SIE 硬體設計主管透露 PS5 內部設計秘辛 導入液態金屬材質降低整體散熱成本

(GNN 記者 Sam 報導) 2020-10-20 13:21:50

  索尼互動娛樂(SIE)硬體設計部門機構設計部部長鳳康宏,繼日前在官方 YouTube 頻道上公布由其親自針對即將於 11 月 12 日陸續在全球上市之新一代主機「PlayStation 5(PS5)」進行大部拆解與內部構造解說之後,日前又陸續接受多家日本媒體的訪問,針對 PS5 主機硬體設計的各種疑問進行解答,供玩家參考。
 
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SIE 硬體設計部門機構設計部部長鳳康宏

 
 

散熱系統

 

大型離心式風扇

 
   首先是關於許多玩家關心的散熱部分。PS5 採用直徑 12 公分、厚 4.5 公分的大型離心式風扇來負責整個系統的散熱。風扇位於主機上端的中央處,會從主機兩側進氣口吸入空氣,均勻推向四周冷卻系統。採用玻璃纖維 PBT 材質製造,兼具強度與耐熱特性。扇葉片數是基於必要的正壓與風量之間的均衡所計算出來的,同時保有足夠的餘裕,即使是在惡劣的環境下也能確保主機不會故障。之所以會採用如此巨大的尺寸,是希望透過壓低轉速來達成靜音的運作。官方表示在一般的使用環境下,會比 PS3 與 PS4 的初版機型來得安靜。
 
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    PS5 採用直徑 12 公分、厚 4.5 公分的大型離心式風扇來負責整個系統的散熱
 

主機板雙面散熱

 
  PS5 的主機板分為正面的「A 面」與背面的「B 面」。其中 A 面配置有系統處理晶片、SSD 控制晶片與快閃記憶體晶片,B 面配置有系統記憶體晶片、快閃記憶體晶片與直流轉換電源供應迴路。雖然熱量主要來自 A 面的系統處理晶片,但 B 面的發熱也達到 PS4 系統處理晶片等級,因此兩面都配置有強力的散熱系統。
 
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    PS5 主機板的「A 面」
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    PS5 主機板的「B 面」
 

液態金屬 TIM

 
  為了讓 A 面的系統處理晶片的熱量能更快速排出,PS5 導入了液態金屬 TIM(熱界面材料)。雖然液態金屬 TIM 存在已久,但有幾個關鍵的問題需要克服。首先是液態金屬會導電,如果滲漏出來會導致電路板短路故障,因此需要防止滲漏的設計。此外以鎵合金為主的液態金屬對鋁有很強的浸潤侵蝕性,而鋁正是散熱器最常見的材質。銅雖然比較能抵抗鎵合金的侵蝕,但也無法完全避免。因此需要透過電鍍的方式來保護。
 
※ 介於發熱來源與散熱系統之間、用來減少熱量傳遞阻礙的材料,例如一般常見的矽質導熱膏
※ 液態金屬 TIM 的熱導率(W/mK)是一般矽質 TIM 的數倍以上
 
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    PS5 在系統處理晶片上採用液態金屬熱界面材料
 
  為了克服液態金屬 TIM 應用在 PS5 量產上的問題,SIE 花費了 2 年的時間進行準備,並採用自家訂製的配方。而之所以採用成本較高的液態金屬 TIM,主要的著眼點在於降低散熱系統的整體成本。雖然液態金屬 TIM 的成本比一般矽質 TIM 來得高,但是卻能更有效將熱量導出,因此可以採用成本較低的散熱器,降低散熱系統的總成本。舉例來說,假設某系統原本採用 10 日圓的 TIM 搭配 1000 日圓的散熱器,現在換成 100 日圓的 TIM 搭配 500 日圓的散熱器也能達成相同散熱效果的話,則總成本就能從 1010 日圓降低至 600 日圓。
 

散熱器

 
  PS5 採用由 6 根導熱管構成的大型散熱器,所有導熱管都匯集到與處理晶片接觸的部分,將熱量快速傳導到所有散熱鰭片上排出。與液態金屬 TIM 接觸的部分採用電鍍處理以防止腐蝕。SIE 表示雖然只是採用一般的導熱管,不過在散熱鰭片形狀與氣流的設計上下了功夫,因此能達成與成本較高的均溫板相同的散熱效能。
 
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    PS5 採用由 6 根導熱管構成的大型散熱器
 
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    透過 6 根導熱管將系統處理晶片的熱傳導到散熱鰭片散出
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    散熱器與液態金屬 TIM 接觸的部分採用電鍍處理以防止腐蝕
 
  主機板 B 面的散熱則是整合在屏蔽電磁波的鋁質金屬板上,在直流轉換電源供應迴路、系統記憶體晶片、快閃記憶體晶片上都塗有液態導熱膏,還設置了附帶導熱管的散熱器來強化直流轉換電源供應迴路的散熱。
 
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  • PS5 主機板 B 面透過鋁質金屬屏蔽板與熱導管散熱器來散熱
 

直立 / 橫放散熱效能

 
  SIE 表示 PS5 在直立擺設與橫放擺設的散熱效能並沒有差別。雖然可能有人會認為因為有「煙囪效應 」因此直立擺設的散熱效能會比較好,但在安裝有主動排氣的散熱系統中,煙囪效應帶來的影響只在誤差範圍內。SIE 除了透過計算機輔助工程(CAE)來協助各散熱零件的設計之外,還會製作全透明的 PS5 主機模型,透過導入乾冰煙霧來觀察主機內部實際空氣流動的狀況,同時測量各部分的溫度,藉此來改良散熱設計。
 
※ 指封閉空間內的空氣沿著垂直的通道上昇或下降,造成空氣加強對流的現象
 
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    PS5 直立擺設與橫放擺設的散熱效能並沒有差別
 

可線上更新的風扇控制參數

 
  PS5 除了系統處理晶片內部的溫度感測器之外,在主機板上還設置有 3 組溫度感測器,系統可以根據這些溫度感測器的數據來控制風扇轉速。控制參數未來還可以透過線上更新來調整。官方表示,計畫收集執行各款遊戲時系統處理晶片的運作狀況數據,藉以最佳化風扇控制。報導中也指出 PS5 的散熱設計具備高安全係數。如果未來出現長時間持續處於高負荷狀態的遊戲,甚至可以犧牲靜音性,拉高風扇轉速來提升散熱效能。
 

SSD 擴充槽

 
  PS5 內建訂製版高速 SSD,由主控晶片與 6 顆快閃記憶體晶片構成,頻寬 5.5GB/s,總容量 825GB 。此外還提供 PCIe 4.0 x4 規格的 M.2 NVMe SSD 擴充槽,可以自行擴充內部儲存空間。該擴充槽提供多種螺絲孔位,可安裝 30mm / 42mm / 60mm / 80mm / 110mm 長度的 SSD。可容納帶有散熱器的 SSD,但高度限制在 8mm 以下、以不頂到保護蓋為原則。配置有 2 個排氣口,可透過鄰近散熱風扇進氣的負壓將熱排出。
 
※ 824,633,720,832 Byte,採業界標準十進制四捨五入計算為 825GB,如以二進制計算則為 768GB
 
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    PS5 提供 PCIe 4.0 x4 規格的 M.2 NVMe SSD 擴充槽
 

光碟機與電源供應器

 
  PS5 標準版主機配備吸入式 Ultra HD Blu-ray 光碟機模組,採用金屬外殼密閉封裝,且與外殼底盤接觸的部分配置有雙層防震墊片,藉以減低運作時的震動與噪音。配備 350 瓦功率的電源供應器模組,外殼前後預留有通風口,可以讓循著羊角螺線(Clothoid)軌跡流通的散熱風扇氣流進入進氣口,再從主機後方排出。
 
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PlayStation 5 規格概要

  PS5 標準版 PS5 數位版
CPU x86-64 AMD Ryzen Zen 2,8 核心 / 16 執行緒
可變運作頻率,最高 3.5GHz
GPU 以 AMD Radeon RDNA 2 為基礎的繪圖引擎,支援光線追蹤加速
可變運作頻率,最高 2.23GHz(10.2TFLOPS)
記憶體 16GB GDDR6,頻寬 448GB/s
內部儲存裝置 825GB 訂製版 NVMe SSD
存取頻寬 5.5GB/s(未壓縮資料)
擴充儲存裝置 M.2 NVMe SSD 擴充槽(PCIe 4.0 x 4)
外部儲存裝置 支援 USB 介面外接儲存裝置
光碟機 4K UHD Blu-ray Disc 光碟機
UHD BD(66GB / 100GB)10X CAV
BD-ROM / R / RE(25GB / 50GB)8X CAV
DVD 3.2X CLV
影像輸出 HDMI 2.1,支援 8K 電視、4K 120Hz 電視,支援可變更新率
音效 Tempest 3D 音效技術
輸出入介面 USB 3.2 Gen 2 Type-C 端子 x 1(10Gbps)
USB 2.0 Type-A 端子 x 1(480Mbps)
USB 3.2 Gen 2 Type-A 端子 x 2(10Gbps)
網路連線 Ethernet(10BASE-T,100BASE-TX,1000BASE-T)
IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax(Wi-Fi 6),Bluetooth 5.1
控制器 DualSense 無線控制器
向下相容 支援大多數 PS4 遊戲軟體,可開啟 GameBoost 功能提升執行效果
支援 DUALSHOCK 5 無線控制器與部分官方認證 PS4 周邊設備
功率 350 瓦 340 瓦
尺寸 約 390mm 寬 x 104mm 高 x 260mm 深(不包括最大突出部位與底座) 約 390mm 寬 x 92mm 高 x 260mm 深(不包括最大突出部位與底座)
重量 4.5 公斤 3.9 公斤
上市日期 2020 年 11 月 12 日(美國、日本、加拿大、墨西哥、澳洲、紐西蘭,韓國)
2020 年 11 月 19 日(包括台灣香港、歐洲、亞洲、南美在內的其他地區)
建議售價 499 美元499 歐元
449 英鎊,49980 日圓

新台幣 15980 元
港幣 3980 元
399 美元399 歐元
359 英鎊,39980 日圓
新台幣 12980 元
港幣 3180 元
 

 

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