研究者がクールなスーパーコンピューターの代替品を発見

熱は、ノートパソコン、スマートフォン、または類似のガジェットなど、あらゆるコンピューティング デバイスの動作において避けられない要素です。ゲームなどの負荷の高いタスクを長時間使用すると、この問題が悪化し、大量の熱が発生します。この熱の蓄積は、ユーザーに不便をもたらすだけでなく、パフォーマンスの低下から潜在的なハードウェア障害に至るまで、デバイスにさまざまなリスクをもたらします。

集積回路、抵抗器、コンデンサなど、電子デバイス内のすべての要素がこの熱出力に寄与し、最適な機能のためには理想的な動作温度を維持する必要があります。この最適な温度しきい値を超えると、個々のコンポーネントだけでなく、デバイス全体のパフォーマンスも危険にさらされます。

高性能コンピューティング システム (HPC) やスーパーコンピューターなどのより大規模で複雑なシステムでは、液体冷却剤と熱を放散するコールド プレートを使用した冷却が行われます。最近の研究では、インド工科大学ボンベイ校 (IIT ボンベイ) とプネーの電子技術材料センター (C-MET) の研究者チームが、コールド プレートの製造に従来使用されていた銅の効率的な代替品として、低温同時焼成セラミック (LTCC) の使用を提案しました。

液冷式デバイスでは、電荷のない脱イオン水などの液体冷媒がシステム内を循環し、余分な熱を除去します。コールドプレートは、回路部品の熱を冷媒液に移すヒートシンクのように使用されます。銅は低コストで熱伝導率が高いため、コールドプレートの製造に適した素材です。インド工科大学ボンベイ校機械工学部の学生でシニアプロジェクトアソシエイトであるパリクシット・バデ氏は、「銅製のコールドプレートは、その高い熱伝導率から、HPC の冷却に広く使用されています。ただし、銅には重量、腐食のしやすさ、複雑な設計の実装の難しさなど、いくつかの制限があります」と説明しています。バデ氏は、インド工科大学ボンベイ校のシャンカール・クリシュナン教授とミリンド・D・アトリー教授の指導の下で研究を行いました。

LTCC は、回路用セラミック基板の製造に使用される技術です。基板は、電気配線が印刷され、抵抗器、インダクタ、コンデンサなどの他のコンポーネントが取り付けられる材料です。PCB (プリント回路基板) は、日常生活の電子機器で最も使用されている基板です。LTCC 技術により、回路をコンパクトな 3 次元パッケージに収めることができるため、従来の PCB に比べて小型で効率的になります。「LTCC 基板は、自動車や防衛機器など、高温に耐えることが求められる電子機器で広く使用されています」と Badhe 氏は述べています。

この新しい研究では、マイクロ流体チャネル（液体が流れるマイクロメートルサイズの小さなチャネル）を LTCC パッケージ内に作成してコールドプレートを形成できることが実証されています。

これらのコールドプレートの熱テストでは、銅製のコールドプレートと同様に、スーパーコンピューターのマイクロプロセッサーチップを効果的に冷却し、温度を安全限界以下に抑えることができることが示されました。クリシュナン教授は、「この概念実証は、冷却ソリューションをチップパッケージに直接統合する道を開く画期的な発見です。基本的に、この研究は、LTCC 技術を使用してチップを製造した場合、同じパッケージにマイクロ流体チャネルを組み込むことができ、冷却剤がチップパッケージの奥深くまで浸透できるようにすることで、高温領域を局所的に冷却できるという概念を検証しています」と述べています。

しかし、LTCC には大きな課題があります。熱伝導率が銅の 100 分の 1 しかないため、冷却システムで重要な機能である熱伝導の効率が比較的低くなります。研究者は、LTCC 冷却プレートにサーマル ビアと呼ばれる金属で満たされた小さな穴を開けることで、このハードルを克服しました。CMET-Pune の Shany Joseph 博士が率いる研究チームは、研究室でこれらの冷却プレートを製造するのに尽力しました。

Badhe 氏は、「コールド プレートの最下層にサーマル ビアを戦略的に組み込むことで、コールド プレート内に埋め込まれたマイクロチャネルを介してチップから冷却剤への効率的な熱伝達を促進します」と述べています。サーマル ビアのおかげで、LTCC の熱伝導性が向上し、熱抵抗はなんと 43 パーセントも低下しました。LTCC コールド プレートを使用する際のもう 1 つの課題は、ひび割れや破損が発生しやすいことです。「LTCC はセラミック材料であるため、不均一な引張荷重を受けるとひび割れが発生しやすくなります。この問題に対処するために、コールド プレートを通電中のボードに完全に負荷をかけているときに、不均一なひび割れが発生することなくコールド プレートが無傷のままであることを保証するための新しいクランプ機構が開発されました」と Badhe 氏は付け加えました。

チームは、Intel® Xeon® Gold 6154 CPU 上で脱イオン水を冷却剤として LTCC コールド プレートの性能をテストし、銅製コールド プレートの性能と比較しました。また、液体が LTCC コールド プレートにどのように流入し、どのように流れるかを決定する、JI と MC と呼ばれる 2 つのフロー パターンもテストしました。「MC フロー配置では、冷却剤は片側の入口から入り、反対側の出口から出ます。JI フロー配置では、流体は中央の入口から入り、両側の 2 つの出口から出ます」と Badhe 氏は説明しました。MC 配置では冷却剤がコールド プレートの全長にわたって流れるのに対し、JI 配置ではホット スポットを局所的に冷却できます。

LTCC コールド プレートは、両方のフロー パターンでプロセッサのフル パワー時にプロセッサの温度を安全限度以下に抑えることに成功しました。

チームは、今後 LTCC コールド プレートの設計と機能をさらに改善することを検討しています。「現在、設計されたコールド プレートは 200 W プロセッサ範囲に合わせて調整されています。ただし、コールド プレートのベースに電気メッキを施して熱拡散を強化する可能性を調査することは可能です。これにより、コールド プレートはより高い熱入力に効果的に対応できるようになります」と、アトリー教授は研究の今後の方向性について述べています。

LTCC ベースの統合コールド プレート技術は、商業化に成功すれば、現在使用されている従来の冷却システムやチップ パッケージングに取って代わる可能性があります。