超能課堂(159):從釬焊到硅脂再到釬焊,英特爾CPU的折騰之路

2018-11-1 18:27  |  作者:孟憲瑞   |  關鍵字:超能課堂,英特爾,硅脂,釬焊,九代酷睿,酷睿i9-9900K

硅脂導熱這件事上,許多玩家在這個問題上已經糾結了6年了,超能網的文章評論經常可以看到有人吐槽“硅脂U不買”,好在今年的九代酷睿處理器上,英特爾狠狠擠了一大管牙膏,不僅給主流處理器升級了8核16線程,還重回使用了釬焊導熱工藝。

本文約3538字,需6分鐘閱讀

英特爾公司大概不會喜歡“牙膏廠”這個稱呼,但在玩家看來英特爾這幾年來的處理器升級真的是在擠牙膏,特別是14nm節點之后,已經推出了四代使用14nm工藝的酷睿處理器了。不光是擠牙膏,有時候大家還調侃英特爾牙膏擠多了又給縮回去了,特別是在硅脂導熱這件事上,許多玩家在這個問題上已經糾結了6年了,超能網的文章評論經常可以看到有人吐槽“硅脂U不買”,好在今年的九代酷睿處理器上,英特爾狠狠擠了一大管牙膏,不僅給主流處理器升級了8核16線程,還重回使用了釬焊導熱工藝。

今天的超能課堂里,我們就來聊聊英特爾處理器的硅脂、釬焊變化過程,先來介紹以下兩位選手的基本情況。

導熱硅脂:

關于硅脂,很多玩家都很熟悉了,這里就不詳細介紹了,因為超能網11年前做過一次硅脂橫評,這篇文章對硅脂的用途、作用有過詳細介紹,迄今依然不過時。

沙場秋點兵,16款導熱硅脂大比武

釬焊

英文是solder,寫過這么多關于處理器的釬焊導熱的文章,solder這個可以說一種工藝,也可以理解成一種材料,特別是對應硅脂的時候。這里就引用維基百科的一些解釋:

通常為錫的合金,故又稱焊錫,為低熔點合金,在焊接的過程中被用來接合金屬零件, 熔點需低于被焊物的熔點。一般所稱的焊料為軟焊料,熔點在攝氏90~450度之間,軟焊廣泛運用于連接電子零件與電路板、水管配線工程、鈑金焊接等。手焊則經常使用烙鐵。使用熔點高于攝氏450度的焊料之焊接則稱為硬焊(hard soldering)、銀焊(silver soldering)、或銅焊(copper brazing)。

上面是通用的解釋,至于處理器中所用的釬焊還有別的不同,它使用的材質多數含有銦(In),有的是純銦,也可以是金銦,也可以是銦鋅鉍等等。含銦焊料的優點如下:

·銦具有良好的延展性與可鍛性,僅使用中等壓力,就能使其變形并填滿兩個配合件之間微小的不平縫隙。
·這種延展性和可鍛性在超低溫下仍得以保持,因此組合件即使在惡劣的環境中也能保持有效密封。
·銦的導熱率較高(在85°C時為86W / mK),因此被廣泛應用在熱管理應用中,散發電子元件產生的熱量。
·在綁定不同的元件時,銦能補償不同的熱膨脹系數(CTE)。
·即便只含有少量銦,電子裝配中使用的焊料的熱疲勞性能也能得到改善。
·某些含銦合金的熔點低于180°C,因此非常適合多次焊接或者需要較低回流溫度的焊接。
·銦的蒸汽壓力低,適合高真空焊接。
·銦合金焊料在跌落試驗中的耐抗程度優于其他低熔點合金。


不同焊料的特性及導熱系數

處理器的散熱結構:從核心到散熱器的兩道坎

從散熱角度來說,處理器核心與散熱器底座無縫貼合的話,散熱效率是最高的,但是晶圓廠生產出的芯片太脆弱了,所以需要一層金屬蓋保護,這就是IHS(Integrated Heat Spreader,集成散熱反變形片),它可以保護CPU核心,但是多了IHS就相當于多了一層散熱結構,所以CPU安裝散熱器的時候需要涂抹硅脂在頂蓋上以提高導熱效率(相對空氣而言),這部分就是TIM(Thermal interface material,熱界面材料),最常見的TIM材料就是硅脂,高級點的有液態金屬等。


處理器內部的導熱介質(圖片來源于Wikichip

具體來說,TIM還分為兩層,我們安裝散熱器涂抹的那一層TIM是TIM2,IHS與CPU核心的那一層是TIM1,這個就是現在的PC玩家杯葛了六年多的硅脂(Thermal Paste)vs釬焊(solder)事件的沖突核心。

英特爾處理器從釬焊到硅脂再到釬焊導熱的旅程

為了更好的散熱,處理器通常都是釬焊導熱的,AMD哪怕是在比較低端的CPU及APU上都在堅持釬焊導熱,英特爾之前也是如此,一直堅持到Sandy Bridge架構的酷睿i7-2600K這一代上,但是從2012年的22nm工藝的Ivy Bridge處理器,也就是酷睿i7-3770K處理器開始,英特爾開始“墮落了”,放棄釬焊開始使用硅脂,先是在主流處理器上這樣做,接著發燒級平臺的Core X系列處理器也遭到了黑手,然后Xeon處理器也一樣開始用硅脂,直到九代酷睿處理器重新使用釬焊,前后歷時六年時間。


酷睿i7-3770K開蓋,開始用硅脂了(圖片來源


這是硅脂導熱的8代酷睿處理器


開蓋后的酷睿i9-9900K處理器(圖片來源

這個過程沒什么可說的了,老玩家應該多少了解一些,過去六年中DIY玩家提到這個問題就滿臉的不滿,一是因為從焊料到硅脂,兩種材質的導熱系數可是天淵之別,硅脂典型的導熱系數是2W/m·K,焊料因為還有多種金屬元素,導熱系數要高得多,不同成分下50-80W/m·K的導熱系數都是有的。

不管怎么算,從釬焊到硅脂都是導熱能力的極大下降,理論上導熱效率損失90%都是可能的,而且硅脂的成本更低,工藝也更簡單,所以很多人把英特爾這次改變視為奸商摳門之舉,剛好2012年的時候AMD的處推土機處理器已經失利,英特爾沒有競爭壓力了,所以這個說法是最流行的。

千古之謎:英特爾為何冒大不韙用硅脂?

在放棄釬焊換用硅脂的六年中,英特爾官方對這種轉變一直沒有公開解釋,在一些玩家看來,被罵了6年也不敢解釋更坐實了英特爾是為了省錢才換的說法——不怪人民群眾喜歡陰謀論,從釬焊到硅脂確實可以節省成本,就算減少1美元的成本吧,英特爾一年出貨量的處理器數量在2.5億左右,算下來也要2-3億美元,雖然相對每年一百多億美元的凈利來說不值一哂,但蚊子肉也是肉啊。

上面這個解釋合情,但我個人并不認同這種猜測,省了錢是英特爾改用硅脂導熱的結果,但不是英特爾這么做的原因,這事應該不是從商業角度考慮的,而是背后有技術原因。

當年酷睿i7-3770K開蓋事件頻發時,還有一個解釋聽上去更合理——英特爾改用硅脂導熱的節點是22nm的IVB處理器,相比32nm的酷睿i7-2600K,酷睿i7-3770K的核心面積在更先進的工藝下從216mm2直降到160mm2(4核+GT2核顯級別),之后的4代、5代、6代及7代酷睿處理器的核心面積越來越小,酷睿i7-6700K只有122mm2,而釬焊過程中核心越小,工藝難度越大,所以英特爾開始改用硅脂導熱了。


非洲的沖突有可能影響處理器的釬焊,這又是蝴蝶效應的一個例子(圖片來源

除了這個原因之外,還有一種說法與環保有關,歐盟2006年開始全面推行RoHS標準,禁用了有污染的含鉛工藝,英特爾在2007年就表態45nm及之后的處理器已經是無鉛工藝了。此外,英特爾之前也開展了無沖突礦產行動(沖突礦產百科),2009年首次對合作伙伴的冶煉廠進行審查,涉及金、鎢、錫、鉭四種礦產,而金、錫金屬正是釬焊中的重要材料。

從英特爾發布的無沖突礦產報告來看,他們加入并完成這個承諾的時間段正好是在2012年前后,受此影響而在IVB處理器那一代棄用金屬焊料工藝也是有可能的。

當然,這樣的話又不能解釋為什么九代酷睿處理器又能用釬焊工藝了,除非這兩年英特爾搞定了無沖突礦產行動中受影響的供應鏈。

總之,在這個問題上英特爾官方多年來一直不肯公布他們改變釬焊工藝的原因,省錢或者環保等方面的解釋不能完全解釋這個問題,根源可能還是技術上的。

對于釬焊材料,大家所關注的主要是導熱系數,但是“釬焊料的可焊性、 熔點、 強度及楊氏模量、熱膨脹系數、 熱疲勞、 蠕變及抗蠕變性能等均可影響釬焊連接的質量。”,對英特爾來說,導熱性能也很重要,但肯定不是唯一重要的。

至于現在為什么又把釬焊工藝帶回來,英特爾同樣沒有什么解釋,當然秋季發布會上會大談特談釬焊工藝的好處——提高了散熱效率,允許更高的散熱空間,處理器可以運行在更高頻率上。一個簡單的例子就是英特爾在酷睿i9-9900K的PL2功耗上大幅放寬到了210W,遠高于其他處理器通行的1.25倍TDP功耗的做法,限制放寬到了TDP功耗的兩倍多。

從八代酷睿的情況來看,英特爾也有必要改進處理器的散熱,因為6核12線程的酷睿i7-8700K處理器就夠熱了,小型的散熱器已經壓不住了,不超頻的話核心溫度也能輕松跑到90°C以上,而九代酷睿又是8核16線程又是5GHz頻率,不敢想象要還是繼續硅脂導熱,那發熱得是什么樣。

有了釬焊,九代酷睿還需要開蓋嗎?

從釬焊到硅脂再回到釬焊,九代酷睿處理器的散熱性能肯定會變好了,但很多玩家還是關心它是否應該開核。我們之前的首發評測中,酷睿i9-9900K搭配240水冷的時候FPU拷機溫度都有72.6°C,比酷睿i7-8700K高出了13°C左右,如果是風冷散熱器,那么酷睿i9-9900K的溫度恐怕也是控制不住的。

開蓋這事從酷睿i7-3770K處理器換用硅脂之后,每年發新一代處理器都會折騰一波,歷代硅脂處理器在不同網站、不同玩家的測試中溫度下降幅度也不等,有的降溫效果能達到15°C以上,非常明顯,不過也有很多測試顯示出開蓋之后降溫效果不那么明顯。

至于酷睿i9-9900K處理器,超頻玩家Der8auer之前做過開蓋測試,開蓋后4.8GHz的負載溫度可以從93°C降至84°C,如下所示:

9°C的溫差還是挺多的,不過開蓋之后的酷睿i9-9900K溫度依然不算低,再考慮到開蓋的風險及難度(釬焊之后開蓋難度增加,對玩家的動手能力要求高了),個人是不建議大家再玩開蓋了,土豪玩家可以考慮馬云家的開蓋服務,或者一步到位選擇開蓋并且測試好的處理器,一般玩家還是換個水冷散熱器吧,240冷排即可,360冷排更好。

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  • 游客  11-05 16:07

    節省成本不是最主要的目的,而是為了逼迫你兩三年換一次CPU,多收割幾次智商稅。硅脂U使用時間越長散熱越差,再加上有功耗墻的限制,溫度上來了CPU直接降頻,這就直接體現為性能下降,電腦卡卡的,這和蘋果公司限制手機CPU頻率目的如出一轍,就是逼迫你換新,在壟斷市場又封閉的公司中這種把戲屢見不鮮。

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    28#

  • 游客  11-03 09:50

    扣門省錢,還能折損CPU壽命,不用這種手段,intel還怎么逼著你們換新。。

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    27#

  • 游客  11-03 08:20

    游客:

    低端U用硅脂理解,旗艦高端還硅脂,不是利潤是為了什么,2-3的利潤增加很可觀了,
    11-02 11:08
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  • 我是游客啊 研究生 :

    一個釬焊的成本 幾美分?intel 能摳到這種程度。我是五體投地。我覺得intel應該直接賣散片。把包裝的錢也省了。
    11-02 12:15
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  • 憑欄聽雨聲 高中生 :

    釬焊材料并不貴,就是銦合金,但是焊接工藝也有成本,總的算下來給一個CPU上釬焊可能大概就只有幾美元,但是Intel一年賣幾億顆CPU,算下來這筆錢就相當客觀了,說不是為了節省成本根本不可能有人信的,同為四核的Ryzen3核心面積比Skylake的i7小10%(沒有集成核顯是一個重要原因),由此可以推斷同為6核或者同為8核的Ryzen核心面積應該也不會大于8700K和9900K,然而人家從一代Ryzen5開始就是釬焊,而核心面積更大的8700K卻還是硅脂,工藝難度大的說法根本站不住腳
    11-02 15:22
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  • 我是游客啊 研究生 :

    我真難想象 沒有amd intel 得把大家 欺負成什么樣子。 Intel依仗著高頻。為所欲為。喪心病狂!
    11-02 15:55 已有1次舉報
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  • 雖然英特爾不是什么好東西,但你這么說話就沒意思了,人家美國人集中物力財力精力研發的核心科技的東西,愛怎么賣怎么賣,愛賣什么價賣什么價,沒有逼你買啊

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    26#

  • 游客  11-02 20:35

    游客:

    開蓋換液金的風險都不提了。關鍵這玩意兒衰減大,我去淘寶咨詢,賣家說建議每年都開蓋換一次。。
    11-01 20:17
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  • Testarossa 博士 :

    奸商才說一年一次。五年夠你換代了。
    11-01 23:31
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  • 智商檢測啊,電子產品這玩意還聽淘寶客服的。他們只能幫你們查查物流進度、收獲退貨、開發票這種事情,再多了就開始胡扯了。有種叫做銷售話術,銷售話術紙上以外的東西他們一概不懂(甚至如果張紙上寫的某項不清楚,他們也沒法給你解釋清楚了)

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    25#

  • 超能康猩猩大學生 11-02 18:23

    游客:

    低端U用硅脂理解,旗艦高端還硅脂,不是利潤是為了什么,2-3的利潤增加很可觀了,
    11-02 11:08
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  • 我是游客啊 研究生 :

    一個釬焊的成本 幾美分?intel 能摳到這種程度。我是五體投地。我覺得intel應該直接賣散片。把包裝的錢也省了。
    11-02 12:15
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  • 憑欄聽雨聲 高中生 :

    釬焊材料并不貴,就是銦合金,但是焊接工藝也有成本,總的算下來給一個CPU上釬焊可能大概就只有幾美元,但是Intel一年賣幾億顆CPU,算下來這筆錢就相當客觀了,說不是為了節省成本根本不可能有人信的,同為四核的Ryzen3核心面積比Skylake的i7小10%(沒有集成核顯是一個重要原因),由此可以推斷同為6核或者同為8核的Ryzen核心面積應該也不會大于8700K和9900K,然而人家從一代Ryzen5開始就是釬焊,而核心面積更大的8700K卻還是硅脂,工藝難度大的說法根本站不住腳
    11-02 15:22
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  • ryzen系列用的都是一個die,R3R5R7都是用8核一層一層砍下來的,所以ryzen的成品率很高,幾乎沒有不能用的廢品

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    24#

  • 我是游客啊研究生 11-02 15:55

    游客:

    低端U用硅脂理解,旗艦高端還硅脂,不是利潤是為了什么,2-3的利潤增加很可觀了,
    11-02 11:08
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  • 我是游客啊 研究生 :

    一個釬焊的成本 幾美分?intel 能摳到這種程度。我是五體投地。我覺得intel應該直接賣散片。把包裝的錢也省了。
    11-02 12:15
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  • 憑欄聽雨聲 高中生 :

    釬焊材料并不貴,就是銦合金,但是焊接工藝也有成本,總的算下來給一個CPU上釬焊可能大概就只有幾美元,但是Intel一年賣幾億顆CPU,算下來這筆錢就相當客觀了,說不是為了節省成本根本不可能有人信的,同為四核的Ryzen3核心面積比Skylake的i7小10%(沒有集成核顯是一個重要原因),由此可以推斷同為6核或者同為8核的Ryzen核心面積應該也不會大于8700K和9900K,然而人家從一代Ryzen5開始就是釬焊,而核心面積更大的8700K卻還是硅脂,工藝難度大的說法根本站不住腳
    11-02 15:22
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    23#

  • 游客教授 11-02 15:40

    游客:

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    11-02 11:08
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    一個釬焊的成本 幾美分?intel 能摳到這種程度。我是五體投地。我覺得intel應該直接賣散片。把包裝的錢也省了。
    11-02 12:15
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  • 憑欄聽雨聲 高中生 :

    釬焊材料并不貴,就是銦合金,但是焊接工藝也有成本,總的算下來給一個CPU上釬焊可能大概就只有幾美元,但是Intel一年賣幾億顆CPU,算下來這筆錢就相當客觀了,說不是為了節省成本根本不可能有人信的,同為四核的Ryzen3核心面積比Skylake的i7小10%(沒有集成核顯是一個重要原因),由此可以推斷同為6核或者同為8核的Ryzen核心面積應該也不會大于8700K和9900K,然而人家從一代Ryzen5開始就是釬焊,而核心面積更大的8700K卻還是硅脂,工藝難度大的說法根本站不住腳
    11-02 15:22
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  • 我看是intel怕你們溫度好就使勁超頻提高返修率影響利潤,別以為U很好超頻自己的沒超壞就不算事情,下面一大堆不能超頻的賽揚奔騰壞得挺多的。

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    22#

  • 憑欄聽雨聲高中生 11-02 15:22

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    11-02 11:08
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    一個釬焊的成本 幾美分?intel 能摳到這種程度。我是五體投地。我覺得intel應該直接賣散片。把包裝的錢也省了。
    11-02 12:15
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  • 釬焊材料并不貴,就是銦合金,但是焊接工藝也有成本,總的算下來給一個CPU上釬焊可能大概就只有幾美元,但是Intel一年賣幾億顆CPU,算下來這筆錢就相當客觀了,說不是為了節省成本根本不可能有人信的,同為四核的Ryzen3核心面積比Skylake的i7小10%(沒有集成核顯是一個重要原因),由此可以推斷同為6核或者同為8核的Ryzen核心面積應該也不會大于8700K和9900K,然而人家從一代Ryzen5開始就是釬焊,而核心面積更大的8700K卻還是硅脂,工藝難度大的說法根本站不住腳

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    21#

  • cideady等待驗證會員 11-02 15:18

    核心面積變小所以不能用釬焊,這可以解釋主流平臺,但是你高端發燒平臺還是牙膏這又怎么洗?7980XE這種上萬的U還是塞牙膏,這就說不過去了吧,難道這U面積比2600K還小?

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    20#

  • zzj19870715研究生 11-02 14:38

    小孟你別給intel找理由了。為啥9900K上又用了釬焊了?這個理由根本就說不通。什么核心越小釬焊工藝就越大?這根本就講不通。說白了intel因為沒有競爭,就是可以肆無忌憚地省錢。雖然說省了釬焊一顆處理器省不了幾個錢,但是數量多了也不少。你看當初大眾為啥把個防撞鋼梁給省掉?防撞鋼梁的成本放在整車里面根本不值一提。但是大眾的銷量太高了,整體算下來還是能省很多錢。intel和大眾一樣都是靠賣信仰,反正再坑也有大把的信仰粉買賬,根本就不愁賣。

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    19#

  • YY高手博士 11-02 13:36

    神奇了,我昨晚做夢夢到我拆散熱器,把CPU的保護殼給一并拆下來了,然后定睛一看,發現竟然是釬焊的U,就是記不起來夢里那顆U是啥型號了

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    18#

  • 我是游客啊研究生 11-02 12:15

    游客:

    低端U用硅脂理解,旗艦高端還硅脂,不是利潤是為了什么,2-3的利潤增加很可觀了,
    11-02 11:08
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  • 一個釬焊的成本 幾美分?intel 能摳到這種程度。我是五體投地。我覺得intel應該直接賣散片。把包裝的錢也省了。

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    17#

  • 仙德法歌大學生 11-02 12:01

    這個就是現在的PC玩家杯葛了六年多的硅脂(Thermal Paste)vs釬焊(solder)事件的沖突核心。






    杯葛了???

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    16#

  • 游客  11-02 11:08

    低端U用硅脂理解,旗艦高端還硅脂,不是利潤是為了什么,2-3的利潤增加很可觀了,

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    15#

  • 游客  11-02 10:44

    開蓋有獎,再買一塊

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    14#

  • 游客  11-02 10:19

    Intel可能要使用鉛焊 9代u焊料省錢

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    13#

  • 游客  11-02 09:24

    不建議買intel 的 cpu 開蓋沒保修。這是多么深的套路啊。純屬有病。

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    12#

  • fl23fei研究生 11-02 09:20

    黑人牙膏~

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    11#

  • lzf19750908博士 11-02 08:46

    個人沒辦法相信核心越小釬焊越難的說法

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    10#

  • heqi博士 11-02 08:45

    “。不光是擠牙膏,有時候大家還調侃英特爾牙膏擠多了又給縮回去了”

    大家都應該試過,刷牙的時候不小心擠牙膏擠多了,會想辦法把牙膏吸回牙膏管里面吧

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    8#

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