ベルギーのアントワープで開催された半導体研究大手imec主催のカンファレンス「ITF World」において、3Dプリント製プロセッサクーラーの一連の発表は、最も興味深いものの一つでした。これらの試作型ウォーターブロックは、CPUやGPUなどの高密度プロセッサの冷却能力を、現在主流のCPUクーラーに見られるソリューションと比較して最大3.5倍向上させ、電力密度の向上と最新チップの潜在能力の解放を実現します。この研究成果は、あらゆる種類のチップに対応する、革新的な水冷クーラーの開発につながる可能性があります。
プロセッサダイに直接液体を噴射するベアダイ冷却は、新型チップが発する過剰な熱に対処するための最も明白な手段の一つとして台頭しており、imecは、高密度プロセスノードの性能を最大限に引き出すための新技術でその道をリードしています。ノードの微細化に伴い消費電力が急増し、消費電力削減効果が薄れるため、ベアダイ冷却はチップ世代が進むごとにますます重要になっています。さらに、トランジスタの小型化によって電力密度が上昇し、冷却作業が複雑化し、最終的にはチップ性能が制限されることになります。
チップ設計者の究極の目標は、より小さなスペースでより多くの処理を実行することです。しかし、今日のチップは既に電力制約があり、チップが動作している間は、TDPと温度の制限内に収まるように「ダークシリコン」と呼ばれる領域がオフになっています。つまり、ほとんどのチップは通常動作時にその潜在能力の一部しか発揮していないということです。さらに、この問題はチップの世代が進むにつれて深刻化しています。AMDのEpyc Genoaのような最新のCPUは既に400Wで上限に達しており、ロードマップでは将来的には600Wのサーバーチップが予定されています。
標準的な水冷方式では、冷却プレートとチップ ヒートスプレッダーを組み合わせた自己完結型のウォーターブロックを使用してプロセッサを冷却しますが、それとは対照的に、下のアルバムに掲載されているプロトタイプの 3D プリント クーラーは、液体をむき出しのプロセッサ ダイ上に直接送り込み、冷却剤をプロセッサの表面に直接送り込むことで、冷却能力を向上させます。
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3Dプリントされたウォーターブロックはラピッドプロトタイピングを可能にし、imecは3Dプリントで使用される様々な種類の標準ポリマーを使用することで、ウォーターブロックが温度負荷に耐えられることを確認しています。これらの設計を最高クラスの3Dプリンターで印刷できるかどうかは不明です。
3D プリントされたウォーターブロックはさまざまな方法でカスタマイズでき、カスタム ノズル アレイ (画像で確認できます) は、個々のコアの真上や、ベクトル操作に使用されるチップの高発熱領域など、対象領域のチップ表面に液体を直接噴射して、冷却機能を向上させます。
ウォーターブロックは、最小限のスペースを占めるようカスタムフィットされており、現在はウォーターブロック周囲からの液体の浸出を防ぐためにOリングを使用しています。当然のことながら、imecはこれらのブロック向けに、複数の異なるタイプのシーリング機構と3Dプリント材料を実験しています。
これらの冷却器には、処理水や冷媒など、ほぼあらゆる誘電液体を使用できます。当然のことながら、液体は導電性ではありませんが、ベアダイの液体冷却では、コンデンサやPCB上のその他の電子回路など、チップ周辺の領域を密閉する必要があります。しかし、冷却剤をチップにできるだけ近づけるため、ダイの上部にはシーラントが一切ありません。研究者たちは、滑らかなダイ表面に液体を直接注入していますが、ダイの上部に細溝を追加するなどの他のアプローチによって、さらに高い冷却性能を実現できます。
シーラントは、急速な熱サイクルやシステム内で使用される様々な冷却剤との相互作用により、長期的な信頼性に課題をもたらします。しかしながら、imecは長期的な信頼性を確保するために、あらゆる材料の適切な組み合わせを見つけるべく、系統的に取り組んでいます。
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上記のアルバムには、研究者の実験の概要を示すスライドが複数含まれています。一般的に、1平方センチメートルあたり100Wを超える電力を冷却することは非常に困難であることが判明しており、1平方ミリメートルのシリコンに1Wの電力を分散させることで効果的な冷却が可能になるという経験則が生まれています。しかし、プロセスノードの微細化に伴い電力密度は急上昇しており、より高い性能を引き出すためには、高電力集中部からの放熱能力を高めることが不可欠です。
消費電力の増加は、チップの性能向上につながることが多いことを覚えておいてください（ただし、効率が低下する可能性があるという注意点もあります）。imecの研究者によると、1平方センチメートルあたり最大1,000W（1平方ミリメートルあたり100W）、さらには1平方ミリメートルあたり最大500Wの電力を冷却できるとのことですが、この冷却性能はチップ全体には適用できないため、一般的な性能を代表するものではありません。
一般的な用途において、これらのチップクーラーは1平方センチメートルあたり最大350W、つまり1平方ミリメートルあたり約3.5Wの冷却能力を実現できます。これは、現在一般的に見られる冷却能力の3.5倍に相当します。上のアルバムに示されているように、これによりチップ設計者は、1平方ミリメートルあたり4Wを超える冷却能力を実現するために必要となる単相および二相冷却ソリューションよりも、比較的保守的な方法で性能の限界を押し広げ続けることができます。
もちろん、これはこれらの冷却ソリューションの性能を単純化した見方であり、このアプローチの様々なメリットを適切に測定するには、温度差やその他の要因など、他の多くの変数を考慮する必要があります。しかし、一つ確かなことは、このアプローチは、ある程度のコスト増で冷却能力を高める最も簡単な方法の一つであるということです。TSMCの研究のように、チップ自体の内部にマイクロチャネルを設けて冷却剤を送り込むという手法は、明らかにはるかに特殊で、コストも高く、実現には程遠いものです。
Imec の取り組みはまだ研究段階にあり、研究者たちは大量生産可能な冷却ソリューションの作成を可能にする適切な材料、液体、設計の特定に取り組んでおり、この研究による最初の製品が市場に出るまでにおそらく 5 年はかかる見込みです。
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ポール・アルコーンはTom's Hardware USの編集長です。CPU、ストレージ、エンタープライズハードウェアに関するニュースやレビューも執筆しています。
