揭秘華為Mate 20 X 石墨烯膜散熱如何從0到1

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一款手機誕生的背后,往往是優秀專家、技術等大量資源的投入,說是“燒錢”一點都為過。


今年的Mate 20系列與往年不同,一共有Mate 20、Mate 20 Pro、Mate 20 X、Mate 20 RS保時捷設計四款產品?赡苁荕ate 20系列產品黑科技太多了,讓華為Mate 20 X被蓋住了光芒,直到雙11的時候知名藝人林更新轉了一條抽獎微博,一下子打爆了。


實際上Mate 20 X不僅有著7.2英寸大屏,為了達成極致的旗艦機性能、散熱體驗,還采用了石墨烯膜+VC液冷散熱系統SuperCool技術。


石墨烯材料自問世以來,能夠在智能手機上得到大規模量產應用,無論是對研發還是配合的供應鏈都有很高的要求。



突如其來的緊張任務


今年年初,華為手機研發團隊接到了一項特別的任務:打造一款性能卓越、游戲、娛樂體驗顯著超越業界所有對手的Mate新旗艦。這個是一個新的挑戰,研發人員開始緊張了。


在華為提到‘最極致’,做研發的就不由自主的緊張,因為它的要求非常高,要求滿足所有的用戶、所有的游戲有非常好的體驗感受,說白了就是業界第一。 “第一”如今不能在廣告詞里面出現,但這是華為對研發的要求。


這款內部要求用戶體驗最極致的產品就是今年10月26日國內發布的華為Mate 20 X。它就好比是旗艦機里的SUV,能適應多路況。華為手機對Mate 20 X的要求就是游戲、影音、長續航都能適應。


接到這個產品需求后,研發團隊做的第一件事是進行用戶調研,邀請了100名頂級游戲玩家到華為手機這邊交流。手機玩游戲的痛點、難點在哪兒?這些玩家反饋了幾個關鍵詞:掉幀、卡、發熱以及長時間玩游戲的體驗。

       

華為Mate 20 X游戲體驗


有了這些信息之后,Mate 20 X這款極致游戲機的定義就清晰了:讓用戶在長時間玩高幀率的游戲,把游戲特效全部打開,不卡頓、不掉幀。


在與游戲玩家交流的時候,他們提到了《王者榮耀》、《刺激戰場》、《荒野行動》,以及一款國外的《堡壘之夜》這四款游戲。


其中《刺激戰場》對CPU和圖形處理的負載要求最高,產品經理告訴研發團隊,以這幾款游戲為標桿,把體驗做到極致。


研發團隊領到這項任務的時候,已經確定的是Mate 20 X將搭載華為最新的麒麟980處理器。這顆SoC采用7nm工藝制程,內置雙核NPU人工智能處理單元,其CPU性能比上一代麒麟970提升75%,GPU性能提升46%。


再加上華為手機此前推出的GPU Turbo軟硬件結合的加速技術,可以說產品的性能已經有了很好的保證。


華為手機研發團隊接下來要做的就是如何讓這顆芯片的性能優勢充分且持久的發揮出來,這其中的關鍵就是散熱。


智能手機內部空間非常有限,CPU系統的散熱一直業內持續研究的難題之一。


處理器長時間保持高性能運行,會帶來很高熱量,當溫度上去之后硬件會啟動自我的保護機制,CPU也因此會去掉幀、變頻,導致性能下降。



第一步:改造麒麟980


Mate 20 X第一版用的是傳統散熱方案,包括石墨膜、鋁合金、銅架構等等。這套方案做出來的結果是跑《刺激戰場》60幀情況下,同時特效全開,整個功耗是4瓦,持續運行15分鐘之后,手機跑到41度;持續運行35分鐘,手機跑到45度;35分鐘之后,手機就開始掉幀。


這種體驗離做到極致還相差甚遠,按照華為手機所做的調研,《刺激戰場》玩半個小時是最基本的入門要求,頂級玩家可以玩一個小時,一些極度玩家甚至可以玩到2小時以上。


因此,Mate 20 X需要做到玩一小時溫度控制在41度,持續打4小時,控制在合適溫度區域。獵豹有著很非?斓谋l速度,但這種高速奔跑的狀態并不持久,只能維持幾分鐘。


這是因為它的皮膚上沒有汗腺,熱量無法有效的散出去,導致體溫隨著急速奔跑達到危險的41度,只能停下來休息。


華為Mate 20 X有著性能很強的麒麟980芯片,但是如果散熱不做好,高性能狀態持久性不行,就跟獵豹一樣。


據鳳凰網科技了解,為了解決這個問題,華為手機內部成立了一個專項攻關團隊,要做一款能跑馬拉松的獵豹出來。也就是在已有的麒麟980芯片的基礎上,讓產品跑游戲持續不掉幀。


當時打《刺激戰場》功耗是4瓦,研發團隊要把4瓦降到3瓦,3瓦是整個業界主流游戲里面自帶能量最低的功耗標準,硬件散熱能力至少要提升超20%才可以滿足要求。第一步是改造心臟,讓麒麟980的心臟更強勁,同時更低功耗。


玩游戲有兩大關鍵因素,一個是CPU,另一個是GPU。華為手機今年6月份推出的GPU Turbo技術在令GPU處理性能提高的同時,還可以將手機GPU功耗降低30%。改造心臟,就是要從CPU下刀。


華為手機研發團隊告訴鳳凰網科技,他們在Mate 20 X上做了智能AI調度系統,通過大量精密計算之后,會預料在什么樣的場景下、什么樣的前提下、什么樣的背景下,CPU應該達到哪個頻率。這樣帶來的好處是不但使CPU性能達到最優,也把整個功耗降下來。


在智能AI調度系統加上GPU Turbo技術的加持下,玩《刺激戰場》的功耗從4瓦成功降到了3瓦,實驗室測試結果已經能夠滿足85%以上的用戶。但是把戰果匯報上去后,得到的反饋卻是滿足85%的用戶不是這款手機的目標。


所謂極致體驗必須要滿足類似打《王者榮耀》、《刺激戰場》頂尖戰隊的需求,反應速度非?,持續非常穩定的散熱。


基于這樣的要求下,他們找到了硬件材料方面的研發同事,需求是把整個散熱能力提升20%。這就需要在前面提到的傳統散熱方案上,做進一步的突破。



賭博與挑戰:石墨烯膜+VC液冷


幸運的是華為在這方面已經做了非常深入的積累,經過三年的準備,專門進行前瞻技術探索研發的華為2012實驗室已經有一些很好的方案。


當時負責散熱材料的研發同事表示,如果上了這套散熱系統之后,可以滿足華為Mate 20 X的極致要求。


研發團隊把這些材料組裝到手機上試了下,體驗了兩三個游戲之后,發現確實可以。這原本是值得欣喜的,但團隊卻犯怵了。


因為經過前期的研究之后,這時候離上市就剩下三四個月時間了,在這個時候啟用一套之前沒有商用先例的散熱方案,這能否順利量產?


這是一場賭博,也是對于研發能力積累的挑戰。


用還是不用?研發團隊內部一時拿不定主意。產品線回了一句話:放手大膽去干,要把用戶帶來的最為極致的體驗放在第一位。在華為內部一直流傳這樣一句話:勝則舉杯相慶,敗則拼死相救。


于是,研發團隊下定決心大膽啟用新的散熱方案。


傳統的散熱方案有鋁合金、石墨片,還有多層石墨,這套方案在最開始就被否定了。研發團隊想到的解決方案是用石墨烯膜替代傳統的石墨膜。公開資料顯示,石墨烯(Graphene)具有非常好的熱傳導性能,被認為是一種未來革命性的材料。


這相當于建立了兩套方法:第一道防線VC液冷,第二道防線是石墨烯膜,兩道防線一攔截,建立起心臟系統循環+皮膚系統循環的全新散熱架構。


據華為手機研發團隊介紹,選擇VC液冷是因為這套散熱系統可以覆蓋整個SoC,VC(Vapor Chamber)有上下蓋板,中間有一個毛細通道,抽真空、打水,一般的水100度可以沸騰,抽真空環境冷液不需要100度就會沸騰,到冷凝端相變,蒸汽變液體,這套方案比純銅導熱系數高20倍。


但主要問題在于,這種技術之前是給計算中心的超級計算機用的,兩三毫米的厚度就可以,用到手機的時候撐死了0.4mm的空間。華為手機早在2016年的時候就開始研究如何做到超薄的VC,但當時0.4mm的VC卻前所未有。


當時VC做到0.6mm,上蓋板、下蓋板,中間是蒸汽通道,上下蓋板是0.2mm。如果做0.4mm,兩個蓋一疊加,就沒有任何通道,沒有任何抽真空空間了。為了解決這個問題,第一步是得把上下蓋板材料換成合金材料。


因為傳統的純銅材料做太薄了之后強度不足,抽真空的時候會凹進去。當時試了很多合金材料,經過了壽命測試、高溫、低溫測試,這中間還涉及到與供應鏈合作伙伴一起作工藝改進,時間長達數月。

       

華為Mate 20 X內部拆解


第二步是把傳統的石墨膜換成石墨烯膜。據介紹,華為2012實驗室從2015年就跟行業頂級的石墨烯研究機構啟動合作,提前做技術布局。


據介紹, 當時花了十幾噸石墨烯原材料,搞了一年多的時間,才實現納米材料均勻涂布,才能燒出高導熱的石墨烯膜。


同時,石墨烯膜質地柔軟,在切割的時候由于不易切斷,會出現“藕斷絲連”的情況,早期良率不到10%,但量產至少要達到良品率85%。


石墨烯膜生產工藝路線完全不同于傳統石墨膜,華為手機研發團隊為此幾乎更換了所有設備,最終與產業界合作伙伴一起,將石墨烯散熱片的良品率做到了商用級別。



你所看到的,只是冰山一角


大學里研究的東西天上飛的,實際產品應用地上爬的,每一個做研發的人員對此都深有感觸。這是因為工藝上最后解決方案可能很簡單,但量產卻需要大量測試驗證,這才是真正的考驗。


VC均熱板里的水是毫克級的,都是用精密天平進行測試,設備精度達0.1mg。當時做可靠性測試的時候,低溫測試過不了,解決了不凝性氣體的存在,某些批次小概率又發現油污。


這意味著某些工序管控不足有不可控風險。為此不得不用“顯微鏡”去查每道工序,檢查哪里把油污引進來,如何清洗掉。


海量生產主要是看良率,從最開始不到10%的良率,到最終達到量產水平,華為手機研發團隊與合作伙伴試了很多種工藝。從今年五月份開始駐廠,保證了百萬級以上的發貨,到用戶手里面,熱性能如今已可以滿足性能的要求。


產品出來后,華為手機研發團隊又請了一批游戲玩家過來進行測試!澳菚r候我記得天氣比較熱,為了體驗極致散熱,我們把屋子里面的溫度調到30度,再放一些電熱器加熱,讓那些玩家揮汗如雨的打游戲!


據介紹,華為手機對自己的要求是每一代產品比上一代提升最少20%。每款旗艦機可能都要有上億美金的投入,為了提升產品的競爭力,華為手機對此從不手軟。


華為公司的年報數據顯示,2017年華為研發費用支出為897億元,約占總收入的14.9%,其近十年累計投入的研發費用已經超過3940億元。


今年第三季度的中國智能手機市場,華為、vivo、OPPO等前五大手機廠商占據了超過87%的市場份額,寡頭格局已定。今年這幾家頭部廠商在屏下指紋、全面屏、3D結構光等新技術的應用上表現的非常激進。


注重研發投入的廠商市場表現都不會太差。智能手機進入存量市場競爭,手機產品同質化嚴重,怎樣才能做出極致用戶體驗的產品?這背后必然離不開持續不斷的技術創新和研發投入。


從前期的理論分析到后期的設計,再到生產工藝和大規模生產的質量管控,一款手機從工廠的流水線出來打包好送達到用戶手中,這個故事背后的艱辛,對華為來說并沒有什么獨特性。


我們從Mate 20 X身上看到的,還只是冰山一角。


出品 《風眼》深度報道組 鳳凰網科技 鳳凰新聞客戶端

作者 劉正偉  主編 于浩

微信編輯 劉考坤



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