超高速CPUをもっと効率的に冷却したいと思ったことはありませんか？Microsoftとジョージア大学電気・コンピュータ工学部の研究者チームが、この問題を解決しました。Intelの人気CPU Core i7-8700K（6コア、12スレッドのCoffee Lake）にマイクロ流体ヒートシンクを独自に開発し、さらにオーバークロックも実現しました。その結果は？ 標準の95W TDP CPUから、室温の水のみを使用して最大215Wの電力を冷却することに成功しました。従来のヒートシンク冷却設計（水冷式）と比較して、熱抵抗は驚異の44.5%も低減しました。
Core i7-8700Kは、ここしばらく当社のゲーミング向けCPUランキングのトップには入っていませんが、Intelが4コア以上のCPUにHEDT（ヒートシンク）を要求していた時代から、より競争力のあるメインストリームプラットフォームへと移行したことを示す好例です。さらに重要なのは、149mm²という小さなダイ面積で215Wもの電力を消費するため、非常に高い熱密度を誇ります。一方、Core i9-12900Kはダイ面積が215mm²で、TDPは125W、PL1/PL2定格は241Wです。同等の電力を供給しながら小型チップを狙うとなると、より厳しい冷却条件が必要になります。
マイクロ流体冷却は、チップの設計に組み込まれた（あるいはこの場合は追加された）マイクロチャネルに由来しています。チップのトランジスタ（通常はアクティブ回路の背面）から隔離されたこれらのチャネルを水が通過することで、従来のヒートスプレッダーを用いた方法よりもはるかに効果的にトランジスタを冷却します。熱はトランジスタから熱伝導性材料（TIM、金属ベースの場合もあります）を伝わり、CPUのヒートシンクを通過して上方に流れます。その後、空冷式または水冷式のクーラーの接触プレートを加熱することで、CPUから熱が除去されます。
研究者らのマイクロ流体冷却設計は、市販のCPUに応用できたことで注目を集めています。そのために、彼らはCPUのヒートスプレッダーとTIMを取り除き、特別に設計されたシリコンキャリアウエハに移植しました。そして、最上層のシリコン層（外界と下にあるアクティブトランジスタとの間の最後の境界）にマイクロフィンを直接エッチングしました。次に、チップとキャリアウエハをマザーボードに挿入し、マイクロフィン付きCPUの上に、水自体の入口と出口がエッチングされた別のシリコン層を追加しました。最後に、この最後の層の上に水冷供給マニホールドを3Dプリントしました。
研究者たちはCPUをテストする必要がありましたが、標準周波数だけでテストするべきではありませんでした。マイクロ流体実装の優れた冷却能力を考えると、標準周波数では負荷が低すぎるからです。残りのテストセットアップはごく一般的なもので、HWInfoを使用して温度と負荷を分析し、CPUを標準状態とオーバークロック状態の両方で、人気のCinebench R20とPrime95のワークロードで動作させました。
これらのワークロードにおいて、研究者たちはCinebench R20で最大5.2GHz、Prime95で最大4.5GHzという安定した動作周波数を達成しました。これは、8700Kの定格ベースクロック3.7GHzと比較して、それぞれ40%と21%の向上です。ただし、8700Kは通常、全コアで4.3GHz程度で動作し、液冷システムを使用して4.8～5.0GHzまでオーバークロックします。ちなみに、研究者たちがパートタイムのプロのオーバークロッカーである可能性は極めて低いでしょう。
研究者らは、マイクロ流体チャンバーに入る水の温度（入口温度）を変えて、マイクロ流体の冷却能力をテストしました。その結果、6℃、21℃、34℃、42℃の全てのテスト温度において優れた冷却能力を示しました。これは、このシステムが周囲温度が高い場所でも動作温度を大幅に改善して実装可能であることを意味します。
従来の冷却方法はこれまで有効でしたが、放熱限界に近づいてきています。チップ製造の高密度化に伴い、CPUもGPUもますます多くの電力を必要としています。ますます小型化されたダイからより高い性能を引き出そうとするあまり、市販されている最高の冷却ソリューションを用いても、トランジスタが過熱し、自己発熱してしまうリスクがあります。
研究者らは、サーバーのCPUとGPUの消費電力は2030年まで年間7%の割合で増加し、ソケットTDPは2030年代に400Wに達すると予測していると指摘している。ただし、Nvidia H100が既に最大700Wを消費していることを考えると、この予測は控えめすぎるかもしれない。
真の3Dチップ設計については、もはや言及するまでもありません。これはトランジスタを積み重ねることでダイ面積を増やしつつ、高密度に配置させることで、さらなる性能向上と省電力化を実現しています。AMDの最新CPU、5800X 3XDがオーバークロック固定で出荷されたのには理由があります。放熱の問題は、AMDがかつて3D V-Cacheを搭載した12コアの5900X相当のCPUを発売しなかった理由の一つであることは間違いありません。当時、AMDはそのようなCPUを宣伝していたにもかかわらずです。比較的低消費電力のキャッシュだけでなく、コア数の増加にも対応するには、こうしたマイクロ流体冷却方式が不可欠となるのは間違いありません。
TSMCは、これらの冷却システムを自社の製造設備に直接統合することを目指して調査を進めています。将来的には、マイクロ流体チャンバーを備えた市販のCPUが登場し、チップ自体に組み込まれた吸排気バルブに液体冷却ループを接続するだけで済むようになるかもしれません。
研究者らの研究結果は業界の動向と合致しており、よりスケーラブルで効率的な冷却ソリューションの実現を示唆しています。このようなシステムが最終的に実装されれば（そして、それは「いつか」の問題であり、「実現するかどうか」の問題ではないと考えています）、より高い電力レベルとより効率的なコンピューティングシステムを実現できると同時に、動作温度を下げることで環境への影響を最小限に抑えることができます。これはエネルギー効率の向上という波及効果をもたらすでしょう。
これらの直接冷却システムには、もう一つ利点があります。それは、チップの設置面積を小さくするために、立方メートル単位の空間全体を冷却することに重点を置く傾向がある部屋規模 (またはデータセンター規模) の空冷ソリューションよりもはるかに効率的であるということです。
私たちは、これらのチップを手に取れる日を心待ちにしています。科学のために。
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Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。
