Иногда мы переводим интересные статьи с зарубежных ресурсов. Так в декабре 2024 года мы перевели статью ITHome о Si/C-аккумуляторах, их преимуществах и проблемах, а в несколько месяцев назад — эмоциональный материал Android Headlines о кризисе в OnePlus. Сегодня мы вернёмся к ITHome, выпустившей вчера статью «У мобильных смартфонов продолжался "жар", и врач выписал четыре лекарства» — о четырёх этапах развития охлаждения в смартфонах, сменивших друг друга всего за 16 лет. Приятного чтения!
Введение
Если вы в 2015 году купили смартфон со Snapdragon 810, вы никогда не забудете этот опыт: несколько минут съёмки видео летом на улице — и на экране выскакивает надпись «Температура камеры слишком высокая, она была выключена автоматически». Это была общая проблема почти всех флагманов в то время: процессоры потребляли много, а рассеивание тепла не справлялось. Экран становился тёплым за секунды, а после недолгого использования смартфон превращался в маленькое солнышко, греющее руки холодной зимой.
Сегодня, десять лет спустя, флагманские чипы для смартфонов потребляют больше 15 Вт. Однако, раздражающие проблемы вроде предупреждений о перегреве, отключения питания и перезагрузок из-за высокой температуры больше почти не встречаются. За это время охлаждение в смартфонах прошло долгий путь от плоского к трёхмерному, от пассивного к активному. Инженеры наконец-то не стесняются пользоваться достижениями материаловедения, и наконец-то делают телефоны холодными.
Но как системы охлаждения превратились в поле битвы для производителей смартфонов? Давайте разберёмся, проследив четыре итерации технологии рассеивания тепла в смартфонах.
1. Графитовый век: «каменный век» рассеивания тепла
Не поверите, но первым производителем, серьёзно занявшимся рассеиванием тепла в смартфонах была Apple, на чью нынешнюю продукцию часто жалуются из-за плохого охлаждения. iPhone 4, выпущенный в 2010 году, был первым смартфоном с большой графитовой плёнкой. Их было даже три: на стеклянной крышке, на стальной средней плате и на L-образной материнской плате.
Принцип работы графитовых плёнок совсем не сложен. Графит очень хорошо проводит тепло в горизонтальном направлении — до 10 раз лучше меди. Положите графитовую плёнку сверху на чип, и генерируемое им тепло быстро распространится по большой площади. И хотя тепло в основном останется внутри корпуса и не будет быстро отведено наружу, но у вас хотя бы чип на закипит.
Если вы пользовались середняками и флагманами тех времён, их целиком тёплые корпуса — это как раз из-за отвода тепла через графитовую плёнку.
После выхода iPhone 4 большинство производителей начали использовать графитовой охлаждение. И это очень интересно: смартфоны только начали соревноваться друг с другом в производительности, потребление энергии было совсем небольшим, но производители понимали, что если продолжать просто ждать, что тепло рассеется в воздух, раньше или позже возникнут большие проблемы.
В дополнение к отличной теплопроводности, графит очень лёгкий, тонкий и стоит недорого, благодаря чему до сих пор остаётся незаменимым базовым теплоотводом в современных смартфонах. Какой из них не разберёте — на крышке, задней стороне экрана и платах найдутся графитовые плёнки. Это своего рода признание «старых заслуг» этой технологии.
2. Металлические трубки: не распределять, а отводить тепло
В 2013 году с ростом популярности четырёхъядерных процессоров в смартфонах простое графитовое охлаждение стало недостаточным. Графит может только равномерно распространить тепло, но не может передать его дальше, то есть его способности по рассеянию тепла ограничены. Когда потребление энергии чипом растёт, тепло, которое не может рассеять графит, остаётся в чипе. После этого телефон либо перегревается и выключается, либо так сильно троттлит, что приложения превращаются в PowerPoint-презентации.
Результат этой идеи — тепловые трубки. Радиатор на основе тепловой трубки состоит из герметичной трубки, фитиля вдоль его стенок и парового канала, который располагается по центру и заполнен какой-нибудь жидкостью (дистилированная вода, аммиак, метанол, ацетон и т.д.).
Когда чип нагревается, жидкость на ближнем к нему конце трубки закипает от этого тепла, превращается в пар и движется вдоль трубки к другому концу. Так как на том конце холоднее, пар компенсируется обратно в жидкость и течёт по фитилю обратно. Процесс не требует никаких внешних сил и работает только благодаря законам физики. Одно время тепловые трубки в смартфонах называли «жидкостным охлаждением», хотя это и кажется преувеличением.
Первым смартфоном с тепловой трубкой был NEC N-06E в 2013 году, а массово их начали использовать только в 2015 году, как раз в год выхода Snapdragon 810. Впрочем, и они не всегда справлялись: ранние образцы Microsoft Lumia 950XL пришлось отзывать, потому что даже тепловые трубки не справлялись с Чармандером в лице Snapdragon 810.
Что делать? Интегрировав графитовые плёнки и тепловые трубки, производители задумались о паровых камерах.
3. Паровые камеры: площадь решает
Паровые камеры работают по похожему на тепловые трубки принципу, тоже используя испарение и конденсацию для переноса тепла. Разница в том, что тепловая трубка — это линия, а паровая камера — поверхность, которая крупнее и покрывает сразу несколько источников тепла: CPU, GPU, чип зарядки и так далее. Благодаря этому тепло равномерно рассеивается в двух измерениях.
Теплопроводность тепловой трубки составляет 10 000 — 100 000 Вт/(м*К), в то время как тепловые трубки могут достигать более чем 200 000 Вт/(м*К). В то же время они могут быть тоньше, что полезно для смартфонов.
С 2019 года паровые камеры стали смартфонов стандартом для Android-флагманов, а также важной частью «гонки вооружений» между производителями. В каждой презентации был слайд о размере паровой камеры, выглядевший так, будто компания пытается продать недвижимость на столько-то квадратных миллиметров.
Типичный ранний представитель смартфонов с паровыми камерами — Huawei Mate 20 X 5G. Однако там паровая камера покрывала только процессор, а в современных размерах она часто больше 6000 кв.мм. Вплоть до 2025 года Apple сидела в стороне от этой технологии, но в iPhone 17 Pro / Pro Max наконец-то встроила паровую камеру, во многом решив проблему рассеивания тепла, выделяемого чипом A19 Pro под тяжёлой нагрузкой.
На этом возможности пассивного охлаждения в смартфонах были исчерпаны. Маленький храм не может вместить Большого Будду, и пока люди из «Задачи трёх тел» до нас не доберутся, уместить более крупный модуль охлаждения смартфон уже нем может.
Всю предшествующую историю, от графитовых плёнок до паровых камер, это был процесс «добавления всё большего количества воды в лужу». Область распространения тепла становилась всё больше, тепло отводилось всё быстрее, и в конце концов система охлаждения захватила смартфоны целиком. И этого тоже стало мало. И раз пассивные системы не работает, приходится использовать активные.
4. Вентиляторы: решение, если пассивный подход не работает
Смартфон — это маленький компьютер. И если воздушное охлаждение работает в компьютерах, то почему не может работать в смартфонах?
Поначалу речь шла не о внутренних кулерах, а о внешних аксессуарах с полупроводниковым охлаждением. Они основаны на физическом феномене, известном как эффект Пельтье: если подать ток на специальный полупроводник, он охладится с одной стороны и нагреется с другой. Прислонив холодную сторону к телефону и приделав к горячей вентилятор, можно очень быстро охладить телефон.
Эффект от такого охлаждения очень быстрый и мощный, но его нельзя повторить внутри корпуса смартфона. Во-первых, для его работы нужно намного больше энергии, чем потребляют все остальные компоненты смартфона. Во-вторых, от такого охлаждения возможна конденсация на материнской плате. Поэтому его можно использовать только как внешний инструмент.
Ну и, конечно, нельзя не отметить, что эти внешние кулеры выглядят очень «киберспортивно», и по ним геймера можно отличить за несколько метров. В связи с этим дружеское напоминание от ITHome: умеренная рыбалка полезна для мозга, а усердные занятия рыбой вредят организму.
В общем, внешнее полупроводниковое охлаждение постепенно ушло на второй план, но идея активного охлаждения в смартфонах осталась. Red Magic 3, вышедший в 2019 году, был первым смартфоном со встроенным кулером и воздуховодом, но к его практичности были большие вопросы.
Дизайн первого поколения чего угодно всегда неидеален, и кулер Red Magic 3, вращавшийся на 14 000 об./мин, выделял больше 30 дБ шума, так что его звук был слышан даже на удалении от смартфона. Воздуховод занимал много места в корпусе и забивался пылью со временем. В результате многие считали, что кулеры нужны только игровым смартфонам, а большинству пользователей — не нужны.
В то же время, игровые смартфоны с воздушным охлаждением, такие как Red Magic 3, действительно имели большое преимущество в игровой производительности и других экстремальных задачах. С последовательным развитием технологии к 2025 году случилось несколько прорывов: OPPO K13 Turbo Pro смог существенно уменьшить размер модуля охлаждения, отказавшись от большого воздуховода, а серия Honor WIN предложила низкую громкость кулера и совместила его с пылевлагозащитой IP69K.
Следом iQOO 15 Ultra стал первым флагманом, совместившим графит, паровую камеру и водозащищённое воздушное охлаждение, а Huawei Mate 80 Pro Max Wind привнёс вентиляторы в мейнстримные флагманы. Его кулер спрятан под камерой и официально называется «скрытым индуктивным воздуховодом», что отражает не только то, что он почти бесшумный, но и то, что при использовании смартфона почти невозможно почувствовать поток тёплого воздуха от кулера.
Помимо кулеров, если и другое направление в активном охлаждении: жидкостное охлаждение на микронасосах. Принцип тут очень простой: пьезоэлектрический микронасос качает жидкость по кольцевой трубке, а та отводит тепло от чипа. Впервые такое решение показали в OnePlus 11 Concept Edition под названием Active CryoFlux, но массового применения оно тогда не нашло. Однако в будущем мы можем увидеть немало смартфонов с этой технологией.
Активное охлаждение, перекачёвывающее из игровых смартфонов в мейнстримные продукты, — это не распространение передовых технологий, а неизбежное следствие быстрого развития чипов, приводящего к росту их энергопотребления, и нормализации таких тяжёлых сценариев использования смартфонов, как игры, фотосъёмка и прямые трансляции.
Производительность мейнстримных мобильных чипов полностью покрывает повседневные потребности пользователей, но как поддерживать стабильно высокие обороты процессора — новая проблема, о которой нужно думать производителям. И лучшего решения, чем активное теплоотведение, пока не видно.
В будущем активное охлаждение, может быть, и не станет неотъемлемой функцией смартфонов, но смартфонов, заточенных под использование в тяжёлых сценариях, однозначно станет больше. А выдержит ли эта технология проверку временем, зависит от того, найдут ли производители искомый пользователями баланс между производительностью, шумом и надёжностью.
Автор оригинальной статьи: Ван Мяо.
ПО МАТЕРИАЛАМ: ITHome
АВТОР: Олег Лазарев
