PCの熱をどう逃がす? CPU/GPUを冷やすさまざまな冷却技術の仕組み

チップは高速化・高性能化が進むほど、消費電力も増加していきます。しかし、ワット数の増加に伴い、発生する熱量も比例して上がってしまうのが悩みの種です。チップが過度に高温になると、サーマルスロットリング(熱による性能制限)が作動します。これをしなければ、チップは過熱して故障してしまうからです。

では、GPUやCPUメーカーはどのようにして発熱を抑えているのでしょうか? 新しいシリコンの性能を最大限に引き出すために、どんな技術が使われているのでしょうか? 本記事では、PCメーカーが採用しているさまざまな冷却技術を詳しく見ていき、コンピューターのポテンシャルを最大限に引き出す方法を探ります。

デスクトップPCのパフォーマンスを最大化する

圧倒的なパワーとパフォーマンスを求めるなら、多くのPC愛好家はデスクトップPCを選びます。その理由は、ケースがスペースや携帯性の制約を受けないからです。小型で持ち運びやすいデスクトップPCもありますが、ほとんどのデスクトップはスペースとエアフロー(空気の流れ)を最大化する設計になっており、大型で複雑な冷却システムの搭載が可能です。

ファンとヒートシンク

高性能チップが数百ワットを消費するようになるずっと前から、ほぼすべてのコンピューターはファンとヒートシンクでシステムを冷却してきました。一見すると、ヒートシンクはプロセッサーに直接取り付けられているように見えます。

しかし実際には、ヒートシンクとプロセッサーの間には通常、薄い層のグリス(サーマルペースト)があり、チップからの熱を効率的に伝導する役割を果たしています。そしてファンがヒートシンクのフィンの間に空気を送り込み、ヒートシンクを冷やすことで、結果的にプロセッサーも冷やされるという仕組みです。

水冷システムは、特にハイエンドモデルやオーバークロックされたチップで採用が増えていますが、今日でも大多数のコンピューターシステムはファンとヒートシンクを使用しています。理由は、価格が手頃で、設置が簡単で、万が一ファンが故障しても精密な電子部品を水浸しにするリスクがないからです。

液冷(水冷)システム

名前の通り、この冷却方式は液体クーラントを使ってPCの温度を管理します。一般的には、CPUやGPUチップに取り付けるウォーターブロック、ラジエター、ポンプ、そしてクーラントを循環させるパイプやホースで構成されます。このシステムはPCから熱を奪う効率が高く、コンピューターを限界まで押し上げることができます。

液冷PCの構築方法には2つあります。1つ目は「簡易水冷(AIO:オールインワン)」、もう1つは「カスタム水冷」です。前者は必要なものすべてがパッケージに含まれているため、取り付けが簡単で漏れにも強いのが特徴です。ただし、基本的にはプロセッサーしか冷却できません。

1つのラジエターでGPUとCPUの両方を冷やしたい場合は、カスタム水冷を組む必要があります。カスタムシステムなら冷却システムの設計自由度が高く、独自のデザインを作ることも可能です。しかし、AIOクーラーに比べて価格が高く、やや壊れやすく、メンテナンスの手間もかかります。

大型パッシブ(無音空冷)ソリューション

3つ目のデスクトップ向け冷却オプションは、空気の自然対流を利用した大型ヒートシンクです。ファンを使用しないため、アクティブクーラーの2〜3倍のサイズになることもあります。

この設計は、完全に無音のコンピューターを実現するためのものです。PCの電源を入れたときのファンの微かな回転音すらありません。録音作業など、作業中に完全な静寂が必要なミュージシャンにとって理想的なソリューションと言えるでしょう。

ただし、アクティブ冷却がないため、これらのヒートシンクは主にローミドルレンジのチップ向けです。また、ファン式に比べてチップの温度がやや高くなることも想定しておきましょう。

ノートPCはどうやって冷やしているのか

十分なスペースがある環境でコンピューターを冷やすのは一つの話ですが、薄い金属とプラスチックの筐体の中にすべての部品が詰め込まれたノートPCの冷却は、まったく別次元の課題です。

普通のファンとヒートシンクの組み合わせをポータブルコンピューターに搭載することはできませんし、ましてや簡易水冷やパッシブヒートシンクは不可能です。だからこそ、ノートPCやモバイルデバイスはまったく異なる冷却技術を採用しているのです。

ヒートパイプ

ノートPCの冷却のために最初に開発されたソリューションのひとつがヒートパイプです。ヒートシンクメーカーCelsiaによると、その仕組みは以下の通りです。

ヒートパイプの内壁には、ウイック(毛細構造)と呼ばれる薄い層が施されており、クーラントを吸収します。内部には水などの冷却液が封入され、真空密封されています。この工程により、クーラントがパイプ全体に均等に行き渡ることが保証されます。

ヒートパイプの一端が加熱されると、内層に吸収されていたクーラントが蒸発し、より低温のもう一方の端へ移動します。そこで蒸気は凝縮してウイック構造に再吸収され、液化したクーラントは毛細管現象によって再び加熱部分へと戻っていくのです。

これらのヒートパイプは通常、導電性ベースプレートを介してチップに接続され、両者の間には熱伝導を助けるサーマルインターフェース材が挟まれています。しかし、プロセッサーがより高温で強力になるにつれ、この方式では不十分になりました。一部のメーカーはチップに直接接触するヒートパイプで対応しましたが、チップ表面全体を均等に冷やす効率は劣ります。パイプがプロセッサーの全表面に触れるわけではないからです。

ベイパーチャンバー

これは、ヒートパイプの接触面積が限られるという問題への解決策です。ベイパーチャンバーは、本質的にはヒートパイプを平たく成形し、発熱部分の形状に合わせて輪郭を描いたものです。平坦な四角形であろうと、凹凸があろうと、ベイパーチャンバーは発熱面の全面に密着し、効率的な熱伝達を実現します。

Celsiaによると、ベイパーチャンバーは冷却性能を20〜30%向上させます。つまり、ノートPCは性能を落とすことなくより薄型の冷却ソリューションを採用できるようになり、メーカーは高性能な薄型軽量ノートを作れるようになったのです。

水冷ノートPC?

ノートPCを水冷するのは不可能か非現実的だと考える人がほとんどでしょうが、そう考えなかったメーカーもあります。実際、水冷に対応したハイパフォーマンスノートPCを販売しているメーカーが存在します。これは通常、コンピューターに複数のコネクションで接続する専用ドックを伴います。水冷ノートPCは性能向上をもたらしますが、極めてニッチな製品です。ノートPCを持ち運ぶたびにシステムを抜き差ししなければならないのは不便だからです。

また、移動時にシステム内に水が残らないよう細心の注意を払う必要があります。漏れればデバイスが損傷する恐れがあるからです。さらに、水冷モジュールはかさばるため、可搬性重視のコンピューターには実用的とは言えません。

チップとヒートシンクをつなぐインターフェース

チップのヒートスプレッダ(IHS)と、ベイパーチャンバーやヒートシンクの銅製ベースは、いずれも硬い金属でできています。つまり、両者の間には必ず微細な空気の隙間が生じ、冷却性能が大幅に低下してしまいます。

だからこそ、両者の表面の間にサーマルパッド、グリス(サーマルペースト)、または液金(リキッドメタル)を挟んで、熱を伝導しやすくする必要があるのです。

サーマルパッド

サーマルパッドは、最も手軽に施工できる熱伝導ソリューションです。固体で柔らかい素材なので、冷却したいチップの表面に置くだけで済みます。しかし固体である以上、クーラーとプロセッサーの間の空気の隙間をすべて埋める効果は劣ります。

サーマルペースト(グリス)

これは多くのPC愛好家に好まれる定番のソリューションです。チップとクーラーを確実に密着させながら、価格も手頃だからです。さらに、サーマルペーストは通常非導電性なので、誤ってマザーボードの部品に付着しても、問題が起きる可能性は低くなっています。

リキッドメタル(液金)

名前の通り、この材料は金属を使って熱を効率的に伝導します。金属は熱伝導性が非常に高いため、チップを冷やすのに優れた性能を発揮します。ただし、最大の欠点は価格が高いことで、場合によっては50%ほど割高になります。さらに金属は導電性があるため、誤ってチップや基板にこぼして放置すると、トラブルにつながる恐れがあります。

この材料は、コンピューターの扱いに精通したプロフェッショナルや専門家に任せるのが賢明です。

高性能化=高発熱=より強力な冷却が必要

コンピューターチップが高性能化し、動作により多くのエネルギーを必要とするほど、発熱量も増加します。だからこそ、ハードウェアの限界に挑みたいなら、効率的な冷却ソリューションが不可欠なのです。

とはいえ、ハードウェアを酷使しないのであれば、最高級の冷却システムは必要ありません。ほとんどのユーザーにとって、CPUやGPUに付属する純正のヒートシンクとファンの構成で十分でしょう。

また、ノートPCをお使いの方は心配無用です。メーカーが性能、携帯性、価格を考慮して、最適な冷却システムをすでに搭載してくれているからです。