著�v：Herman Oprins、Imec主任研�|�^、機械的･�X的モデリングと�h価�\術担当

空冷か�]冷か

データセンターの電子機�_を冷却することは価格に反映されることになる。世�c中の電��のほぼ半分が空気を冷やすことに使われていると見積もられている。しかし、電��を消�Jする応��が�\えサーバーの密度が�\加すると、すぐ限�cに達してしまい、サーバールームは空調機のファンを設けるスペースがなくなってしまう。冷却の設���C積を考えると、�]冷は今後の経済的な代���}段となりそうだ。

このため�j型データセンターでは空冷から�]冷へと進んでいる。このためさまざまな疫���\術が出てきている。共通するのは冷却��を使うことだ。流路を設けた金�關�が�]��を導き、半導��チップ�屬棒楙�剤で直接くっつける。この場合の�L点は、�Xインターフェイス材料（TIM）を��いるために�k定の�X�B�^を�eち、チップ表�Cとの間で�a度勾配ができてしまうことだ。��に接��剤があると、�Xを除去する�屬破榲�の�X的ボトルネックになり、冷却システムを最適化する�屬婆���できなくなる。そこで、�]��をジェットで吹き��ける�桔，��~効かもしれない。チップの裏�Cを開け、�]�Xの冷却材をチップに直接コンタクトさせることによって、TIM�X�B�^を除去できる。加えて、�e�妓�にジェット衝撃を与えると、チップ表�Cに吹き��けられる�]��は、�]の出口と同じ�a度を保てる。

�]冷の経済性

この�\術は、チップやスタックした3D-ICチップの裏�Cに冷却直接吹き��ける�擬阿任△蠅覆�ら、ポリマーで封�Vするという低コストですませる�\術である。カギとなる�霾�は、チップに吹き��けるシャワーヘッドとなるようなノズルのアレイ����となる。

このノズルアレイは、ノズル�Xに�]��の入り口と出口を設けておく。入口のチューブは充填�霾�の入り口につながっており�]��をノズルから吹き��けられるようになっており、出口のチューブは、外へ吐き出される�]��を集めるノズルにつながっている（図1）。入口と出口での流れの相互作��でキャビティ�霾�ができ、ここで流��がチップとコンタクトする。

図1　3Dプリンタで作るICパッケージの�]冷却�_の���C

実は、この衝撃冷却ソリューションは、kWクラスの�j電��パワーエレクトロニクスの�j型モジュール(30〜50cm)で成功を収めてきた。チップあるいはパッケージレベルまで集積すると、ベアダイ冷却ソリューションが�H数提案されてきたが、ほとんど高価なソリューションに�里泙辰討い拭�Imecは、低コストながらも、3Dプリンティング�\術をベースとした�X効率が良い�\術を提案した。ノズルの�jきさはSiの微細化�\術は��要がない。開口径が小さいほど�X��性は高くなるのは��実であるが、ノズルを通�圓垢詢���を導くポンプの圧��を�咾�する��要があるため、�T局歩�里泙蠅慮衆Δ�来ることになる。加えて、Imecはシミュレーションと�R定�\術が優れているため、同様な性�Δ�mmサイズのノズルでも�科�達成できるので、コストを下げることができる。

チップ冷却にはシャワーヘッドはいくつあるべきか

ノズルの最適な数やノズルのピッチや直径の最適値を�h価するため、Imecの研�|�vたちは8×8cm2のテストチップでシミュレーションした。ノズルが�Hければ�Hいほど、�a度が下がり(図2)、�a度プロファイルは均�kになることがわかった。しかも、チップ�C積が�k定の場合、ノズルの数が�Hければ�Hいほどノズル径は小さくなる。小さな径のノズルの数が�Hければ、�X性�Δ浪���される、すなわち�X�B�^が下がるが、その分、ポンプのパワーが��要になる。

図2　ポンプのパワー（Wp）が�k定なら、8×8ノズルアレイを��えると�X��性は��和する

同様に、流量を�\やせば、�X性�Δ藁匹�なるが、圧��はもっと高くなる。�X��性（�X�B�^）とポンプのパワーの間のトレードオフを考えると、mm2当たりの1個以�屬離離坤襪鮖\やすとエネルギー効率が高くなることがわかった。この�T果、1mm2ユニットセルあたりのノズルの直径は性�Δ���和する時点では数��ミクロンの�J囲になる。このシミュレーション�T果は、8×8mm2のテストチップを作��し、テスト��衝撃冷却�_で確認した。

冷却�ξ�の高い材料とは

ノズル数とノズル径の���Iが��要な���]�\術に影�xを及ぼすことになる。微細なノズル径だともっと高価なプロセスが���I肢となる。8×8mm2のテストチップと、それの伴うノズル径に�瓦靴董�3Dプリンタ�\術が実行可�Δ並��I肢となる。この�\術の最新の進化では、直径100µm〜1µmの�J囲で構�]をプリントすることができる。シリコンのプロセス�\術では直径10µm以下の穴をあけるのにDRIE (Deep Reactive Ion Etching) �\術を使えば��作できる。しかし、シリコンプロセス�\術は他の�桔，鉾罎戰灰好箸�高い。その�屐▲離坤襪猟招造鬚気蕕望�さくする��要がないことがシミュレーションでわかっている。�X性�Δ���和するからだ。

ポリマー���]�\術がシリコンプロセス�\術よりも�Wくできるが、これは同じ性����格に合っているだろうか？�T局、ポリマーはシリコンよりも�X伝導率がずっと低い。この�T果、�X�B�^、�X��性が�Kい。このため、CuやAiのような�X伝導率の高い導��が放�Xフィンなどに使われている。ポリマーのような絶縁��とは��く反�瓦���性を�eっている。ところが、実際にはポリマー冷却�_はシリコンや銅の冷却�_と同じ性�Δ魴eつことがシミュレーションで��された。この場合の徐�Xは、冷��による���U�肝�が��配しているからだ。このため���I肢としては、ポリマーベースの低コスト���]�\術（図3）を使うことになる。

図3　Imecが開発したジェット衝撃冷却�_　ノズルアレイのスプレイ冷却�]がチップの裏�Cに直接達し、チップを冷やす　出�Z：Imecの厚�Tによる

Imecのチップ冷却�_はどのくらい冷えるか？

この冷却�_の見通しはどうか。これまで�o表されている他の衝撃冷却�_のデータを�X�B�^とポンプパワーに関して比較してみた。冷却�_はいくつかの材料で作られた；シリコンとセラミック、金�錙▲廛薀好船奪�である。Imecの冷却�_は8×8のノズルアレイに1000ml/分の流量、入口と出口での圧��の低下が0.3barという条�Pで、0.13cm2K/Wと最も良い�X��性を��した。すなわち、この冷却�_を��いるとチップは100W/cm2の電��を消�Jしても、�Xは13°Cしか�屬�らないのである。この電��は�Y��的なプロセッサの�Z型的なパワー密度である。通常は、プロセッサの�a度限�cは100°Cだから、この�X性�Δ�あれば、500W/cm2の冷却�ξ�が可�Δ砲覆蝓△海譴泙任領箋凭_の中のトップクラスの�X性�Δ世箸いΔ海箸砲覆襦�

唯�k、µmピッチのノズルを�eつSiベースの冷却�_だけがこれに�Mてるだろう。しかし、これらの冷却�_はポンプのパワーを5倍に�屬押△気蕕帽皺舛砲發覆襦�今日現在、価格も�_要なベンチマーク�h価の指�Yの�kつである。ある���]法や材料で���Iすることが、ポンプのパワー当たりの冷却�ξ�を�屬欧襪箸いχ`�Yに��うことになる。しかし、それは冷却�_の価格を��めることでもある。さもなければデータセンターのエネルギーコストを巨�jにしてしまう。これら冷却�\術の新発見は、巨�jなデータセンターの「�]い」�霾�の�I約に加えられるだろう。