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一款手机诞生的背后,往往是优秀专家、技术等大量资源的投入,说是“烧钱”一点都为过。

今年的Mate 20系列与往年不同,一共有Mate 20、Mate 20 Pro、Mate 20 X、Mate 20 RS保时捷设计四款产品,可能是Mate 20系列产品黑科技太多了,让华为Mate 20 X被盖住了光芒,直到双11的时候知名艺人林更新转了一条抽奖微博,一下子打爆了。

实际上Mate 20 X不仅有着7.2英寸大屏,为了达成极致的旗舰机性能、散热体验,还采用了石墨烯膜+VC液冷散热系统SuperCool技术。

石墨烯材料自问世以来,能够在智能手机上得到大规模量产应用,无论是对研发还是配合的供应链都有很高的要求。

华为Mate 20 X揭秘:石墨烯膜散热如何从0到1?

突如其来的紧张任务

今年年初,华为手机研发团队接到了一项特别的任务:打造一款性能卓越、游戏、娱乐体验显著超越业界所有对手的Mate新旗舰。这个是一个新的挑战,研发人员开始紧张了。

在华为提到“最极致”,做研发的就不由自主的紧张,因为它的要求非常高,要求满足所有的用户、所有的游戏有非常好的体验感受,说白了就是业界第一。“第一”如今不能在广告词里面出现,但这是华为对研发的要求。

这款内部要求用户体验最极致的产品就是今年10月26日国内发布的华为Mate 20 X。它就好比是旗舰机里的SUV,能适应多路况。华为手机对Mate 20 X的要求就是游戏、影音、长续航都能适应。

接到这个产品需求后,研发团队做的第一件事是进行用户调研,邀请了100名顶级游戏玩家到华为手机这边交流:手机玩游戏的痛点、难点在哪儿?

这些玩家反馈了几个关键词:掉帧、卡、发热以及长时间玩游戏的体验。

华为Mate 20 X揭秘:石墨烯膜散热如何从0到1?
华为Mate 20 X游戏体验

有了这些信息之后,Mate 20 X这款极致游戏机的定义就清晰了:让用户在长时间玩高帧率的游戏,把游戏特效全部打开,不卡顿、不掉帧。

在与游戏玩家交流的时候,他们提到了《王者荣耀》、《刺激战场》、《荒野行动》,以及一款国外的《堡垒之夜》这四款游戏。

其中《刺激战场》对CPU和图形处理的负载要求最高,产品经理告诉研发团队,以这几款游戏为标杆,把体验做到极致。

研发团队领到这项任务的时候,已经确定的是Mate 20 X将搭载华为最新的麒麟980处理器。这颗SoC采用7nm工艺制程,内置双核NPU人工智能处理单元,其CPU性能比上一代麒麟970提升75%,GPU性能提升46%。

再加上华为手机此前推出的GPU Turbo软硬件结合的加速技术,可以说产品的性能已经有了很好的保证。

华为手机研发团队接下来要做的就是如何让这颗芯片的性能优势充分且持久的发挥出来,这其中的关键就是散热。

智能手机内部空间非常有限,CPU系统的散热一直业内持续研究的难题之一。

处理器长时间保持高性能运行,会带来很高热量,当温度上去之后硬件会启动自我的保护机制,CPU也因此会去掉帧、变频,导致性能下降。

第一步:改造麒麟980

Mate 20 X第一版用的是传统散热方案,包括石墨膜、铝合金、铜架构等等。这套方案做出来的结果是跑《刺激战场》60帧情况下,同时特效全开,整个功耗是4瓦,持续运行15分钟之后,手机跑到41度;持续运行35分钟,手机跑到45度;35分钟之后,手机就开始掉帧。

这种体验离做到极致还相差甚远,按照华为手机所做的调研,《刺激战场》玩半个小时是最基本的入门要求,顶级玩家可以玩一个小时,一些极度玩家甚至可以玩到2小时以上。

因此,Mate 20 X需要做到玩一小时温度控制在41度,持续打4小时,控制在合适温度区域。

猎豹有着很非常快的爆发速度,但这种高速奔跑的状态并不持久,只能维持几分钟。

这是因为它的皮肤上没有汗腺,热量无法有效的散出去,导致体温随着急速奔跑达到危险的41度,只能停下来休息。

华为Mate 20 X有着性能很强的麒麟980芯片,但是如果散热不做好,高性能状态持久性不行,就跟猎豹一样。

据了解,为了解决这个问题,华为手机内部成立了一个专项攻关团队,要做一款能跑马拉松的猎豹出来。也就是在已有的麒麟980芯片的基础上,让产品跑游戏持续不掉帧。

当时打《刺激战场》功耗是4瓦,研发团队要把4瓦降到3瓦,3瓦是整个业界主流游戏里面自带能量最低的功耗标准,硬件散热能力至少要提升超20%才可以满足要求。第一步是改造心脏,让麒麟980的心脏更强劲,同时更低功耗。

玩游戏有两大关键因素,一个是CPU,另一个是GPU。华为手机今年6月份推出的GPU Turbo技术在令GPU处理性能提高的同时,还可以将手机GPU功耗降低30%。改造心脏,就是要从CPU下刀。

华为手机研发团队说,他们在Mate 20 X上做了智能AI调度系统,通过大量精密计算之后,会预料在什么样的场景下、什么样的前提下、什么样的背景下,CPU应该达到哪个频率。这样带来的好处是不但使CPU性能达到最优,也把整个功耗降下来。

在智能AI调度系统加上GPU Turbo技术的加持下,玩《刺激战场》的功耗从4瓦成功降到了3瓦,实验室测试结果已经能够满足85%以上的用户。但是把战果汇报上去后,得到的反馈却是满足85%的用户不是这款手机的目标。

所谓极致体验必须要满足类似打《王者荣耀》、《刺激战场》顶尖战队的需求,反应速度非常快,持续非常稳定的散热。

基于这样的要求下,他们找到了硬件材料方面的研发同事,需求是把整个散热能力提升20%。这就需要在前面提到的传统散热方案上,做进一步的突破。

赌博与挑战:石墨烯膜+VC液冷

幸运的是华为在这方面已经做了非常深入的积累,经过三年的准备,专门进行前瞻技术探索研发的华为2012实验室已经有一些很好的方案。

当时负责散热材料的研发同事表示,如果上了这套散热系统之后,可以满足华为Mate 20 X的极致要求。

研发团队把这些材料组装到手机上试了下,体验了两三个游戏之后,发现确实可以。这原本是值得欣喜的,但团队却犯怵了。

因为经过前期的研究之后,这时候离上市就剩下三四个月时间了,在这个时候启用一套之前没有商用先例的散热方案,这能否顺利量产?

这是一场赌博,也是对于研发能力积累的挑战。

用还是不用?研发团队内部一时拿不定主意。产品线回了一句话:放手大胆去干,要把用户带来的最为极致的体验放在第一位。在华为内部一直流传这样一句话:胜则举杯相庆,败则拼死相救。

于是,研发团队下定决心大胆启用新的散热方案。

传统的散热方案有铝合金、石墨片,还有多层石墨,这套方案在最开始就被否定了。研发团队想到的解决方案是用石墨烯膜替代传统的石墨膜。公开资料显示,石墨烯(Graphene)具有非常好的热传导性能,被认为是一种未来革命性的材料。

这相当于建立了两套方法:第一道防线VC液冷,第二道防线是石墨烯膜,两道防线一拦截,建立起心脏系统循环+皮肤系统循环的全新散热架构。

据华为手机研发团队介绍,选择VC液冷是因为这套散热系统可以覆盖整个SoC,VC(Vapor Chamber)有上下盖板,中间有一个毛细通道,抽真空、打水,一般的水100度可以沸腾,抽真空环境冷液不需要100度就会沸腾,到冷凝端相变,蒸汽变液体,这套方案比纯铜导热系数高20倍。

但主要问题在于,这种技术之前是给计算中心的超级计算机用的,两三毫米的厚度就可以,用到手机的时候撑死了0.4mm的空间。

华为手机早在2016年的时候就开始研究如何做到超薄的VC,但当时0.4mm的VC却前所未有。

当时VC做到0.6mm,上盖板、下盖板,中间是蒸汽通道,上下盖板是0.2mm。如果做0.4mm,两个盖一叠加,就没有任何通道,没有任何抽真空空间了。为了解决这个问题,第一步是得把上下盖板材料换成合金材料。

因为传统的纯铜材料做太薄了之后强度不足,抽真空的时候会凹进去。

当时试了很多合金材料,经过了寿命测试、高温、低温测试,这中间还涉及到与供应链合作伙伴一起作工艺改进,时间长达数月。

华为Mate 20 X揭秘:石墨烯膜散热如何从0到1?
华为Mate 20 X内部拆解

第二步是把传统的石墨膜换成石墨烯膜。据介绍,华为2012实验室从2015年就跟行业顶级的石墨烯研究机构启动合作,提前做技术布局。

据介绍, 当时花了十几吨石墨烯原材料,搞了一年多的时间,才实现纳米材料均匀涂布,才能烧出高导热的石墨烯膜。

同时,石墨烯膜质地柔软,在切割的时候由于不易切断,会出现“藕断丝连”的情况,早期良率不到10%,但量产至少要达到良品率85%。

石墨烯膜生产工艺路线完全不同于传统石墨膜,华为手机研发团队为此几乎更换了所有设备,最终与产业界合作伙伴一起,将石墨烯散热片的良品率做到了商用级别。

你所看到的,只是冰山一角

大学里研究的东西天上飞的,实际产品应用地上爬的,每一个做研发的人员对此都深有感触。这是因为工艺上最后解决方案可能很简单,但量产却需要大量测试验证,这才是真正的考验。

VC均热板里的水是毫克级的,都是用精密天平进行测试,设备精度达0.1mg。当时做可靠性测试的时候,低温测试过不了,解决了不凝性气体的存在,某些批次小概率又发现油污。

这意味着某些工序管控不足有不可控风险。为此不得不用“显微镜”去查每道工序,检查哪里把油污引进来,如何清洗掉。

海量生产主要是看良率,从最开始不到10%的良率,到最终达到量产水平,华为手机研发团队与合作伙伴试了很多种工艺。从今年五月份开始驻厂,保证了百万级以上的发货,到用户手里面,热性能如今已可以满足性能的要求。

产品出来后,华为手机研发团队又请了一批游戏玩家过来进行测试。“那时候我记得天气比较热,为了体验极致散热,我们把屋子里面的温度调到30度,再放一些电热器加热,让那些玩家挥汗如雨的打游戏。”

据介绍,华为手机对自己的要求是每一代产品比上一代提升最少20%。每款旗舰机可能都要有上亿美金的投入,为了提升产品的竞争力,华为手机对此从不手软。

华为公司的年报数据显示,2017年华为研发费用支出为897亿元,约占总收入的14.9%,其近十年累计投入的研发费用已经超过3940亿元。

今年第三季度的中国智能手机市场,华为、vivo、OPPO等前五大手机厂商占据了超过87%的市场份额,寡头格局已定。今年这几家头部厂商在屏下指纹、全面屏、3D结构光等新技术的应用上表现的非常激进。

注重研发投入的厂商市场表现都不会太差。智能手机进入存量市场竞争,手机产品同质化严重,怎样才能做出极致用户体验的产品?这背后必然离不开持续不断的技术创新和研发投入。

从前期的理论分析到后期的设计,再到生产工艺和大规模生产的质量管控,一款手机从工厂的流水线出来打包好送达到用户手中,这个故事背后的艰辛,对华为来说并没有什么独特性。

我们从Mate 20 X身上看到的,还只是冰山一角。

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