サーマルペーストの比較、パート1：グリースの塗布方法など

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CPUの冷却について知っておきたいことすべて

私はこの時間のかかる熱伝導グリスのテストに半年以上取り組んできました。Caseking（ドイツのオンラインショップ）から提供されたグリスと、既にラボに在庫のあるグリスを徹底的に調べ上げてきました。このようなテストには多くの時間を要するだけでなく（何しろ40種類近くの製品が関係しています）、導き出した結論の妥当性を確認するには、一貫したテスト方法論が不可欠です。

製品数が多いため、記事を2部構成に分けました。第1部では、サーマルコンパウンドの理論と実際の使用方法について詳しく説明し、第2部では、すべてのベンチマーク結果とそれに対応するテストセットアップをご紹介します。 

パート1では、CPUの熱特性、表面の種類、様々なサーマルコンパウンドとその塗布方法、そして2種類の基本的なクーラー（液体クーラーと空冷クーラー）について解説します。また、取り付け圧力の違いによって生じる問題についても解説します。あるクーラーでは問題なく機能するサーマルペーストが、別のクーラーではうまく機能しない場合があります。そのため、AMDおよびIntel CPUのサーマルペーストを、水冷クーラー、取り付け圧力の高い高級空冷クーラー、そしてほとんどのプロセッサに付属している箱入りヒートシンクの代わりになる、より一般的なプッシュピン式のクーラーでテストする必要があります。

CPUに加えて、各ペーストのGPU冷却への適合性、粘度、使いやすさもテストしています。まずは基本から始めましょう。この原始的な粘液とは一体何なのでしょうか？

ヒートスプレッダー

CPUを半分に切ると、チップ（ダイ）自体がCPUパッケージよりもはるかに小さく、ダイがヒートスプレッダーに接触しているのはほんの一部であることに気づきます。ヒートスプレッダーの役割は、CPUダイの熱をより広い面積に分散させ、CPUクーラーのヒートシンクへと熱を逃がすことです。

この図は、あまり知られていない2つの事実を示しています。まず、CPUメーカーはダイとヒートスプレッダーの間の隙間を熱伝導材で埋めています。AMDは、かつてのIntelと同様に、何らかのはんだで隙間を埋めていましたが、現在Intelはサーマルコンパウンドのみを使用しています。サーマルコンパウンドは熱抵抗は高くなりますが、製造コストを数セント節約できる可能性があります。これが、Ivy Bridgeアーキテクチャ以降、オーバークロックされたIntel CPUの冷却が困難になった理由です。

ヒートスプレッダー、ホットスポット、そして悲惨な結果

図には、CPUダイとヒートスプレッダーのサイズの違いにより、ヒートスプレッダー上の一部の領域がダイの真上よりも低温になることも示されています。ダイの真上の領域は、下のダイから直接加熱されるため、ホットスポットと呼ばれます。下の2つの画像は、ホットスポットがどのようなものかを示したものですが、非常に簡略化されています。現実はそれほど単純ではありません。CPUコアの負荷は異なる場合があり、また、ダイ上のグラフィックスカードはプロセッシングコアよりもアクティブになる場合もあれば、そうでない場合もあります。ここでは、ダイ全体とその上のヒートスプレッダーを上から見た様子を見てみましょう。

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業界をリードする22nm製造技術を採用したIntel CPUは、AMD CPUよりもホットスポットが小さくなっています。ヒートシンクを選ぶ際には、この点を考慮する必要があります。結局のところ、何よりもまず、ホットスポットから熱を放散させる必要があるのです。

DHTクーラーのメリットとデメリット

露出した平面状のヒートパイプを備えたCPUクーラーは、最近の流行です。確かに製造コストを削減でき、マーケティング部門はこれをパフォーマンス向上機能として顧客に販売しています。しかし、この機械設計には欠点もあります。例えば、下の写真のXigmatek Achillesのように、4本のヒートパイプを備えたクーラーを考えてみましょう。一番外側のヒートパイプはホットスポットを完全にカバーしません。一番内側の2本のヒートパイプでさえ、Ivy BridgeベースのCPUの狭いホットスポットを部分的にしかカバーできません。さらに悪いことに、このクーラーは通常90度回転できません。

ヒートシンクを回転させることができれば、この状況は改善されるでしょう。AMD CPUは、ダイ面積が大きくCPUの向きも広いため、通常はそれほど影響を受けません。ほとんどの場合、すべてのヒートパイプが長方形のホットスポットを横切っています。DHTベースのクーラーをお探しの場合は、最新のIntel CPUに対応する5本のヒートパイプを搭載したものを検討し、ヒートパイプ間の隙間が大きい設計は避けてください。

中間評価

不適切なクーラーを選んだだけで、どんなに高価なコンパウンドを使っても取り戻せないほどの熱性能の低下を招いてしまう可能性があります。しかし、さらに悪い知らせがあります。ヒートスプレッダーとヒートシンクの間で何が起きているのか見てみましょう。