例えば半導体を空冷する場合、熱は一般的に、

半導体
　↓
TIM
　↓
ヒートシンク
　↓
空気　という経路を通る。

 

半導体から発生した熱をTIMでヒートシンクへ伝える。

ヒートシンクで熱を広げる。

そして、ヒートシンクの表面から空気へ熱を渡す。

ファンは、温まった空気を外へ送り、新しい空気へ入れ替える。

つまり空冷とは、熱を空気に乗せて外へ運ぶ技術である。

空気へ多くの熱を渡すためには、空気と接触する面積を大きくする必要がある。

そこでヒートシンクには、多数のフィンが設けられる。

フィンによって表面積を増やし、そこへファンで空気を流す。

基本的には、

・熱を広げる

・表面積を増やす

・空気を流す

ことで冷却能力を高める。

非常に合理的な方法である。

しかし、高発熱化すると、この方法にも限界が見えてくる。

空冷能力を高める代表的な方法は、風量を増やすことである。

ファンの回転数を上げる。

大きなファンを使う。

ファンの数を増やす。

これによって、ヒートシンク周辺の温かい空気を速く排出できる。

しかし同時に、

・消費電力が増える

・騒音が大きくなる

・振動が増える

・ファンを置く場所が必要になる

・故障部品が増える　　という問題も起こる。

つまり空冷では、冷却性能を高めるほど、別の負担が増えていく。

空気へ熱を渡す面積を増やすために、ヒートシンクを大きくすることもできる。

しかし、

・スマートフォン

・ウェアラブル機器

・ロボット

・高密度サーバー

 

では、冷却部品だけのために大きな空間を確保することは難しい。

ヒートシンクを大きくすると、

・製品が大きくなる

・重くなる

・他の部品を置けなくなる

・空気流路にも影響する

という問題が出る。

つまり、製品は小さくしたいのに、

熱対策には大きな面積が欲しいという矛盾が生まれる。

空冷の難しさを考えるとき、単純な発熱量だけでは十分ではない。

重要なのが、発熱密度である。

同じ100Wの発熱でも、大きな面積から発生する場合と、小さな半導体チップから発生する場合では難しさが違う。

小さな面積へ発熱が集中すると、局所温度は上がりやすい。

AI半導体では、

・高性能化

・微細化

・高密度実装

・HBMなどとの近接配置　が進んでいる。

つまり、

小さな場所から、より多くの熱が出る

方向へ進んでいる。

この変化が、空冷を難しくしている。

ここは重要である。

半導体が高温だからといって、必ずしもファン能力が不足しているとは限らない。

熱は、

半導体
　↓
TIM
　↓
ヒートシンク
　↓
空気

と移動する。

例えばTIMに、

・気泡

・浮き

・厚み過多

・接触不足

があれば、半導体からヒートシンクへ熱を十分に渡せない。

この場合、

ファンを強くしても、チップ温度が十分に下がらない

ことがある。

ヒートシンクから先ではなく、

その手前に熱のボトルネックがあるためである。

空冷性能を考えるときも、

熱源から空気までの熱経路全体

を見る必要がある。

空冷には、空気が流れる空間が必要である。

しかし電子機器が高密度になると、

・基板

・コネクター

・ケーブル

・電源部品

・メモリ

・冷却部品

が増え、空気の通路が狭くなる。

空気は必ずしも冷やしたい場所へ流れてくれるわけではない。

抵抗の少ない場所へ逃げる。

一部に滞留する。

温かい空気を再び吸い込む。

こうした現象が起こる。

つまり高密度化では、電子部品を配置する設計と同時に、

空気を通す設計も必要になる。

AIサーバーでは、サーバー内部から出た熱を空気へ渡せば終わりではない。

その熱を最終的には建物の外へ捨てる必要がある。

熱は、

半導体
　↓
ヒートシンク
　↓
サーバー内部
　↓
ラック
　↓
サーバールーム
　↓
空調設備
　↓
屋外

まで移動する。

ラック当たりの発熱量が増えれば、必要な空気量も増える。

すると、

・ファン

・空調

・ダクト

・冷気・暖気の分離

・建物設備　まで大型化する。

つまりAIデータセンターの熱問題は、

チップの冷却問題から、建物全体の熱処理問題へ広がっていく。

AIサーバーでは、演算そのものに大量の電力を使う。

そして、その結果として発生した熱を取り除くためにも電力を使う。

ファンを回す。

空調を動かす。

室内の空気を循環させる。

つまり、

電力を使う
　↓
熱が発生する
　↓
その熱を捨てるために、さらに電力を使う

という構造になる。

高発熱化が進むほど、

冷却効率そのものがシステムの性能

になっていく。

「何Wを超えれば空冷では無理なのか」という疑問がある。

しかし、単純に一つの数値で決めることは難しい。

空冷能力は、

・発熱面積

・発熱密度

・周囲温度

・ヒートシンク

・TIM

・風量

・製品サイズ

・許容騒音

・使用環境　によって変わる。

同じ発熱量でも、広い面積へ熱を広げられれば空冷できる場合がある。

逆に、小さな場所へ熱が集中していれば、比較的小さな発熱量でも難しくなる。

つまり、

空冷限界は発熱量だけではなく、製品全体の条件で決まる。

空冷能力を上げようと思えば、

・ファンを強くする

・ファンを増やす

・ヒートシンクを大きくする

・流路を広げる

・空調能力を上げる　ことができる。

しかし、その結果、

・電力

・騒音

・重量

・空間

・コスト

・保守負担　が増える。

だから空冷の限界とは、ある瞬間に突然冷えなくなることではない。

空冷を維持するための代償が大きくなりすぎることなのである。

ここが、液冷などの次世代冷却技術を検討する分岐点になる。

次世代冷却が進んでも、空冷がなくなるわけではない。

例えば、

高発熱のGPUだけ液冷する。

その他の部品は空冷する。

液体で熱を運び、最後は空気へ放熱する。

このような組み合わせもある。

つまり、空冷か液冷かという二択ではない。

必要な場所に、必要な冷却方法を使う。

これからは、熱源ごとに最適な熱経路を選ぶ時代になっていく。

物理的には、より大きなヒートシンクと強いファンを使えば冷却能力を高められる場合がある。

しかし製品には、

・サイズ

・重量

・騒音

・電力

・コスト

・防水

・保守性

という制約がある。

したがって、冷却できることと、製品として成立することは同じではない。

空冷の限界は、熱性能だけではなく、製品全体の要求とのバランスで決まる。

冷却不足が起きた場合、

「風量を増やそう」

と考えたくなる。

しかし原因が、

・TIMの浮き

・接触不足

・ヒートシンクの取り付け不良

・空気流路の詰まり

・排気の再吸入　　であれば、ファンを強くしても根本解決にはならない。

熱問題では、どこで熱が止まっているのかを探すことが重要である。

OTISは、ファンやヒートシンクを設計する会社ではない。

しかし空冷でも、熱を空気へ渡す前に、

発熱体から冷却部材へ熱を正しく届ける

必要がある。

その間には、

・TIM

・放熱シート

・グラファイト

・金属箔

・絶縁フィルム

・粘着材　などが使われる。

これらの部材に、

・浮き

・気泡

・バリ

・厚みばらつき

・位置ズレ

があれば、ヒートシンクやファンの性能を十分に活かせない。

つまりOTISが貢献できるのは、

空冷装置そのものではなく、熱源と冷却部材の間の界面

である。

OTISでは、

・TIM加工

・放熱シート加工

・グラファイト加工

・銅箔・アルミ箔加工

・絶縁フィルム加工

・粘着材加工

・高精度ラミネート

・微細打ち抜き加工

・リール供給・自動貼付対応

などを通じて、熱源から冷却部材までの熱経路を量産可能な部材へ加工することに貢献できる。

OTISは、

・ファン設計

・ヒートシンク設計

・データセンター空調設計

・CFD専業解析

・冷却装置全体の設計　を専門とする会社ではない。

必要に応じて、材料メーカー、冷却装置メーカー、顧客と連携する領域である。

★★★★★ AIサーバー・データセンター

★★★★★ 半導体・先端パッケージ

★★★★☆ 通信機器

★★★★☆ ロボット・自動化機器

★★★★☆ 車載電子機器

★★★★☆ 産業機器

空冷の限界とは、空気で冷やせなくなることではない

空冷は、今後も重要な冷却技術である。

しかしAI半導体や高密度電子機器では、

・発熱量が増える

・発熱密度が上がる

・製品内部の空間が減る

方向へ進んでいる。

それに対して空冷能力を高めようとすると、

・より大きなヒートシンク

・より大きな風量

・より多くの電力

・より大きな空間　が必要になる。

 

だから空冷の限界とは、

「空気では冷えない」という限界ではない。

「空気だけで冷やすための代償が大きくなりすぎる」という限界　なのである。

そしてこの限界へ近づくほど、冷却技術は、

熱源のより近くで熱を回収する方向　へ進んでいく。

液冷。

ベイパーチャンバー。

3D実装向け冷却。

次世代冷却技術は、空冷を否定するものではない。

空冷だけでは難しくなった部分を補うための進化なのである。

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません