自己冷却マイクロチップは解決策になるか？

より小型のマイクロチップへの需要が高まるにつれ、その需要に応えられるかどうかという課題は、主にチップが発生する熱を放散する能力に大きく左右される。しかし、チップに自己冷却素子を組み込むという解決策が現在試されている。

「この本質的な限界は、ムーアの法則の妨げとなっている。同法則は、計算需要と処理能力の増加に伴い、マイクロチップとトランジスタがますます小型化し続けると予測するものだ。この発熱の問題を克服できなければ、マイクロチップの小型化をさらに進めることはコンピューティングにとって課題となる」と、 Inverseのウェブサイトは指摘している。

スイスの研究者たちは、冷却システムをチップ自体に直接組み込む研究を進めている。Inverseは次のように述べている。「このアプローチにより、従来提案されてきた冷却モデルと比べて効率が桁違いに向上し、コンピューティングを新たなイノベーションの時代へと導く可能性がある」。

現在、放熱能力はハードウェア（半導体）とパッケージの間の熱抵抗によって根本的に制限されている。スイスの研究者たちは、冷却素子をチップに直接組み込めるチップの開発に取り組んでいる。彼らが「マイクロ流体・電子共同設計」と呼ぶこの手法により、熱の放散と管理を制御できるようになる可能性がある。

現在の冷却方式は大量の水を必要とする。1キロワット時のエネルギーを冷却するには2ガロンの水が必要となる。米国のデータセンターは730億キロワット時を消費すると予測されており、それだけでオリンピック規格のプール22万個分の水が必要になると、Inverseは説明している。

これまでの自己冷却チップの開発では、冷却素子を電子素子とは別に製造し、製造後に組み合わせるという方法が取られてきた。こうした方法にはコストや熱応力に関する課題があった。

「パワーエレクトロニクスとは、電力を別の形態に変換する固体電子デバイスであり、コンピューターからバッテリー充電器、エアコンからハイブリッド電気自動車、さらには人工衛星に至るまで、日常のあらゆる用途で使用されている。より効率的で小型のパワーエレクトロニクスへの需要の高まりにより、これらのデバイスの単位体積あたりに変換される電力量は大幅に増加した。これにより、デバイスの熱流束（単位面積あたりに発生する熱量）も増加している」と、 Nature Magazineは報告している。

「（このチームは）……冷却チャネルを1枚のダイ上でチップと一体的に統合・共同製造するシステムを開発することで、画期的な成果を上げた」と、同報告の著者であり機械工学者であるティウェイ・ウェイ（Tiwei Wei）氏は記している。「埋め込まれたチャネルはチップの活性領域のすぐ下に配置されており、冷却材が熱源の直下を通過する仕組みになっている」。

研究チームはまず、埋め込み型冷却システムを構築し、マイクロチップの基板に幅を広げた冷却材用チャネルを追加することから着手した。チャネルは銅で密閉され、他の電子部品はチップの上に直接組み立てられた。

研究チームは水を冷却材として使用し、交流（AC）電力を直流（DC）に変換する電子部品を設計し、埋め込み型冷却機構を持たない同種の部品と比較試験を行った。その結果、効率が大幅に向上していることが確認され、研究者たちはこのシステムの冷却能力が従来モデルの最大50倍に達する可能性があると考えている。

また、この製造手法は既存のシステムを利用しているため、すでに経済的に実現可能であると研究者たちは述べている。

ウェイ氏が挙げる留意点には、試験に使用した材料についてさまざまな環境下での長期試験が必要であること、また水を冷却材とすることが長期的に見て最適な解決策ではない可能性があることが含まれる

いくつかの留意点 — しかし、この設計は決して完璧というわけではないと、ウェイ氏は言う。ウェイ氏は報告書の中で、この設計に関するいくつかの構造上の懸念点を指摘している。具体的には、基板表面に使用されている材料と、製造時に冷却材用チャネルを接続するために使用される接着剤である。この両者について、例えばマイクロチップの一般的な製造工程に伴う温度環境など、さまざまな環境下での長期的な安定性と有効性が懸念されるという。

同様に、この方式においても水を冷却材とすることは長期的な解決策とはならない可能性がある。電子機器と水は通常相性が良くないためだ。「解決すべき課題はまだ残っているものの、（この）研究はパワーエレクトロニクス向けの低コストで超小型かつ省エネルギーな冷却システムに向けた 大きな一歩 だ」と、ウェイ氏は付け加えた。