ＣＰＵ冷却用素子の開発 理工学研究科環境制御工学専攻 長谷川 靖洋 hasegawa@kan.env.gse.saitama-u.ac.jp 長谷川 靖洋 hasegawa@kan.env.gse.saitama-u.ac.jp http://kan.engjm.saitama-u.ac.jp/hasegawa/ Tel&Fax:048-858-3757
CPU冷却としての背景 その処理速度はMooreの 法則に従い進歩を見せている 現在、代表的なCPUのクロック周波数は約3GHz 2/8 世界最大の半導体メーカーIntel社の創設者の一人であるGordon Moore博士が1965年に経験則として提唱した、「半導体の集積密度は18〜24ヶ月で倍増する」という法則。 現在、代表的なCPUのクロック周波数は約3GHz
118mm2（厚さほぼ50μm） 熱除去をどうするか？ 実状その１ 2GHzのコンピュータの実状(130nm技術) 90mm 140mm 3/8 熱除去をどうするか？ 実状その１ 2GHzのコンピュータの実状(130nm技術) 90mm ファン 140mm ヒートシンク (アルミ製） CPUからの熱を熱伝導によって逃がす．ただし、非常に大きい 150mm OSでCPU温度を管理し、必要に応じて回転数を上げる 約10mm角 その一方、CPU一つあたりの大きさは 118mm2（厚さほぼ50μm）
熱除去をどうするか？ 実状その２ おおよその目安として、現在、発熱量は20〜30W/GHzとなる。 単位面積あたりの熱量， 4/8 熱除去をどうするか？ 実状その２ おおよその目安として、現在、発熱量は20〜30W/GHzとなる。 今後、集積化によって、CPUの面積が小さくなり、クロック周波数が上がり、発熱量が大きくなる 単位面積あたりの熱量， すなわち熱流束が大きくなる
熱除去をどうするか？ 実状その３ 目安 10000[kW/m2]:核融合 1000[kW/m2]:ロケットエンジン 5/8 熱除去をどうするか？ 実状その３ 熱流束の計算 クロック周波数2GHz，発熱量40W CPU断面積118mm2 つまり、40[W]÷118mm2 =0.339[W/mm2]=339[kW/m2] 目安 10000[kW/m2]:核融合 1000[kW/m2]:ロケットエンジン 100[kW/m2]:原子炉 シートシンクで除去できる熱流束の限界に来ている 事実、水冷パソコンも市販され始めた 将来、コンピュータ技術が進化し続けるためには、既に半導体技術の問題ではなく、熱除去がすべてを決めることになる
熱除去の方法 その１ ファンとヒートシンクを組み合わせた従来の方法に、ペルチェ素子を組み合わせた方式がとられる可能性が高い 問題点 6/8 熱除去の方法 その１ ファンとヒートシンクを組み合わせた従来の方法に、ペルチェ素子を組み合わせた方式がとられる可能性が高い 問題点 使用されるであろう材料が、バルクのBiTe系であるため、毒性の高いTeが廃棄されたときの社会的な責任がとれない 材料的な問題から、BiTe系のペルチェ素子の採用は困難
熱除去の方法 その２ バルクではなく、薄膜系のペルチェ素子を作製して、 CPUのホットスポットを局所的に冷却する方法を採用する 7/8 熱除去の方法 その２ バルクではなく、薄膜系のペルチェ素子を作製して、 CPUのホットスポットを局所的に冷却する方法を採用する 要求される材料 ・環境負荷が少ない ・化学的に安定 ・ゼーベック係数が大きい System on Chip
研究の方法 埼玉県産業技術総合センターに設置されているイオンプレーティング装置を用いて、酸化物系のペルチェ薄膜を作製し、性能を評価する 8/8 研究の方法 埼玉県産業技術総合センターに設置されているイオンプレーティング装置を用いて、酸化物系のペルチェ薄膜を作製し、性能を評価する