散热领域的新突破
技术空间
炎热的夏天，作为DIY爱好者的我们又开始关注机箱内的散热问题。和CPU、显卡等发展迅猛的电脑部件相比，散热器的发展似乎太慢了，普及的风冷、热管等散热器都是多年前的老技术了。不过最近，“电晕风（Corona Wind）”、“离子风（Ionic Wind）”、“固态风扇（Solid-State Fan）”等新名词时不时地在大家面前出现，引起了大家的浓厚兴趣。而相关的研究人员出于技术保密的原因，对这类技术的相关信息透露很少，这更引发了很多读者的猜想，“电晕风”是什么呢？离子风是何方神圣？固态风扇又是什么东西？在本期文章中我们就带你揭开这些谜团。
不用风扇也有风
美国科学家最近开发出一种利用“电晕风（Corona Wind）”技术研发的小型固态风扇（Solid-State Fan），它具有超薄、低能耗、易维护的特点，且没有任何运动部件，工作起来十分安静。研究人员表示，固态风扇是自热管技术以来电子散热领域内的最大突破，该设备可以作为笔记本电脑及其他电子设备的散热系统。
美国某大学的研究人员最近公布了一项新的芯片散热技术的进展情况，其系统使用了“Ionic Wind（离子风）”来为芯片制冷，在电流通过时该系统会产生正极带电离子，然后移动到负极的线缆上，从而在芯片上产生高效的空气流动效果，达到制冷的目的。其散热效率比传统的芯片散热技术高250%！
为什么电会直接变成风？
大家知道，要让电能转换成风能的话，需要风扇。但电风扇能产生风是因为电能和机械能之间转换的结果，而“电晕风”、“离子风”（离子风的原理与电晕风类似）以及根据它们的原理来制造的固态风扇，为什么能在无任何运动机械部件的情况下产生“风能”呢？
这还得从自持放电（气体放电）现象谈起，大家知道，自持放电现象是一种不依赖外界电离条件，仅由外部施加电压作用即可维持的一种气体放电现象。虽然干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电离子时，它就可变为电的导体。如果在气体中安置正负电极并加上电压，就有电流通过气体造成电晕条件，促使气体放电。
而自持放电现象却不同，当外加电压达到或升高到一定幅度后，其气体中的放电过程便会发生逆变，在这种情况下，就算没有外界激励因素，放电仍会继续。常见的自持气体放电形式包含辉光放电、电晕放电、电弧放电等，它们在特定技术条件都可能转化为风能。
以电晕放电为例，电晕放电现象是气体介质在不均匀电场中的一种局部自持放电现象，它也是最常见的一种气体放电形式。在尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，便会出现相对稳定的电晕放电。发生电晕时在电极周围会出现光亮。
在直流电压作用下，负极性电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷。在负极性电晕中，当电子发生碰撞电离后，电子被驱往远离电极尖端的空间，并形成负离子，在靠近电极表面则聚集起正离子。电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现一脉冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。如此循环，便会出现许多脉冲形式的电晕电流。
若电压继续升高，电晕电流的脉冲频率增加、幅值增大，转变为负辉光放电。辉光放电是气体在低气压状态下的一种自持放电，对玻璃圆柱状放电管两端施加电压，当压力处于0.1托～1托（Torr，1托＝1/760大气压＝1毫米汞柱）的范围时，由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞电离和光电离。当电压再升高时，出现负流注放电，因其形状又称羽状放电或称刷状放电。当负流注放电得以继续发展到对面电极时，即导致火花放电，使两极间的间隙击穿。
在一定的电压和技术条件下，电晕放电是可以通过电离子在两个电极间的“对流”产生风能的，并且只要控制得当是不会因此造成设备击穿的。早在几年前，便有科研人员在自制的“电晕风”干燥装置上，对水进行了干燥实验，通过改变两电极的间隙、针状电极的数目和放电电压，他们对影响“电晕风”干燥速率的因素做了初步的研究，当时的实验结果表明，放电间隙越小，针状电极数目越多，输出电压越高，风力越强劲，水的干燥速度越快。
“电晕风”技术走向前台
早在电学研究的初期，自持放电（气体放电）现象就曾一度被人们关注，只不过限于那时的技术条件与市场需求，不可能进行更深入的研究。并且长期以来，科研人员对电晕放电现象关注的重点都主要放在其有害的一面，比如电晕是电力系统中重要的电能损耗原因之一，我国每年因高压线电晕损耗的电能就达20.5亿度。除此而外，电晕会产生热效应和臭氧、氦的氧化物，对一般电晕现象不加以良好控制，还会使线圈内局部温度升高，导致黏合剂变质、碳化和云母变白，进而使线缆松散、短路等。所以，现在的高压线一般会采取增大导线直径，采用均压环或均压罩加以屏蔽的办法来限制电晕危害。
而随着目前技术的不断进步，科研人员开始关注电晕放电的有益一面，而“电晕风”技术正是这种技术进步的产物之一。“固态风扇”亦正是应用“电晕风”技术的典范。与目前流行的风扇相比，固态风扇最大的特点便在于没有任何运动组件，但它又具有与风扇相同的效果。这正得益于“电晕风”技术，通过该技术在可使两个相邻高压电极间发生电晕放电使离子运动而导致空气流动。在具体实验时，研究人员在一个圆柱体中将导线放置在导电圆盘上，在强大电场的作用下，离子会推动空气中中性分子沿导线向圆盘运动，从而形成用于冷却的风。
当然，要想固态风扇能更好地或更稳定地获得“电晕风”效果，技术人员肯定会在一些细节上进行处理。虽然目前具体的技术实现细节涉及商业机密尚未透露，但一般情况下，要达到这种效果，首先，电压要足够高；其次，使两电极间的金属表面不平滑并带有毛刺或开口比较尖锐暴露在空气中，都更易产生稳定的电晕。
固态风扇对散热方式的革命性作用显而易见。比如，它的效能比比传统的风扇更高，与相同性能的风扇相比，它产出的最大风速是2.4米/秒，大大超过普通小型机械风扇的0.7米/秒~1.7米/秒的成绩，而其体积只有后者的1/4。
“电晕风”的应用前景
长期以来，静音电脑都是众多用户努力寻求及打造的对象，目前要想电脑能静音，普遍做法是采用由热管组成的较大的组合散热系统和转速较低的风扇，但在夜深人静时你仍会感觉到它们转动的“心跳”声。而固态风扇没有任何机械运动部件，可实现无机械噪音运行，是机械风扇无法比拟的。如果“电晕风”及技术能最终走向前台，可以让电脑真正走进“静音”时代。
目前，电晕放电技术已被应用到静电除尘、污水处理、空气净化等领域，由“电晕风”技术打造的固态风扇还有一个天生的优点，不怕灰尘，这无疑将使用户减少清理和维护风扇的麻烦。
相关的研究人员已明确表示，“电晕风”技术及固态风扇很适合用于冷却小于1cm3、功率为25W的芯片设备。并且，也许某一天，该技术还会被整合入硅芯片中，从而制造出自带冷却系统的新型芯片。此外，由于这种“风扇”相比机械风扇可以做得很薄，可让笔记本等设备做得更薄、更便于携带。
写在最后：机遇与面临的问题
从130nm、90nm到65nm再到45nm，尽管在短短几年间，半导体制造工艺飞速发展，但与计算机CPU/GPU性能提升的速度相比，仍显得力不从心，如何快速散去新制程工艺也难以解决高性能芯片带来的高热量问题，一直都受到人们的关注。为此，很多IT巨头对此都投入了巨资进行技术研发，以期能研发出更多的更高效的散热技术，解决高性能芯片上热量聚积的问题。而“电晕风”技术可以看作是继热管技术之后，电子冷却方面的又一重大进展，它为芯片散热问题带来了一种新的经济理想的解决方法。
噪音极小，散热效率高是以“电晕风”为首的固态风扇技术的最大优点。一旦这种技术成熟，它将对未来的整个IT行业、电子行业产生革命性的影响。例如，对于一些低功耗低热量的芯片，一小片固态风扇乃至内置于芯片内部（顶部）的固态风扇就能完美解决其散热问题；对于一些高性能高功耗高热量的芯片，通过更强的内置于芯片的固态风扇再加上一个外部的散热器（如热管），无需机械风扇，就能完美地实现高性能的静音散热。
当然，用户在为这类技术欢欣鼓舞的同时，其疑问也随之而来。例如，会不会造成系统电耗大为增加？没有庞大的散热鳍片，面对功耗很高的发热元件，它真能从容应对吗？会不会因技术问题造成电脑短路，甚至烧坏？会不会因电磁辐射影响人体健康？
前三个问题，在产品正式推出之前，还很难回答，只有通过未来市场的考验才能知道。而对于电磁辐射问题，我们认为大家大可放心，电晕放电现象几十亿年来早已普遍存在于宇宙之中，并且其产品要想在全球上市，还要通过诸如FCC（美国联邦通讯委员会）等严格的安全认证检测机构的认证。
虽然更多的是期待，但作为一种新兴的散热技术，“电晕风”及固态风扇对我们充满了诱惑，这种诱惑正是来自于我们对未来散热新技术变革的期盼。