PCBye: 研究者はマザーボードを捨てたいと考えている

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究者たちは、想像を絶する試みに挑戦している。マザーボードを廃止するという。IEEE Spectrum誌に最近掲載された記事の中で、研究者たちは、この技術的マザーボード廃止によって、マザーボードの代わりに使用できる新しいシリコンインターコネクトファブリックの登場で、現在使用されているプリント基板（PCB）に制約されない、より強力なシステムの開発が可能になると述べた。

私たちの研究によると、プリント基板は、そこに取り付けられているチップと同じ材料、つまりシリコンで置き換えられる可能性がある。この技術は、ウェアラブル端末やその他のサイズ制限のあるガジェット向けのシステムの小型軽量化につながるだけでなく、数十台分のサーバーに相当する計算能力をディナープレートほどの大きさのシリコンウエハーに詰め込んだ、驚くほど強力な高性能コンピュータの実現にもつながるだろう。

グプタ氏とアイヤー氏はまた、シリコンインターコネクトファブリックにより、チップメーカーは「現在スマートフォンからスーパーコンピュータまであらゆるものを動かしている（比較的）大きく、複雑で、製造が難しいシステムオンチップ」への依存から脱却できると述べた。代わりに、ファブリック上で「より小型で、設計が簡単で、製造が容易なチップレットの集合体を緊密に相互接続」できるようになるという。

SoCではなくチップレットを利用するというアイデアは目新しいものではないと研究者らは指摘する。Intel、Nvidia、その他の半導体企業も同様のコンセプトを研究してきた。しかし研究者らは、これらの企業が検討している新しいパッケージング技術の先を行くシリコンインターコネクトファブリックを開発し、PCBの根本的な問題、すなわち柔軟性、はんだ付けへの依存、そしてサイズを克服したいと考えている。

では、これらの問題にどう対処するのでしょうか？まず、「比較的厚い（500µm～1mm）シリコンウエハー」に「プロセッサ、メモリダイ、アナログおよびRFチップレット、電圧レギュレータモジュール、さらにはインダクタやコンデンサなどの受動部品を直接接合できる」という点から始まります。これにより、「シリコン基板上にマイクロメートル単位の銅ピラーを形成」し、はんだバンプを置き換えることも可能になります。

これらの変更により、「はんだ付けよりもはるかに信頼性の高い銅同士の接合が実現し、使用する材料も少なくなる」と研究者らは述べている。しかし、おそらくもっと重要なのは、「チップのI/Oポートの間隔が500µmではなく10µmにまで狭くなる」ため、「パッケージをスペーストランスフォーマーとして使うことなく、シリコンダイに2,500倍ものI/Oポートを詰め込むことができる」ということだ。

シリコンは、現在PCBに使用されているFR-4材料よりも優れた熱伝導性を持つと研究者らは述べています。シリコンインターコネクトファブリックの両側に2つのヒートシンクを配置することで、最大70%の放熱効果が得られます。放熱効果が向上するということは、部品の性能が向上し、人為的に制限する必要がなくなることを意味します。そうでなければ、部品は過熱して安全に動作しなくなってしまうからです。

グプタ氏とアイヤー氏は、シリコンインターコネクトファブリックが現実世界のシステムのサイズにどのような影響を与えるかを研究しました。その結果、以下のことがわかりました。

サーバー設計に関するある調査では、Si-IFベースのパッケージレスプロセッサを使用することで、接続性の向上と放熱性の向上により、従来型プロセッサの2倍の性能を実現できることが分かりました。さらに、シリコン製の「回路基板」（適切な言葉が見つからないため）のサイズを1,000cm²から400cm²に縮小できます。システムをこれほど小型化することは、データセンターの設置面積と必要な冷却インフラの量に大きな影響を与えます。もう一つの極端な例として、Armマイクロコントローラをベースとした小型のIoTシステムを検討しました。ここでSi-IFを使用することで、基板のサイズが70%縮小されるだけでなく、重量も20グラムから8グラムに軽減されます。

これらは現在のフォームファクターによって得られるメリットに過ぎません。研究者たちは、シリコンインターコネクトファブリックによって「システム設計者は、これまでは不可能、あるいは少なくとも極めて非実用的だったコンピューターも開発できるようになるはずだ」と考えています。もちろん、これはこの技術の開発が継続されることを前提としています。彼らは現在、その可能性に取り組んでいるだけで、実用化を約束しているわけではありません。

ナサニエル・モットは、Tom's Hardware US のフリーランスのニュースおよび特集記事ライターであり、最新ニュース、セキュリティ、テクノロジー業界の最も面白い側面などを扱っています。