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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
[email protected]
http://kan.engjm.saitama-u.ac.jp/hasegawa/
Tel&Fax:048-858-3757
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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
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
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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)
ファン
140mm
90mm
150mm
OSでCPU温
度を管理し、
必要に応じ
て回転数を
上げる
その一方、CPU一つあたりの大きさは
118mm2（厚さほぼ50μm）
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
約10mm角
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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
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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
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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
FAN
ヒートシンク
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
ペルチェ素子
MPU(PowerPC,Pentium)
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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
FAN
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
ヒートシンク
Si基板
CPU回路
CPU
System on Chip
絶縁膜
薄膜状ペルチェ（熱電）材料
CPUパッケージ
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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