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计算机系统维护毕业论文
NewlycompiledonNovember23,2020
计算机系统维护毕业论文
四川工程职业技术学院
CPU超频与散热方案设计
姓名：
范定超
专业：
计算机系统维护
指导教师：
任杰
完成时间：
2017年1月1日
摘要
选择最合适的超频方法，对CPU进行超频，对比出超频前和超频后的实际性能提升，以及发热量的增加，找到超频对CPU性能带来的利和弊。
测试不同散热方案对CPU温度的影响，首先是风冷散热方案，包括了下压式散热器和侧吹式散热器的对比，侧吹式散热器相比下压式散热器针对CPU拥有更高效的散热效率，但占用更大的空间。
然后是水冷散热方案的实施和测试，水冷对比风冷散热的优势很明显，液体的高比热容能带走更多的热量，让CPU的封装表面温度更低，温度波动相对风冷也更小。
但安装相对风冷繁琐很多，并且有一定的风险性。
此次综合实践使用了不同的CPU对比超频带来的性能提升，并在相同CPU相同频率的条件下对比不同散热的散热效率，证明了CPU超频的可行性，水冷散热的高效性。
关键字：
CPU，超频，散热
第一章绪论
一、研究背景
二、研究目的及意义
三、研究的内容
第二章CPU超频
一、CPU超频简介
二、超频方法
1.跳线超频法
2.软件超频法
超频法
第三章散热方案设计
一、被动式散热方案
二、风冷散热方案
1.下压式散热器
2.侧吹式散热器
三、水冷散热方案
1.水冷发展简介
1.一体式水冷散热
2.分体式水冷散热
第四章水冷水温计设计
一、设计要求
二、设计思路
第五章测试数据对比
一、测试平台介绍
二、CPU参数对比
三、CPU性能和发热对比
1.性能对比
2.发热对比
四、散热方案实施和数据对比
1.风冷散热方案
2.水冷散热方案实施
3.水冷散热方案测试
结论
参考文献
致谢
第一章绪论
一、研究背景
随着计算机行业的快速发展，PC的快速普及，越来越多的人开始DIY自己的电脑，人们对电脑的各个硬件的要求也越来越高，其中中央处理器（CPU）的性能就变得尤为重要。
而对于消费者来说，更好的性能往往意味着更多的付出，拥有高主频的旗舰型CPU的价格让人望而却步。
但超频可以一定程度上解决这个难题，在CPU和主板允许的前提下，人为提高CPU的运行频率从而提升性能是一个不错的选择。
超频在提高性能的同时也会让CPU在超负荷运行状态下产生更多的热量，这个时候散热能力就显得尤为重要，如何让CPU在超频状态下正常工作就成了摆在人们面前的一道难题。
而我们的工作就是在CPU极限超频的状态下找到最好的散热方案，以满足CPU的正常稳定运行。
二、研究目的及意义
主要测试出CPU超频带来的实际性能提升，发热量增加，功耗增加等数据，找到超频能给使用者带来多大的好处。
还测试出CPU在不同的散热方案下的不同温度，找到最好的散热方案。
三、研究的内容
首先是选择了同一价位下不能超频的服务器级CPU——E3-1230-V3和主打超频性能的桌面级CPU——I5-4670K之间的数据对比，包括各项参数对比，相同散热方案下的发热和功耗对比，单核性能以及整体性能的跑分对比。
然后是对I5-4670K在默频和超频状态下的发热功耗对比，单核性能以及整体性能的跑分对比。
最后是针对I5-4670K在超频状态下的散热方案设计，包括侧吹风冷和水冷条件下的温度测试。
同时在水冷散热方案中加入自制水温计以实时监测水温的变化情况。
第二章CPU超频
一、CPU超频简介
在购买处理器的时候，会看到它的运行速度。
例如，Pentium4CPU运行在3200MHz下。
这是对一秒钟内处理器经历了多少个时钟周期的度量。
一个时钟周期就是一段时间，在这段时间内处理器能够执行给定数量的指令。
所以在逻辑上，处理器在一秒内能完成的时钟周期越多，它就能够越快地处理信息，而且系统就会运行得越快。
1MHz是每秒一百万个时钟周期，所以的处理器在每秒内能够经历3，200，000，000或是32亿个时钟周期。
超频的目的是提高处理器的GHz等级，以便它每秒钟能够经历更多的时钟周期。
计算处理器主频的公式是这个：
外频（以MHz为单位）×倍频=速度（以MHz为单位）。
在某些CPU上，例如Intel自1998年以来的处理器，倍频是锁定不能改变的。
在有些上，例如AMDAthlon64处理器，倍频是"封顶锁定"的，也就是可以改变倍频到更低的数字，但不能提高到比最初的更高。
在其它的CPU上，倍频是完全放开的，意味着能够把它改成任何想要的数字。
这种类型的CPU是超频极品，因为可以简单地通过提高倍频来超频CPU，市面上可以见到的AMD黑盒处理器和Intel以K末尾的处理器就是这类CPU。
在CPU上提高或降低倍频比提高或降低外频容易得多了。
这是因为倍频和外频不同，它只影响CPU速度。
改变外频时，实际上是在改变每个单独的电脑部件与CPU通信的速度。
这是在超频系统的所有其它部件了。
这在其它不打算超频的部件被超得太高而无法工作时，可能带来各种各样的问题。
二、超频方法
1.跳线超频法
在Pentium系列CPU以及更早的年代，主板厂商为方便用户超频，特别设计了一种超频方法，就是跳线超频法（OCJumper）。
跳线超频是指在主板上设置有跳线帽和插针，通过跳线帽与不同插针的短接来改变外频或者电压，达到超频的目的。
设置有超频跳线的主板，在主板上有专门的超频跳线。
如何跳线达到什么外频，在主板说明书上都有专门说明。
有的在主板上超频跳线旁边就有注解。
跳线超频属于硬件上直接超频，没有太多的保护措施，并且都是对外频进行提升，操作难度较大，而且很容易造成电脑黑屏或者无法启动，甚至烧坏硬件，在PC快速发展的时代很快被淘汰。
2.软件超频法
所有超频软件超频的实现都离不开频率发生器的硬件支持，也就是说超频实际上是对频率发生器（clockgenerator）输出的基本外频进行超频。
如当CPU频率为800兆，即外频为100兆，倍频为8倍时，其外频实际上是由频率发生器的输出频率决定的。
当用软件操作频率发生器使其输出频率改变为105兆时，CPU的内频将运行在105乘以8，即840兆的频率上，这样就实现了超频使用CPU的目的。
软件超频由于有一定局限性，只有拥有频率发生器的主板才能使用，并没有有效的普及开来。
超频法
主流主板基本上都放弃了跳线设定方式更改CPU倍频或外频，而是使用更方便的BIOS设置。
在CPU参数设定中可以进行CPU的倍频、外频的设定。
如果遇到超频后电脑无法正常启动的状况，只要关机并按住INS或HOME键，重新开机，电脑会自动恢复为CPU默认的工作状态
在BIOS中可以调节CPU的核心电压。
如果CPU超频后系统不稳定，就可以给CPU核心加电压。
但是加电压的副作用很大，首先CPU发热量会增大，其次电压加得过高很容易烧毁CPU，所以加电压时一定要慎重，一般以或者步进向上加就可以了。
第三章散热方案设计
一、被动式散热方案
早期的一些显卡，由于显示芯片低，厂商就直接采用在显示芯片上安装一个散热片的方式来散热，这就是早期的被动散热。
虽然被动式散热产品的起步点在显卡产品上，但是由于其静音的最大优势，在很多其他产品上也开始被逐渐的使用。
比如，国内很多顶级散热器品牌就推出过专门针对CPU、内存、笔记本甚至其他各类设备的散热器产品。
而这个时候，被动式散热器已经不简简单单是导热鳍片的安装了，材料学、空气学、结构学等众多的学科也在这个阶段被融入其中。
被动式散热器如图1所示。
图1被动式散热器
被动式散热也存在着致命的弱点，散热能力不足，空间占用大等一系列问题，被动式散热器本身所具备的科技含量在某种程度上还要高于主动式散热产品。
只不过，被动式散热在材料、设计、开发等方面的难度都较高。
一直没有找到连贯的开发、设计的方向。
无论材质，还是工艺设计，都在不同变化，因此无法形成真正和主动式散热器相比的连续开发生产。
二、风冷散热方案
1.下压式散热器
下压式散热器，顾名思义，散热器通过直吹CPU达到散热效果，散热方式由风扇直吹散热片逐渐演变为现在流行的热管导热直吹散热，由于热管导热效率更高，因而散热效率相较于散热片导热方式也就更加高效。
下压式散热器如图2所示。
图2下压式散热器
下压式散热风扇向下直吹散热片并且风量能够直达CPU以及周边主板的其他元件，这种散热方式的好处是能够为CPU降温的同时，风扇能够同时为主板北桥、内存带来一定的散热效果，从而能够有效的保护主板；并且风扇能够直吹CPU带来二次散热效果。
下压式散热器的高度比较小，对于机箱的空间要求比较低，适用于MINI机箱等小型机箱。
当然，下压式散热受制于机箱温度，散热效果会有一定的影响；而且由于风扇吹向主板，容易造成热气聚集，排放不畅，所以必须搭建良好的机箱风道来辅助热气的逸散。
2.侧吹式散热器
侧吹式散热则通过高塔结构散热片和导热管传导热量，风扇侧吹散热鳍片的方式进行散热，由于采用高塔散热片，散热面积更大，辅助多根导管，散热效率更加明显。
如图3所示。
图3侧吹式散热器
侧吹式散热器有效解决了热气积聚机箱的问题，侧吹风扇与机箱风扇架构成一个风道系统，能够有效排放出CPU产生热量；并且由于采用高塔散热片，散热面积更大，散热效率更高。
侧吹式散热能够专注于为CPU散热，从而提高CPU运行温度的稳定性，并且采用了侧吹风扇，能够与机箱风扇有效串联成一个整体风道，让整体散热效果更加良好。
但由于侧吹式采用的散热片和风扇为高塔，对于安装机箱的空间要求比较高，并且安装在CPU上方也可能阻挡高梳散热内存的安装。
三、水冷散热方案
1.水冷发展简介
话说起水冷这要追溯到1966年，当时，IBM推出了System/360型91大型计算机，见图4。
被称为当时运算速度最快、性能最强的机器，主要运用在处理科学应用的高速处理（比如太空探索、亚原子物理学、全球气候预测等等）。
因此，为了给这款大型计算机降温，IBM就此研发了专门的水冷系统，就此掀开了水冷技术发展的篇章。
图4IBMSystem/360型91型大型计算机
2008年4月，首个采用水冷技术的超级计算机Power575，见图5。
这款Unix机器包括有14个内置水冷管道的服务器。
这些水冷管道通过机架直接接入到服务器上，并配合处理器上的水冷铜座共同发挥作用。
图5超级计算机Power575
1964-1990年期间，大型主机采用的都是水冷技术，因为在传导热方面，水比空气有效得多，所以在很多年里，水冷技术也一直被高性能个人计算机所使用。
1.一体式水冷散热
一体式水冷散热器安装相比分体式要简单很多，更重要的是很安全，你不用担心复杂的安装程序，也不用担心漏液，一体式水冷散热器的水冷液在出厂时已经灌装完成，只需拧拧螺丝就行，大大降低了CPU水冷散热的门槛，并且在散热效果上和入门级的分体水冷不相上下。
所以对于热爱DIY但是又想安装轻松的玩家们来说，这款散热器极其适用。
一体式水冷散热器如图6所示。
但是相比分体式水冷，一体式水冷少了很多DIY的元素，水冷的配件都由厂商直接安装，不能选择冷排大小，水箱型号，水泵扬程等一系列参数。
散热效果也会因为不同的厂商而不同，并不适合专业级的用户。
图6一体式水冷散热器
2.分体式水冷散热
分体式水冷系统一般由以下几部分构成：
冷头、循环系统、水箱、水泵和水冷夜，如图7所示。
根据需要还可以增加散热结构。
因为水的比热容大,这就使得水冷制冷系统有着很好的热负载能力，导致的直接好处就是CPU工作温度曲线非常平缓。
比如，使用风冷散热器的系统在运行CPU负载较大的程序时会在短时间内出现温度热尖峰，或有可能超出CPU警戒温度，而水冷散热系统则由于热容量大，热波动相对要小得多。
图7分体水冷散热器配件
分体水冷的安装和调试是一个大难题，较高的价格和复杂的安装流程让很它并没有很快的发展开来，所以现在的分体水冷还基本上面向高端用户和热爱DIY的电脑发烧友，不过随着PC的快速发展，分体式水冷越来越面向大众，很快就会普及开来。
第四章水冷水温计设计
一、设计要求
能完成简单的实时温度检测，能检测水冷循环系统中的水温。
二、设计思路
主要采用DS1820数字式温度传感器。
DSl820数字温度传感器提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出，因此从主机CPU到DSl820仅需一条线（和地线）。
DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源，因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl820可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DSl820的测量范围从-55到+125增量值为，可在ls（典型值）内把温度变换成数字。
第五章测试数据对比
一、测试平台介绍
主板
MSIB85-G43-GAMING
内存
KingStonFury4GX2
电源
海韵G-550额定550W
硬盘
希捷1TB7200转单碟
本次测试选择了市面上常见的LGA1150平台，而在这个平台Intel首次同时推出了Xeon系列服务器级CPU和酷睿系列桌面级CPU，也正是因为这样，Xeon系列CPU首次成为了日常用户的选择。
使用主打稳定性的Xeon系列和主打超频性能的酷睿K系列进行测试对比再合适不过。
二、CPU参数对比
Xeon系列选择E3-1230-V3，酷睿系列选择I5-4670K，同作为LGA1150平台，并且同一价位的两款CPU，定位不同，CPU的参数也有一定的差异，如图10所示。
图10E3-1230-V3和I5-4670K参数对比
两款CPU使用同样的Haswell构架，拥有相同的制作工艺，差别仅体现在E3支持超线程技术且拥有更大的三级缓存，而I5拥有更高的主频。
两者最大的差别还是体现在I5-4670K是不锁倍频版本，意味着这是一款主打超频的CPU。
经过多次尝试，这颗I5-4670K在不更换散热使用默认电压的情况下，从原本的可以超频到稳定运行。
三、CPU性能和发热对比
1.性能对比
测试性能使用国际象棋（fritzchessbenchmark）测试软件，分别测试CPU的单核运算性能和整体运算性能。
如图11所示。
图11E3-1230-V3和I5-4670K国际象棋分数对比
可以看出在默认频率的情况下，即使I5-4670K拥有更高的主频，整体运算能力依然不及拥有超线程和8MB三级缓存的E3-1230-V3。
在I5-4670K超频到后，性能大大提升，不管是单核性能还是整体性能，在运算能力上都明显高出E3-1230-V3。
2.发热对比
测试发热在默认侧吹式散热条件下，使用烤机程序Prime95测试120分钟，每5分钟记录一次数据。
测试数据如图12所示：
图12侧吹散热下不同CPU不同频率下温度对比
可以看出在默频下，拥有更高运算能力的E3-1230-V3却拥有更低的发热量，这正是服务器级CPU的优势。
I5-4670K在超频到时已经达到了接近100摄氏度的CPU保护温度，并且发生了降频保护的情况，说明这个散热方案并不能满足超频用户的需求。
四、散热方案实施和数据对比
1.风冷散热方案
风冷散热方案选择了下压式散热和侧吹式散热两种，使用E3-1230-V3运行Prime95烤机软件120分钟，每5分钟记录一次数据。
测试数据如图13所示。
图13E3-1230-V3侧吹和下压散热温度对比
可以看出侧吹式散热器相比下压式散热器对CPU对散热性能还是有比较大的差距的，下压式散热器在风扇转速更高的情况下散热性能依旧落后侧吹式散热器一大截。
侧吹式散热器采用塔式散热鳍片设计，拥有更大的散热面积，并且使用了4根铜管，导热性能也更加优秀。
2.水冷散热方案实施
安装分体水冷首先就是选好配套的材料，CPU冷头，冷排，水箱，水泵，亚克力管（可选择更好安装的软管），水冷液以及水冷机箱。
最后再加上自制的水温计，以实时监测水温。
图14安装冷排
如上图14所示。
首先将240冷排装到机箱前方，并装上冷排的散热风扇。
此处注意风扇应该对向冷排方向送风而不是吸风。
图15确定水箱位置
如上图15所示。
将水箱的固定架装好，并把水箱放入检查是否需要调整位置。
图16安装CPU冷头
如上图16所示。
装上CPU冷头，注意安装时因小心旋紧螺丝以防压坏CPU的封装或者芯片。
图17安装主板和水泵、水温计
如上图17所示。
将装好冷头的主板放入机箱，并放入电源，为了美观整洁，线材应该尽量从机箱背后通过。
同时在水箱下方装上水温计、水泵。
图18加入水冷液
如上图18所示
装上亚克力管，快拧的接口部分在安装时一定要仔细检查，防止漏夜烧坏主板。
检查好密封后就开始加入水冷液，由于水冷循环的环境是密闭的，如果不打开水泵让水冷液循环，循环系统中始终有空气无法排出。
在不给主板通电的情况下（防止漏液烧坏主板），只有选择外接12V4pin电源给水泵供电，并开一个进水口和出水口，让循环系统内部与外界空气接通。
排出大部分空气并灌满水冷液后，关闭水泵并封上进水口和出水口。
图19包裹卫生纸检测漏液
如上图19所示。
完全安装完成后，在每个接口处用卫生纸包裹，以检测是否有轻微的漏液情况。
图20安装完成效果
安装完成的效果图，如图20所示。
3.水冷散热方案测试
水冷散热方案的测试选用和风冷散热方案同样的方法，使用Prime95烤机120分钟，每5分钟记录一次数据，并和之前测试出的风冷散热方案进行对比。
数据如图21所示。
图21I5-4670K侧吹散热和水冷散热对比
可以通过图表看到水冷散热相比风冷散热拥有更高效的散热和更稳定的温度波动，即使在I5-4670K超频到的情况下也能稳定保持在70摄氏度以下。
结论
在日常使用中，对于和酷睿系列同是LGA1150平台的服务器级CPUE3-1230-V3拥有更强的多核运算能力和更低的发热。
而对于超频用户而言，酷睿K系列CPU必定是首选，拥有不锁倍频的优势，在提高倍频后能让CPU拥有最少20%的性能提升。
但随着主频的提高，发热也会急剧增加，一般的散热器已经不能满足超频后的CPU散热需求，就要选择更高效的水冷散热器，水冷散热器相比风冷散热器拥有更高效的导热和更稳定的温度曲线，能有效的应对超频后CPU在高负载下工作的发热。
参考文献
[1]IntelARK菜单,IntelCorei5-4670KProcessor
（6MCache,uptoGHz）
[2]IntelARK菜单,IntelXeonProcessorE3-1230v3
（8MCache,GHz）
致谢
感谢四川工程职业技术学院三年来对我的辛苦培育，让我在大学这三年来学到很东西，特别感谢学校为我提供了良好的学习环境、感谢领导、老师们三年来对我无微不至的关怀和指导，让我得以在这三年中学到很多有用的知识。
在此，我还要感谢在班里同学和朋友，感谢你们在我遇到困难的时候帮助我，给我支持和鼓励，感谢你们。
特别感谢我的指导老师任杰老师，在本次毕业综合实践中给予我悉心指导，从实践开始到结束中过程遇到很多困难都是他给我鼓励与指引，使我能够克服重重困难，将此项目完成，在此谨向任老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
谢谢!
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