2014年05月15日10:10
“簡直是一件藝術品”（工業設計師、東京大學生產技術研究所教授山中俊治），“當前個人電腦的理想形態”（精通熱設計和電磁噪聲對策的技術人員），“生產恐怕沒有考慮成本。真羨慕那些參與開發的技術人員”（精通熱設計的技術人員）
。
Mac Pro主機（左）與拆下外殼之后（右）。高25.1cm，直徑16.7cm，重5kg。
有一台個人電腦博得了工業設計師和電子技術者的交口稱贊。那就是美國蘋果於2013年12月推出的“Mac Pro”。這台電腦配備了一個美國英特爾的服務器CPU“Xeon E5”，兩個美國AMD（Advanced Micro Devices）的高端GPU“FirePro D300/D500/D700”，是該公司的旗艦產品。
其定價十分霸氣，最低配置也要大約30萬日元。如果通過BTO定制，選擇高性能的CPU和GPU，以及大容量的SSD和內存等，價格還會攀升到接近100萬日元。不只是性能和價格，閃耀著黑色光澤的圓筒型外形設計也與普通的個人電腦形成了鮮明對比。
《日經電子》買來Mac Pro，在工業設計師、電子技術人員、加工技術人員的協助下，對主機進行了拆解和分析注1）。在這個過程中，我們了解到了蘋果對於外形設計的精益求精、把重點放在主機小型化和降噪上面的熱設計，以及細致入微的電磁噪聲對策。在每一個方面，蘋果耗費的人工和成本都絕非普通的個人電腦可以企及。
注1）拆解的是Mac Pro中最便宜的四核版。
像口紅蓋一樣的外殼
Mac Pro首先吸引人們目光的，是閃爍著黑色光澤的圓筒型外殼。外殼的加工精度非常高，圓筒幾乎成正圓形，表面加工也沒有任何瑕疵。用熒光燈照射外殼表面，可以看到一條筆直的反射光線，沒有任何彎曲（圖1）。簡直就像“口紅蓋一樣精美”（精通金屬加工的技術人員）。
圖1：形似口紅蓋的外殼
Mac Pro的圓筒型外殼擁有口紅蓋一樣的光澤。圓筒幾乎成正圓，加工精度非常之高。容納各種接口的開口部分做了倒角處理，工藝也十分精湛。
實際上，其加工方法也與口紅蓋如出一轍，使用的似乎是“沖擊擠壓成型”方法。這是對金屬進行沖壓，一次性完成成型的加工方法。通過採用這種加工方法，金屬塊首先加工成凹形，然后再對內側和外側進行切削，制成圓筒狀。外表面在實施黑色的防蝕鋁處理后，還要進行研磨，工藝十分復雜。研磨採用“拋光”的方法，利用旋轉的皮毛、樹脂等柔軟材料對表面進行打磨。
中央設置大型散熱器
特殊的不只是外形設計。內部結構也與常見的個人電腦大不相同。中央配置了三角柱形的大型散熱器（圖2）。從上往下看，就像是一個等腰三角形。安裝CPU和GPU的基板環繞在散熱器周圍。CPU基板位於等腰三角形的底邊，兩個腰各配置一枚GPU基板，貼合地十分緊密。
圖2：主要構件配置在圓筒周圍
三角柱散熱器位於中央，基板環繞四周。天線置於頂部安裝風扇的位置。
使用的基板也為數眾多。主要包括6枚（圖3）。除了前面提到的CPU基板和兩枚GPU基板之外，還有接口基板、圓形基板，以及電源基板等其他三枚基板。接口基板與電源基板位於CPU基板一側。從散熱器開始，依次是CPU基板、電源基板、接口基板。
圖3：由多枚基板組成
Mac Pro主要由6枚基板組成。分別是GPU基板（2枚）、CPU基板、安裝電源電路的基板、安裝各種接口收發IC和連接器的基板，以及控制接口收發IC“PCH”的IC等所在的底部圓形基板。
接口基板上安裝了“Thunderbolt 2”、“USB 3.0”等設備接口連接器和收發IC。圓形基板配置在主機底部，通過連接器，與接口基板、CPU基板、GPU基板相連，是連接各個基板的橋梁。配備的IC叫作“PCH”。具有控制接口收發IC的功能。
與圓形基板連接的位置，採用了支持高速通信的高價連接器，在消費類產品中實屬罕見。端子數量多達200∼300個左右。拆解人員驚嘆道：“這種連接器在通信設備中比較普遍，但在消費類個人電腦中採用還是第一次看到。而且，連接器配備了柔性基板（FPC）。而通信設備是板對板連接，不配備FPC。因為端子數量越多，FPC的價格就越貴，所以一般不會用”（部件企業的技術人員）。
奇特卻又理想的形狀
外觀設計與內部結構乍看之下十分奇特，但這其實是“高性能個人電腦的理想形狀”（參加Mac Pro拆解的多位技術人員）。因為這樣的形狀有利於熱設計和降噪。從實際情況來看，在室內溫度約為23℃的地方，執行幾十分鐘CPU需要承受高負載的處理后，外殼表面所有位置的溫度都維持在30℃多，排氣溫度也僅為42℃左右（圖4）。此時散熱風扇的轉速約為800rpm，速度很慢，工作噪聲也非常小。
圖4：均勻散熱
利用熱成像調查正在工作的Mac Pro主機的表面溫度。使CPU的利用率接近100％，在室溫22∼23℃的環境下運行幾十分鐘后，外殼表面所有位置的溫度都保持在30℃多。利用熱電偶檢測的排氣溫度約為42℃。拆下外殼后，內部的溫度並不像外殼那樣均勻。測試採用的是已經經過拆解的主機。
Mac Pro是把CPU和GPU升溫后釋放的熱量集中到三角柱形的散熱器，通過驅動主機頂部的散熱風扇旋轉，從主機底部的狹縫吸入空氣，利用空氣冷卻散熱器（圖5）。散熱器內部有許多條狹縫。其目的是增加散熱片接觸空氣的表面積，提高冷卻效果。“一部分大型復印機採用了在散熱器內設置流路的管道式結構，但在消費類產品中還從沒見過”（精通熱設計的技術人員）。
圖5：通過散熱器徹底冷卻
三角柱型散熱器的各邊與CPU基板、GPU基板緊密接觸進行冷卻。在每一枚基板與散熱器之間，都配置了板狀導熱管“蒸氣室”，提高了熱傳導性。在進行冷卻時，散熱器利用頂部的風扇從底部吸入空氣，從頂部排出。電源模塊也與流動的空氣接觸，通過帶有孔洞的樹脂殼，對散熱器和電源模塊的通風量進行調整。
利用位於中央的散熱器集中進行冷卻不僅無需為CPU基板和GPU基板單獨准備冷卻機構，還能夠利用溫度、風速相同的空氣，同時冷卻CPU和GPU。
在使用風扇進行強制空冷時，在裝置內的不同位置，空氣的溫度和風速各不相同。其原理是從進氣口吸入低溫的外部空氣，讓空氣帶走裝置內各構件的熱量，達到冷卻的效果，然后把溫度升高的空氣從出氣口排出。因此，越靠近進氣口，空氣的溫度越低，冷卻效果越好，越靠近出氣口，空氣的溫度越高，冷卻效果越差。而採用Mac Pro的結構可以有效遏制這樣的差異。
“這令人聯想起超級計算機。過去超級計算機就像Mac Pro一樣，把多台運算裝置排列成環形，使空氣在這個大號‘甜甜圈’的孔內流動，同時冷卻多台運算裝置”（精通熱設計和電磁噪聲的技術人員）。
為了進一步提高冷卻效果，CPU基板與散熱器、GPU基板與散熱器之間還設置了宛若“蒸氣室”的板狀銅制冷卻構件。蒸氣室像導熱管一樣，在內部封入了液體，通過讓液體在氣態和液態之間反復發生相變，向平面方向快速散熱。“導熱率是單純設置銅板的好幾倍”（精通熱設計的技術人員）。雖說“單價至少高達幾百日元”（精通熱設計的多位技術人員），但構件依然使用了三個之多，其目的估計是為了實現主機的小型化和輕量化。假設不使用蒸氣室，散熱器的體積就會增大，從而導致主機直徑變大、重量變沉。
利用樹脂殼調整空氣流量
不只是CPU和GPU，電源也是一大熱源。Mac Pro的電源基板與CPU基板平行，利用風扇吸入的空氣會在電源基板上的部件之間穿行。
此時，Mac Pro會調整散熱器內部的通風量，以及電源基板的通風量。因為散熱器與CPU和GPU連接，所以需要的通風量較大。
CPU（Xeon E5）和GPU（FirePro D300/D500/D700）的功耗因型號而異，CPU的TDP（熱設計電力）約為130W，GPU的TDP約為110∼120W。GPU安裝了兩個，簡單相加，總TDP大約為350∼370W。
而電源電路的TDP估計達到了450W的水平，假設轉換效率為80∼90％左右，則損耗（熱）約為45∼90W。也就是說，發熱量之比大約是1：4∼1：5。為了使風量符合這一比例，在電源電路的出氣口一側，安裝了設置有多個小孔的樹脂殼。“孔的直徑約為3mm，乍看之下像是遏制電磁噪聲輻射的構件。但從質地是樹脂判斷，其作用估計是調節風量”（精通熱設計和電磁噪聲對策的技術人員）。
大型風扇寂靜無聲
圓筒型的機殼也適合遏制工作噪聲。首先，這樣的形狀不易發生共振，易於遏制機殼內部發出的噪聲。而常見的立方體電腦機殼會發生共振，使特定頻率的噪聲增大。
其次，這樣的形狀易於擴大風扇的直徑，實現靜音化。如果把安裝的位置選擇在圓筒的頂部或是底部，就可以使用直徑幾乎與圓筒相同的大型風扇（圖6）。一般來說，在風量相同的情況下，風扇的直徑越大，轉速越低，工作噪聲也就越小。Mac Pro採用的是直徑約為13.4cm的大風扇。
圖6：徹底追求靜音
Mac Pro採用“斜流風扇”，兼具容易加大風量的軸流風扇和容易提高風壓的離心風扇的特點。通過採用直徑約為13.4cm的大尺寸風扇、降低轉速，在降低噪聲的同時，提高了風量。而且，風扇周圍設置了多個小孔。小孔分為深淺兩種，因位置而異。在成型后，有些深孔還塞上了類似樹脂的物質。這是為了使風扇永遠相對於旋轉軸穩定垂直旋轉，以降低噪聲。
Mac Pro採用“斜流風扇”，這種風扇兼具容易加大風量的軸流風扇和容易提高風壓的離心風扇的特點。採用斜流風扇的目的，是為了防止風速在壓力損失較大的散熱器和電源模塊內部出現下降。
而且，為了防止風扇旋轉時的風噪在特定的頻帶增大，在不同的位置，散熱風扇散熱片的間隔也略有變動。但改變散熱片的間隔有可能導致重心不穩，使散熱片在旋轉時發出“??”的聲響。因此，為了使風扇相對於旋轉軸永遠穩定地垂直旋轉，風扇的重心做了調整。
具體來說，就是在風扇邊緣設置深孔和淺孔，在成型之后，向部分深孔內填入類似樹脂的物質，借此進行微調，使重心位於風扇的旋轉軸上。“個人電腦使用的空冷風扇是以重心失衡產生噪聲為前提，為防止噪聲外漏，採用了填補機殼縫隙，或是加入吸聲材料的方法。像這樣精密調節重心平衡，使噪聲本身得到縮小的做法非常罕見”（精通熱設計的技術人員）。
筒狀外殼整體接地
Mac Pro耗費大量成本，實施了周密的電磁噪聲對策（圖7）。以整個機殼為地（GND），杜絕了內部產生的電磁噪聲外漏。風扇所在的主機頂部、接口部所在的機殼正面、圓筒型外殼、主機底部實現了電連續，起到了屏蔽的作用。
圖7：周密的電磁噪聲對策
以機殼整體為GND，防止Mac Pro內部產生的電磁噪聲外漏。比方說，接口部所在的機殼正面與主機頂部實現了電連續。圓筒型的外殼內部和底部也採用了相同的方法。
為了實現這一作用，圓筒型外殼的內部安裝了海綿狀的導電材料，與主機頂部相通。主機底部和機殼正面也安裝了導電橡膠，與圓筒型外殼的內部連接，達到了互通。與導電橡膠連接的位置沒有實施黑色的防蝕鋁處理，而是使金屬面暴露在外。連接圓筒型外殼與主機頂部、圓筒型外殼與主機底部的螺絲孔也未做處理，特意保留其金屬面，實現了電連續。“因為會導致成本增加，企業一般不會這樣大量使用導電橡膠。而且，使金屬面外露需要進行遮蔽，這同樣需要成本。在通常情況下，企業一般不會為電磁噪聲對策耗費如此之大的成本”（精通熱設計和電磁噪聲對策的技術人員）。
除此之外，主機頂部用於無線通信的天線也吸引了技術人員們的關注，令大家交口“稱奇”。樹脂做了鍍金處理，形狀也十分獨特，看上去就像是頭盔前面的裝飾（圖8）。之所以採用導電性強的金，似乎是為了提高接收的靈敏度。而且，不容易生鏽估計也是採用金的一個理由。
圖8：利用金色天線提高靈敏度
拆下頂殼后露出的金色構件估計是樹脂鍍金的無線通信天線。其目的似乎是要利用金的高傳導性，提高靈敏度。除此之外，不易生鏽估計也是採用金的原因之一。
綜上所述，昂貴的技術和構件遍布於Mac Pro的每一個角落。在無法向消費者宣傳、難以與商品附加值挂鉤的散熱措施和電磁噪聲對策上，蘋果更是不惜工本。參與拆解的技術人員一致表示，“這在日本企業是根本無法想象的事情”。技術人員還說：“一般來說，對於熱和電磁噪聲，日本企業都是有意做出妥協，盡可能減少成本投入，或是在無意間增加附加成本。而Mac Pro卻是在有意投入成本。在熱設計上更是使出了渾身解數。這對設計人員來說，簡直是無上的幸福。作為技術人員，這種設計能夠成為產品實在令人羨慕”（精通熱設計的技術人員）。（作者：根津 禎，日經技術在線！供稿）
