膜的。后來熱量越來越大,大伙一看這樣不靠譜,于是就在機身之下加上了鋁合金散熱層。引導熱量通過,避免熱量囤積燒壞機身或者觸發硬件保護系統。

      后來,隨著手機算力的不斷增大,對散熱膜的要求也越來越高,其材質越來越好。今天的高端機,普遍會采用石墨,或者多層石墨作為散熱膜。雖然絕大多數消費者都不會注意到手機中這一層硬件系統,但它卻最終影響了用戶打游戲、看視頻時候的體驗與感受。

      可是問題又來了:為什么Mate 20 X一定要選擇石墨烯呢?

      熱愛科學的小伙伴顯然對石墨烯這詞兒不會陌生。2004年,曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃消洛夫分理出了一種超薄石墨薄片,一種呈蜂巢晶格的平面二維材料。。

      試驗過后,科學家們發現這種新分離出來的材料不同凡響,在各個領域都大有作為。而兩位發現者也憑借石墨烯獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

      石墨烯這東西,理論上一大優點就是導熱性特別好。雖然取得不易,價格昂貴。但理論上的無缺陷石墨烯的導熱系數能達到5300W/mK,是目前為止導熱系數最高的碳材料。要知道,目前被業界認為最佳的散熱材料單壁碳納米管,導熱系數也只有3200W/mK。

      數據聽上去美輪美奐的另一面,是石墨烯的取得與應用都十分艱難。比如很多所謂的石墨烯應用,都被專家指出實際上只有純度非常小的石墨烯,混入了大量的石墨。而在手機端,把石墨烯當噱頭的案例更是層出不窮。

      然而Mate 20 X面對的問題是,想要獲取長時間的優質游戲體驗。就必須把散熱做得更充分,于是石墨烯散熱膜成為了最好的選擇。

      但從一個選擇,到Mate 20 X最終得以量產,之間并不是什么簡單愉快的過程。首先華為著名的2012實驗室非常前瞻性地找到并布局了石墨烯技術,成為了Mate 20 X得以成真的先決條件。

      要知道石墨烯從大學實驗室走出,到今天才不過3年,已經被安放在了百萬級量產的手機中。這個效率在科學家來看是能稱為奇跡的。

      為了應用石墨烯,華為手機背后的研發部門與世界各地的熱學研究機構合作,還與兩位諾獎獲得者及團隊進行了大量溝通。據悉,Mate 20 X當中的石墨烯膜由99%以上單層率的氧化石墨烯懸浮液做原材料加工而成,基本結構單元是石墨烯,非石墨微片。這種新材料新工藝,不用膠粘直接燒結出高導熱石墨烯片,具有高熱通量,完全突破了傳統高導熱石墨片的厚度限制。

      故事并沒有結束,真正想做到石墨烯進手機,下一個問題是工業量產。然而石墨烯膜質地柔軟,在切割時不易切斷,容易出現“藕斷絲連”的情況,切割非常困難。把石墨烯膜的生產良率提升到能夠支撐工業化,其中的艱辛似乎更加不足為外人道。

      石墨烯膜生產工藝路線完全不同于傳統石墨膜,為此幾乎更換了所有設備。如涂布工藝,十幾噸的石墨烯原材料不斷試制探索才做出達到要求的石墨烯膜,走了很多彎路。而最終的手機石墨烯片就幾克,這個過程,與居里夫人從幾十噸瀝青里提煉一克鐳有區別嗎? 最終,華為與產業界合作伙伴一起將石墨烯膜的良品率做到了商用級別。

      為了守護游戲眾們可以痛快“吃雞”的權利,Mate 20 X最終完成了阿湯哥的任務:把效果最好,但同行只敢說不敢碰的石墨烯膜,真正塞到了手機里。組成復雜散熱矩陣的最后一片拼圖。

      

      這或許是一種華為Mate系列的哲學:最好的辦法,即使再難,也是正確答案,也就是最后的辦法。

      技術,從來只歡迎偏執狂。

    與自己為敵:

    散熱戰場的偏執狂們

      散熱這件事,毫無疑問是手機中戰略意義重大,但又地形復雜的特殊戰場。

      因為它不只關乎于運算和處理硬件,同時還要考慮軟件場景、空間布局,甚至手機的設計感。更別提還要帶上材料科學這座人類技術的永恒天梯。

      終極雖然永不到來,但旅行者卻要把每一個腳印都對準極點的方向。

      最終的結果我們看到了,華為Mate 20 X在接近滿幀的情況下跑一小時游戲,正反面溫度分別只有37.4℃、38.1℃,明顯低于iPhone XS Max——“吃雞守護神”到底還是成真了。

      回頭看去,在Mate 20 X背后,整個關于手機如何終極化散熱的問題,是一場技術研發體系近乎偏執的自我對抗。

      從科學前瞻到工業落地,每一步都是深坑,才是移動終端背后技術創新的真實境況。比如說在Mate 20 X散熱之戰的背后,我們可以清晰看到三種讓人想象一下都頭疼的對抗:

      對抗瑣碎的系統——

      就像我們剛才討論的,石墨烯并不是萬能的散熱材料,而是Mate 20 X一整套復雜散熱架構的組成部分與延展。為了滿足最終的散熱率目標,這套架構的每一步都要最優解,都不能出錯。

      最終能玩4小時吃雞的手機(當然并不推薦大家這么拼)背后,是把手機從硬件、軟件、輔助材料、全球供應鏈進行一層層的拆分,以及對每一個細節的重審和質問:是否還有更好選擇?更好選擇能否在規定時間實現,以及方案之間是否能夠兼容?

      對抗迷離的未來——

      誰會知道石墨烯散熱膜可以在2018年商用呢?幾年之前,估計一個人都不會有。

      對技術的前瞻和預判,是充斥著危險與優雅的解謎游戲。作為手機材料,石墨烯在今天絕對是超前的。這需要在相當早的時間里開始了解和相信這種技術,并進行大規模的資金與人才投入。華為有個著名的“諾亞方舟”,2012實驗室的任務就是替華為尋找這些超前的東西。而從那張石墨烯薄膜上看,未知里的財報已經變成了手機行業現實中的競爭力。

      對抗工業焦慮與不可知性——

      內行人會知道這樣一個常識:高校里的研究和工廠里的工藝制造,是兩個天差地別的世界。具體到石墨烯散熱膜這件“小事”上。在Mate 20 X項目立住之后,研發部門只有幾個月的時間來完成量產。而在這之前,燒結不出高導熱石墨烯薄膜一直是致命問題,很多時候甚至是想要放棄這個計劃。另一方面,石墨烯膜過軟導致的切割難度太大,即使華為八級的高級專家, 都迅速義無反顧的投入第一線解決良率瓶頸。把良率從低于10%提高到量產水準,華為在這條工業焦慮的對抗之路上走足了四年。

      而在手機真正開始生產之后,則打開了另一場沒有回頭路的冒險。華為的熱設計專家、材料科學家、結構材料專家、采購技術專家們都參與駐廠攻關,最終才讓我們看到適合打游戲的Mate 20 X。

      在技術之路上,孤獨是永恒的常態。學會把自己當成敵人,跟學會為自己鼓掌同樣重要。一個新技術在手機上實現,背后是千萬種技術創新甚至可以說是機緣,而再背后,是必須戰勝自己的那一股勇猛。

      

      手機散熱戰爭的這一個故事,或許可以告訴我們這樣一個真理:在所有人高呼“手機同質化太嚴重”、“創新已經不存在”、“未來完全是競低”的日子里,差異化其實一直都在。存在于幕后的研發世界與工業能力;存在于從預判到思考,再到工程化的龐大流程中;存在于潛入技術深海的勇氣和底氣。

      對于今天的手機來說,幕后才是真正的戰場。技術上的每一分偏執,最終都會凝結為時間難以收回和抹殺的饋贈。


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