CPUの冷却装置

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一般的な空冷式CPUクーラー。銀色の部分はヒートシンクで、CPUはその下にある。

CPUの冷却装置(シーピーユーのれいきゃくそうち)の記事では専ら、「CPUクーラー」と呼ばれているパソコンCPU冷却およびその装置について解説する。CPU以外のGPUなどのプロセッサ、あるいはもっと他の集積回路で発熱の著しいものにおける冷却、あるいはパソコン以前から存在して冷却が行われていたメインフレームスーパーコンピュータ、あるいはワークステーションサーバにおける冷却と、本質的には何ら変わる所は無いのだが、パソコンの場合はフォームファクタによる制限という歴史的な都合などにより、「CPUクーラー」と、ビデオカードの主にGPUを冷却する「VGAクーラー」で形態が著しく異なるとか、本来は通風させる方向に沿っているべきであるマザーボード上の子基板がその向きに沿っていない(メモリモジュール等)といった事情がある。特に、互換性のあるパーツを集めて作るショップ系BTOや自作機ではそういった影響が大きい。一方でカスタムの幅が狭い前提で設計されるメーカー製PCやPCサーバ等では、フォームファクタに囚われず全体最適な設計が見られることも多い[注釈 1]

概要[編集]

(パソコンの)CPUに限らず、集積回路を使用する電子機器一般に、発熱の著しいものにおいて、積極的な放熱を必要とするほどに発熱するのにもかかわらず冷却を怠った場合、以下のような問題がある。

  • オーバーヒートによる誤動作。なお、特にこれによる制御不能状態(暴走)のことを指して俗に[注釈 2]熱暴走」と呼ぶことがある
  • 異常な熱膨張・収縮によるパッケージの寿命の問題
  • (最悪の場合)半導体としての熱暴走

十分な冷却を行わない場合、以上のような理由から、即時的な機能不全や、著しい寿命の短縮をもたらす。一見正常に機能したとしても冷却不足であった場合は、設計上の寿命よりはるかに早く故障する可能性がある。

パソコンで使用されるマイクロプロセッサの場合、ごく初期にはPMOS、続いてNMOS論理方式であったため、1980年代にはその発熱が問題になるほどになった。しかし、CMOS論理方式への移行により、一旦は緩和された。インテルのメインストリーム製品の場合、8086で問題になった後、286で緩和されたことになる。しかしその後も、とどまることのない集積度とクロックの向上にともない消費電力が増大し、発熱の問題はどんどん大きくなった。286の頃は樹脂製のパッケージにヒートシンク無しか、簡単なヒートシンクを付けた程度で、筐体の通風は電源のそれを兼用とするか、独立したファンを付けるにしても4cmファン程度だった。問題になるほどの発熱は32ビット化後、さらに台頭し始めたRISCに対抗して高性能化した、1993年前後の486の頃からで、雑誌で「CPUで目玉焼きができるか」等の企画が出されたり[注釈 3]2001年頃には「このままのペースで発熱が増加すれば、CPUの発熱による単位面積あたりの熱流量は間も無く原子炉のそれを上回り、2015年には太陽のそれに達する」と主張された事もある[1]。実際にそこまでとはならなかったとはいえ、ハイエンドのプロセッサについてはクロック周波数の向上の伸びこそ近年は鈍化の傾向があるとは言え、マルチコア化による延べ消費電力ないしはTDPは2017年まで単調増加であり[2]、それに伴い(ハイエンドのプロセッサについては)CPUクーラーも強化されてきた。

一般にマイクロプロセッサの場合、本来はB2B等での利用のための形態である「バルク品」と呼ばれる商品にはCPUクーラーは付属しない。一方、一般消費者向けの「リテールパッケージ」には、必要十分な程度のスペックのCPUクーラーが同梱となっていることがほとんどであり、通称「リテールクーラー」と呼ばれている(場合によっては、それ以外のクーラーとの組合せが保証外の扱いのことなどもある)。自作やオーダーPCでは、より高性能な、あるいは静音化を図ったクーラーに交換を望む需要も高く、サードパーティ製品が数多く開発量産市販されている。

パソコン以外の機器では、家庭用ゲーム機の場合の一例としてPlayStationシリーズの場合、初代PSでは自然通風による冷却のみであったがPS2ではファン等を含む冷却システムが組み込まれている。他にも、音響・映像機器などには多い。

自然冷却(ファンレス)[編集]

冷却ファンなどは使用せず、筐体内の自然対流と電源装置の排気による負圧を利用した換気によって、冷却する方法。

表面放熱[編集]

冷却するための装置・部品を一切使わずに、プロセッサの表面から放熱させる方法。組み込み機器のプロセッサでは一般的であるが、発熱量が高い最近のデスクトップパソコン向けCPUでは不可能である。

マイクロプロセッサの黎明期からおよそ数ワットの消費電力であったIntel 8038668030の頃までは、放熱のために特別な部材は装着されておらず、プロセッサ表面から放熱していた。

しかし最近は、表面放熱量を増やすことのできるCPUの設置方法が採用されることがある。例えば、モバイルコンピューターで、CPUをキーボードと平行になるように設置し、キーボードの裏面の金属製フレームに密着させ、ここから放熱する方法である。ただしこのような表面冷却は、きわめて薄型であるモバイルコンピューターでしかできないうえ、ファンを使う冷却装置に比べ放熱量も限られている、

ヒートシンクの利用[編集]

マザーボード上のヒートシンク(チップセットの冷却)

プロセッサの表面にヒートシンクを取り付けて放熱する方法。CPUクーラー専用の冷却ファンを用いずに、筐体の吸排気ファンや電源装置に取り付けられた放熱ファンによって生じる筐体内部のエアフローを用いて、ヒートシンクに空気を当て冷却する。他の冷却方法と比べて仕掛けが簡単で無音で冷却することが可能だが、発熱の高いプロセッサを冷却するには巨大なヒートシンクが必要になる。

i48668040の隆盛期に入り、クロック周波数がおよそ30MHz以上になり、消費電力が数十ワットに達すると、プロセッサ表面だけでは充分な放熱ができなくなり、CPUの上に放熱性の高い金属製のヒートシンクを取り付けるようになった。ヒートシンクにより放たれた熱は筐体の排気ファンや電源ファンから強制的に外部に出される。CPUの発熱がさらに増大すると、これでも放熱が追いつかなくなり、Pentium以降のx86プロセッサでは、ヒートシンクにファンを取り付けて強制空冷を行うことが一般的になった。

Pentiumをはじめとするx86プロセッサが性能に比例して増大する発熱に対応して冷却装置の強化に迫られたのに対し、性能当たりの消費電力が比較的少ないPowerPCを採用したMacintoshでは、CPUの冷却装置に小型でファンレスのヒートシンクを採用しつづけた。特に消費電力の低いPowerPC G3を搭載したiMacPowerPC G4を搭載した Power Mac G4 Cubeは筐体の放熱ファンも廃止してエアフローを意識したファンレス設計とし、極めて静音性に優れていた。構成部品のヒートシンクから放たれた熱は空気の自然対流で外部に逃がされる。

2000年代後半になると、x86プロセッサでも、AtomGeodeC7など、発熱量の少ない省電力CPUのラインナップも充実し、ファンレスのPC/AT互換機が現れた。また、発熱量がさほど多くないCPU(Core 2 DuoCore i7Core i5の一部など)でも静音化のためCPUファンを排除する場合もある(Mac miniなど)が、それなりの大きさのヒートシンクが必要になる。なお、一般的なチップセットは、2009年現在もヒートシンクのみによる冷却が用いられることが多い。

空冷[編集]

上面から風を吹き付けるトップフロー型のCPUクーラー
側面から風を吹き付けるサイドフロー型のCPUクーラー

強制冷却[編集]

冷却ファンを使用し空気を利用して冷却する、最も一般的な方法。ヒートシンクの上に冷却ファンを載せた状態で使用され、ヒートシンクとファンモータが一体化したものが多い。

店頭で販売されているCPU製品にはサーマル・ソリューションと称して、十分な性能の強制空冷式冷却装置が付属している。特に記述がない限り市販されているパーソナルコンピュータにおいて、CPUの冷却にはこの方式が用いられる。

Pentium黎明期(i486の末期)の頃になると、クロック周波数50~100MHz、消費電力が30W前後に上り、自然冷却では放熱が間に合わず、ファンでおこした風を吹き付けて冷却する強制空冷が行われる様になった。

その特性上、どうしても高周波の風切り音が発生してしまう。これをできるだけ抑えようとメーカーは静音性も重要視したファン開発を行っているため、標準付属品以外にも様々な製品が販売されており、その中には流体力学航空工学の成果を応用したと謳うものまで存在している。

また一般にCPUの冷却装置はケース内部にあるため、空冷を続けるためには、ケース外部との継続的な換気が必要になる。ファンなどによる換気のほか、効率を上げるために冷却装置のすぐそばに換気口を設けたり(パッシブダクト)、冷却装置が外気に直接面するようにレイアウトする例もある(BTX規格など)。

受動空冷[編集]

プロセッサの表面にヒートシンクを取り付けて放熱する方法。

詳細はヒートシンクの利用を参照のこと。

水冷[編集]

本格水冷を導入したパソコンの内部
PCケース上部に簡易水冷のラジエーターを取り付けた図

空気よりも熱容量が大きい水(冷却液)を冷却に用いる方法。CPUに水を循環させるヘッドを接触させて、熱を水で持ち去り、外部のラジエータで放散させる。ラジエータには空冷ファンを付け、冷却能力を高めることが多い。

大型汎用機では普及している方法であるが、一般的なパソコンに用いるには構成部品が多く大がかりになりすぎ、また定期的なメンテナンスも必要であり、水漏れなどが発生すれば高価なパーツを破壊するリスクもある。一般に空冷式より高価かつ複雑になることなどから簡便に用いる事のできるものではなかったが、冷却性能の高さに加え、ファンによる騒音を嫌って静粛性を求めるユーザーが水冷式を用いることが多い。

パソコン分野での水冷は「本格水冷」と「簡易水冷」に大別される[3][4]

本格水冷
簡易水冷と比較すると、冷却液を貯めておくリザーバータンクや冷却液を送り出すポンプ、ラジエーターなどが別れている場合が多く、組み立ての際にはホースを各部に適した長さで切断して各構成機材を繋いで水冷経路を作り、エア抜きも行う必要があるなど手間が掛かるが、その分、各構成機材の配置場所の自由度は高め。CPUだけではなくGPUの水冷化にも対応できる[3]
簡易水冷
2009年頃からはチューブ素材などの進化によりメンテナンスフリー化が進み、水枕、ホース、ポンプ、ラジエーターなどが一体化して冷却水が封入済みで簡単に取り付けられる1万円前後の簡易型水冷クーラーのキットが自作パソコン用途向けに販売されており、2010年代以降はこれら簡易水冷型クーラーが1万円以上のハイエンド・CPUクーラー市場において一定の市場を形成するに至っている。水枕部分を固定した後、ラジエーター部分をケースに固定すればいいためパソコンケース内のみで水冷経路が完成し、ユーザーは水冷経路を組み立てる必要もなく冷却液そのものを扱わずに済む。ホワイトボックスパソコンメーカーの中にもBTO用パーツやハイエンドモデルとして用意するところが現れるなど、ゆっくりながらも確実に普及が進んでいる。
GPUの冷却にCPU用の簡易水冷を利用する事もある[5]

ただし、水冷型のクーラーは、強制空冷式のCPUクーラーでは存在したファンによる風の流れが発生しないため、その設置の状況によってはマザーボード上のチップセットメインメモリーなどの他のパーツ機材の冷却ができなくなる可能性があるため、一から自作したり、手持ちのパソコンに導入する際には、ほかの冷却機構との兼ね合いを考慮して導入の是非を判断する必要がある。

ノートパソコンにおいても水冷を採用した製品が存在する(例:日立製作所FLORA 270W サイレントモデル、2002年発売)[6]

ガス冷[編集]

パソコンの筐体に小型のコンプレッサを組み込んで、冷蔵庫などと同様の方式液体気化する時の気化熱を利用した放熱を行うもの。マニアが自作する物のほか、これを組み入れた製品を出荷しているメーカーや、パソコンショップのショップブランド品に仕込んで販売する例もある。

水冷よりもさらに高い冷却効果を得られる反面、冷却装置そのものがそれなりに大掛かりかつ高価であり、一般的なエンドユーザーの使用環境であれば空冷や簡易水冷でも必要十分であるため、一般的な方式ではない。

ガス冷却に用いられるガスは数種類あり、主に炭酸ガスが用いられる。

寒剤を用いた冷却[編集]

CPUの直上に液体窒素ドライアイスを入れる銅升等を用いて放熱する方法。

極低温を維持することでオーバークロック時の冷却効率が評されるが、結露対策に気を遣う必要がある。さらに寒剤自体も消耗品であり運用コストがかさむので、ベンチマークの試合における極端なオーバークロック時の利用が一般的であり、個人で常用することは少ない。極低温であり極端なオーバークロックを行えるところから極冷と称される。

冷却の補助[編集]

冷却効率を上げるため、補助的な役割を担う物。

放熱グリス[編集]

冷却装置とCPUの間は、密着させていても材料表面の微細な凹凸による隙間が生じている。そこを空気ではなく、より熱伝導率の高い物質で埋めることによって、冷却装置へ熱を伝わりやすくするもの。シート状・ダイヤモンド粒子配合・特殊液体金属のものもある。

ヒートパイプの利用[編集]

熱伝導率の高いヒートパイプを用いてチップの熱を移動させる方法。 金属よりも効率が良いために速やかに遠くまで熱が移動できるため、薄く多量のフィンや側面を用いて表面積を稼ぐ事ができ、放熱部の効率を高められる。

大きさや部品配置の点で制約の厳しいノートパソコンなどでも十分に冷却することが容易になる。また、ケース内に余裕の大きい自作機やBTO機では、これを用いて大型化したクーラーをより大型のファンを用いて冷却できるようになり、高速ファンを使ってのオーバークロック、あるいは低速ファンを用いる事での静音化が容易になる。

ペルチェ素子の利用[編集]

ペルチェ効果を利用した薄型の冷却素子。CPUに接する面から吸収した熱を、反対側の面に移動させる。素子単体では冷却装置として機能しない(単なるヒーターになってしまう)ことから、空冷や水冷の冷却装置を併用して放熱効率を向上させたり、外気より低い温度を作るために使用される。

パソコンではi486Pentium(初代)の時代に流行したが、それ自体がかなりの電力を消費し発熱すること、冷却しすぎると結露が発生することといった使い勝手の悪さや、空冷装置の性能向上によりペルチェ素子の優位性が失われたこと等の理由で廃れ、現在はオーバークロッカー等、一部マニアで使用されるに留まる。

CPUクーラーの主な取付方法[編集]

2016年現在流通しているマザーボードで採用される方式には、主に以下のプッシュピン方式、リテンション方式、バックプレート方式の3つがある。

プッシュピン方式[編集]

インテル製CPUにてよく使われている方式で、CPUクーラーのフレームをマザーボードに予め開けられている穴に、樹脂製のリベット(プッシュピン)を指で押し込んで固定する方式。取り付け時はピンの向きや状態を4か所同時に把握しなければならず、CPUクーラーが大型になるほど指を掛けにくくなる。しかし固定されれば自然とメーカー指定の圧力となるため、CPUやマザーボードを破損させるリスクが少ない。インテルリテールクーラー、一部のAMDリテールクーラー、サードパーティ製CPUクーラーで採用されている。

リテンション方式[編集]

AMD製CPUにてよく使われている方式で、マザーボードに取り付けられているブラケットに、CPUクーラーのフックを引っ掛け、レバーで締め上げて固定する方式。作業は非常に単純だがレバーが固く、力が要る。プッシュピン方式と同様に圧力はメーカー指定のものとなるため破損リスクは少ない。AMDリテールクーラー、サードパーティ製CPUクーラーで採用されている。

バックプレート方式[編集]

マザーボードの裏側に、金属もしくは樹脂製のバックプレートと呼ばれるネジ穴が設けられたプレートを取り付け、反対側からCPUクーラーのフレームをネジにて固定する方式。前述のプッシュピン方式の穴や、リテンション方式のブラケット取り外し跡にバックプレートを設置することで、この取り付け方式が使える他、インテルのLGA2011マザーボードの場合は予めマザーボードにネジ穴がつけられているため、そのまま取り付けることが可能である。ドライバーやスパナで取り付けるため他方式に比べて力が要らず、重量があるCPUクーラーも支えることができる。しかし圧力は作業者依存となってしまうため、ネジ緩みによる冷却不全や、締めすぎによるCPU破損などが起こりうる。ハイエンド向けCPUクーラーや、簡易水冷式のCPUクーラーに採用されていることが多い。

冷却装置(CPUクーラー)の著名メーカー[編集]

これら企業の中にはファブレスメーカーやOEM専門の商社も存在している。

また、これら以外でもパソコンショップなどが、日本市場に未参入の海外メーカーの製品を独自に輸入して販売していることがある。

脚注[編集]

注釈[編集]

  1. ^ 例えば、気流の発生源をCPUクーラーのファン1基に集中させ、それを中心に吸排気が流れるよう配置する、といったような設計は、外気に接する吸排気ファンが無いため静音化に有利だが、ケースやダクトを専用に設計する必要があり、自作PCでは現実的ではない。また、サーバ用をうたったマザーボードなどでは、メモリモジュールの向きを、一般的なパソコン用の場合とは90度違う向きにしているものがある。
  2. ^ 電気電子工学の専門用語としての「熱暴走」とは異なる
  3. ^ i486からAthlon XPの頃まで良く企画されている。

出典[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]