GPU卡的散热技术

GPU在运行高负载计算和图形任务时会产生大量热量。有效的散热对于维持GPU性能稳定、防止热降频（Thermal Throttling）和延长硬件寿命至关重要。

一、GPU散热的核心原理

所有散热技术的最终目的都是将GPU核心（以及显存、VRM供电模块）产生的热量有效地传递到周围空气中。这个过程遵循热力学定律，主要涉及三种基本方式：

• 传导：热量通过固体材料（如铜底、热管）从发热源传递到散热器。
• 对流：热量从散热器表面被流动的空气（由风扇驱动）带走。
• 辐射：热量以电磁波的形式散发，在GPU散热中占比很小，通常可忽略。

二、GPU散热系统的主要分类

根据散热介质和方式的不同，GPU散热主要分为以下几类：

• 风冷散热
• 水/液冷散热
• 被动散热
• 相变冷却

1、风冷散热

这是最常见、应用最广泛的散热方式，主要依靠风扇和散热鳍片来散热。下图为一块GPU拆解后的主要构成：

1）组成结构：

• 铜底/均热板：与GPU核心直接接触，吸收热量。
• 热管：内部有工作液体的真空铜管。热量使液体蒸发，蒸汽将热量带到冷凝端，冷凝后液体再流回加热端，高效传导热量。
• 散热鳍片：巨大的金属片阵列，用于最大化与空气的接触面积。通常热管会从内容贯穿散热鳍。
• 风扇：强制空气流过散热鳍片，通过对流快速带走热量。
  

2）细分类型：

开放式双风扇/三风扇：最常见的非公版显卡设计。拥有庞大的散热鳍片阵列和多个风扇，直接将热空气吹向机箱内，依靠机箱风道排出热量。

• 优点：散热效率高，设计灵活，外观炫酷。
• 缺点：会将热量排入机箱，对机箱整体风道要求较高。

涡轮散热：常见于公版显卡或服务器显卡。单个离心式风扇将冷空气吸入，吹过散热鳍片后，热空气直接从显卡的I/O挡板处排出机箱外。

• 优点：热量不留在机箱内，适合多卡并联和狭小空间（如服务器机箱）。
• 缺点：通常噪音较大，单卡散热效能一般不如顶级开放式风冷。

GPU风扇卡与GPU涡轮卡在设计层面，GPU涡轮卡可以设计的比较窄，GPU风扇卡往往会更厚。这样在GPU服务器中，由于GPU插槽排布间隔较紧，更需要采用GPU涡轮卡。下图左侧为GPU风扇卡而右侧更窄的为GPU涡轮卡。

此外，在散热方向上面，GPU涡轮卡散热方向是朝尾部散热，并于GPU服务器风向是一致的，而GPU风扇卡的散热是朝四面八方来散热的。对于常规GPU PC机箱或GPU工作站机箱插一张GPU风扇卡，散热可以满足要求，但在GPU服务器上（大部分是8卡）就不适合了，容易因为温度过热出现宕机。

下压式散热：多见于公版显卡或某些小型显卡。类似于CPU的原装散热器，风扇直接向下吹向一个紧凑的散热器。

• 优点：结构简单，成本低。
• 缺点：散热能力有限，通常用于中低端显卡。

2、水/液冷散热

通过液体（通常是水或其他冷却液）的高比热容来循环带走热量，散热效率远高于空气。

1）组成结构：

• 水冷头：与GPU核心接触的金属块，内部有精密水道，用于吸收热量。
• 水泵：推动冷却液在循环系统中流动。
  
• 冷排：类似于汽车的散热器，带有风扇，用于将冷却液中的热量散发到空气中。
• 水管与冷却液：连接整个系统的管道和传热介质。

2）细分类型：

一体式水冷：厂商预先封装好的水冷系统，安装简单，免维护。通常有120mm、240mm、360mm等不同冷排尺寸。

• 优点：安装方便，散热效能强，噪音低（水泵声除外），GPU温度更低。
• 缺点：成本较高，有漏液风险（虽概率极低），依赖厂商保修政策。

分体式定制水冷：发烧友自行组装的水冷系统，使用硬管或软管连接，可以覆盖GPU、CPU、主板VRM等所有发热部件。

• 优点：极致的散热性能和视觉效果，是超频玩家的终极选择。
• 缺点：成本极其高昂，设计、安装、维护都非常复杂，漏液风险自负。

此外，对于高端人工智能专业GPU，液冷散热是趋势。例如NVIDIA PCIe H200 GPU，采用了如下设计：

以下为NVIDIA PCIe H100 GPU液冷方案爆炸图：

GPU卡在运行时，液体流动与温度如下所示：

3、被动散热

完全依靠散热鳍片和机箱风道进行自然对流散热，没有任何风扇。

• 优点：完全静音。
• 缺点：散热能力非常有限，只能用于发热量极低的入门级GPU或专业计算卡。必须依赖强大的机箱风道。

4、相变冷却

这是一种非常前沿的散热技术，利用冷却介质的相变（液态变气态）吸收大量热量。

1）蒸发室/均热板：可以看作是“扁平化的热管”，在风冷散热器中广泛应用，用于快速将GPU核心的热量横向扩散到整个散热鳍片区域。

2）压缩机冷却：原理类似于冰箱或空调，通过压缩制冷剂来实现低温。可以达到零下甚至更低的温度。

• 优点：极致的冷却能力，是打破超频世界纪录的必备利器。
• 缺点：价格天价，体积庞大，会产生冷凝水（需做好防水），功耗高，不适合日常使用。

3）液氮/干冰：极限超频爱好者用于冲击世界纪录的临时手段，不属于可持续使用的散热方案。

三、关键技术细节与考量因素

1、热管数量与直径

热管越多、越粗，导热能力越强。高端风冷显卡通常配备6-8根甚至更多复合热管。

2、鳍片设计与表面积

鳍片越多、越薄、排列越密集，总散热面积越大。但过于密集需要更高风压的风扇才能吹透。

3、风扇设计与轴承类型

• 轴流风扇：开放式风冷常用，风量大。

• 离心风扇：涡轮散热常用，风压高。

• 轴承类型：双滚珠轴承寿命长但可能噪音稍大，液压轴承更安静。

4、导热介质

• 导热硅脂：填充GPU核心与散热器底座的微小空隙，至关重要。劣质硅脂会严重影响散热效能。高端型号会使用液态金属等高效介质。
• 导热垫：用于为显存和VRM供电模块传递热量到散热器。

5、均热板

越来越多的旗舰显卡采用均热板替代传统的铜底+热管设计。它能更快、更均匀地将核心热量传递到整个散热模组，尤其对大型芯片（如NVIDIA的GA102/AD102，AMD的Navi 21/31）效果显著。

6、vBIOS与温控策略

GPU vBIOS中的风扇曲线决定了风扇转速与温度的关系。激进的风扇策略能获得更低温度，但噪音更大。用户通常可以自行调整。

四、总结与选择建议

给普通GPU玩家的建议：

• 对于绝大多数游戏玩家和内容创作者，优质的非公版开放式风冷显卡是完全足够且最省心的选择。选择散热器规模大（鳍片多、热管多）、口碑好的品牌型号。
• 如果追求极致的静音体验和低温表现，且预算充足，一体式水冷显卡是很好的升级选择。
• 涡轮显卡除非有特定的多卡或机箱限制，否则一般不推荐给普通玩家。