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» 2010年07月01日 00時00分 公開

ICパッケージに冷却器を組み込む局所冷却システムで電力コストを削減(3/3 ページ)

[Paul Magill (米Nextreme Thermal Solutions社),EDN]
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局所冷却システムで欠点を克服

 TECの利用法として、ここまでに紹介した方法よりもコストパフォーマンスが高く、効率的であり、さらにTECがなければ実現できないものが存在する。それは、本当に冷却する必要がある部分だけを冷却するという方法である。つまり、冷却システムを、熱問題のサイズに合わせて縮小するのだ。具体的には、能動的な冷却デバイスであるTECをICや電子部品と一体化し、局所的な冷却を行う。すなわち局所冷却システムである。

 本稿では、以下、ICを例にとって話を進めることにする。

 ICの場合、ダイの動作周波数をピークの状態で維持するために、ダイを冷却するということが一般的に行われている。しかし、動作周波数を維持する上で制約になっているのは、ダイ全体の温度ではなく、ダイの高温部分のうちのある個所だけである。そこで、ダイ全体から熱を排出する代わりに、局所冷却システムによって、その高温部分からのみ熱を排出するのだ。これによって、機器レベルで起こる熱の問題も小さくなる。ICの場合であれば、パッケージ内に極小の冷却システムを封止するという形態でこれを実現できる。

 TECの動作効率を向上させる秘訣とは、できる限りTECを熱源の近くに配置することである。熱伝達システムを追加で搭載することによって、それを搭載する目的とは相反する効果が発生することがある。そのため、熱伝達の問題の性質、TECデバイス/パッケージの設計には十分に注意を払わなければならない。

 これらのことを、できるならば製品設計および開発プロセスの初期の段階に解決すれば、性能を大幅に改善することができるだろう。

電力コストを大幅削減

 高い密度で電子部品/モジュールを詰め込んだ機器では、多大な熱が発生する。この熱によって機器内部で著しく温度が上昇し、結果としてデバイス/システムのレベルで故障が引き起こされる恐れがある。この問題に対する解決策は、これまでずっと、より大きな冷却ファンやヒートシンクを使用することにより、熱を電子部品/モジュールから機器の周辺環境へと移動させることであった。

 しかし、冷却ファンやヒートシンクの使用は、それらを搭載する装置ラックなど、ほかの部分(機器など)へと熱を分散しているにすぎず、その部分に対してもまたそれ独自の冷却システムが必要になってしまう。IT(情報技術)系の用途などでは、装置ラックからの熱は、システムルームやITデータセンター内へと放散していくことになる。そうした部屋や建物には、中にあるすべてのものの温度をできるだけ低く維持しておくために、高価な空調システムを導入する必要がある。

図3局所冷却を行った場合の電力コストの削減効果 図3 局所冷却を行った場合の電力コストの削減効果 ダイレベルからデータセンターレベルまでの電力コストについて、まったく熱対策を行わない場合(黒色の線)、冷却ファンや受動的な冷却システムを利用する既存の冷却システムを適用した場合(緑色の線)、TECを用いた局所冷却技術を適用した場合(青色の線)で示した。

 米国環境保護局は、2011年には米国内のデータセンターの消費電力量が1000億kW/h以上に到達し、その年間電力コストは少なくとも74億米ドル(約6788億円)になると予測している。米Emerson Network Power社の最近の調査によると、データセンターが消費する電力の50%は、サーバーから発生する熱に対処するための空調システムに使われているという。

 ここまでに述べたとおり、最も効率的な冷却システムは、発生する熱を管理する機能を熱源に組み込むことで、機器の性能に影響を及ぼす部分から発生する熱だけを除去し、その熱を制御された方法で次のレベルへと引き渡すというものである。

 図3は、このような局所冷却システムを導入することによって削減できる電力コストについて、ダイ単体からデータセンターまで、適用するレベルごとに比較した結果である。

発想の転換

 今日の電子機器は通常、冷却システムとして受動的なものだけを利用している。この方法では、熱をダイ全体から均一に除去することしかできない。しかし、熱を除去する目的は、ダイ上のピーク温度を低下させることによって、ダイの処理性能を改善することだ。ダイ上のピーク温度に関連する熱は、除去された熱全体のほんの一部分である。このように過度に熱を除去することが、機器レベル、そして最終的には、データセンターにおける空調システムのコスト比率が示すような、建物レベルの問題につながっている。

 ダイ、機器、そして建物レベルで熱に関する問題を解決するには、発想の転換が必要である。能動的に働く部品と受動的に働く部品を組み合わせた局所冷却システムをICパッケージの内部に搭載すれば、ダイ上の電力マップは平坦化し、機器レベルでの無駄を最小限にすることができる。このような選択的な冷却システムを導入することにより、機器レベルの問題は簡素化され、コスト削減も可能になるのだ。

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