チップの冷却とは? 熱を逃がすしくみと限界

身近なところでは

スマホでゲームを続けると、本体が温かくなります。しばらくすると、動きが少し重く感じることもあります。ノートパソコンでは、重い作業を始めるとファンの音が大きくなります。

どれも、中のチップが出す熱と、それを捨てるしくみが関係しています。ニュースで聞く「データセンターの電気と冷房」も、同じ話の大きな版です。この記事では、熱がどこで生まれ、どこを通って捨てられるのかを順に見ていきます。

チップはなぜ熱くなるのか

チップの中では、何十億個ものトランジスタが0と1を切り替えています。切り替えるたびに、配線にわずかな電気をため、また逃がします。電気が細い通り道を流れると、通り道の抵抗で電気のエネルギーが熱に変わります。電気ストーブが温かくなるのと同じしくみです。

この「切り替えのたびに使う電力」を、動的消費電力と呼びます。速く切り替えるほど、また一度にたくさん切り替えるほど、熱は増えます。

切り替えていないときも、熱は出ます。オフのはずのトランジスタから、ほんの少し電気が漏れ続けるからです。この漏れで使う電力を静的消費電力と呼びます。漏れは温度が上がるほど急に増えるので、熱いチップはさらに熱を出しやすくなります。

チップは計算をしても、物を動かしたり光を出したりはほとんどしません。そのため、入ってきた電気のエネルギーは、ほぼすべてが最後は熱になります。「消費電力100ワットのチップ」は「1秒ごとに100ジュールの熱を出すチップ」とほぼ同じ意味です。ジュールはエネルギーの量の単位で、ワットは1秒あたりのジュールです。ここでは、信号として外へ出ていくわずかな電気は省いています。

熱いと何が困るのか

チップには、超えてはいけない温度があります。いちばん熱くなるのは、トランジスタが並ぶ部分です。この部分の温度を「接合温度」と呼び、上限は製品ごとに決まっています。Intelの説明では、同社のプロセッサの多くで100〜110 ℃です。

上限に近づくと、チップは自分で動く速さ(周波数)と電圧を下げ、出す熱を減らします。この働きをサーマルスロットリングと呼びます。それでも温度が下がらなければ、壊れないように電源を自動で切ります。冷やす力が足りないと、チップは本来の速さを出せません。

もう一つは寿命です。高い温度では、配線の金属が少しずつ動くなどの劣化が速く進みます。温度と劣化の速さの関係は、「アレニウスの式とは?」で詳しく説明しています。よく聞く「10 ℃上がると寿命が半分」は、条件で変わる目安にすぎません。

熱の通り道: チップから空気まで

パソコンのCPUを例に、熱の道すじを見てみます。CPUの本体は、シリコンの円い板(ウエハ)から切り出した小さな板です。この板を「ダイ」と呼びます。ダイは、配線の通った小さな板(基板)の上に、裏返して載せてあります。そのため、ダイの背中が上を向いています。

ダイの背中には、金属のふたが載っています。ふたは、小さなダイの熱を広い面に広げる役目を持つので、ヒートスプレッダとも呼びます。その上に、金属のひれが並んだヒートシンクを押し当てます。熱は、ダイ → ふた → ヒートシンク → 空気と、順に受け渡されていきます。

図の中の「TIM」は、すき間を埋める材料です。金属の面は平らに見えても、細かく見ると凸凹で、重ねると小さなすき間に空気が残ります。空気は熱をとても伝えにくく、銅の1万分の1以下しか伝えません。そこで、熱を伝えやすいグリスなどをすき間に入れます。この材料をTIM(サーマル・インターフェース・マテリアル、熱をつなぐ材料)と呼びます。

ヒートシンクにひれが並んでいるのは、空気にふれる面を広くするためです。熱が空気へ移るのは、金属の表面だけだからです。チップを包むパッケージの役目は「半導体パッケージとは?」で説明しています。

熱抵抗: 熱の通りにくさを数字にする

熱の道すじの一つひとつには、「熱の通りにくさ」があります。これを熱抵抗と呼びます。単位は「℃/W」で、1ワットの熱を通すと、入口と出口に何℃の温度差ができるかを表します。数字が小さいほど、熱がよく通ります。

温度差は、熱の量と熱抵抗の掛け算で決まります。たとえば、ヒートシンクから空気までの熱抵抗が0.3 ℃/Wだとします。100ワットの熱を通すと、100 × 0.3 = 30 ℃の差ができます。部屋の空気が25 ℃なら、ヒートシンクは約55 ℃です。

ダイからヒートシンクまでの部分にも熱抵抗があります。ダイ・TIM・ふた・グリスを合わせて0.2 ℃/Wとすると、さらに20 ℃の差ができます。道すじの熱抵抗は足し算なので、ダイの温度は25 + 30 + 20 = 75 ℃です。上限の100 ℃まで、まだ余裕があります。ここでの数字は説明用の例で、実際の値は製品や取り付け方で変わります。

ファンが止まると、ヒートシンクから空気への熱抵抗が、例えば1.0 ℃/Wに増えます。すると、ダイの温度は25 + 100 + 20 = 145 ℃となり、上限を超えてしまいます。実際には、その前にサーマルスロットリングが働き、熱が減るまで速さを落とします。消費電力と熱抵抗からの計算は、接合温度の計算ツールで試せます。

ファンとヒートパイプ

ファンは、ヒートシンクのまわりの空気を入れ替えます。ひれの表面で温まった空気がすぐ流れ去り、冷たい空気がふれ続けるので、熱が空気へ移りやすくなります。つまり、ヒートシンクから空気への熱抵抗を下げる道具です。そのかわり、回すほど音が大きくなります。

ノートパソコンでは、チップとファンが離れた場所にあることが多くあります。そこで、熱を遠くへ運ぶ銅の細い管を使います。これをヒートパイプと呼びます。管の中は空気を抜いてあり、少しの液体(多くは水)が入っています。

熱い側では、液体が蒸発して気体になります。気体は管の中を冷たい側へ移り、そこで冷えて液体に戻ります。液体に戻るとき、運んできた熱をひれへ放します。液体は、内壁の細かい溝や網にしみ込み、熱い側へ吸い戻されます。ティッシュの端を水につけると、水が上へ吸い上がるのと同じ力です。

この方法がよく熱を運べるのは、液体が気体になるときに、たくさんの熱を吸うからです。汗が乾くときに体が冷えるのと同じです。管の中は空気を抜いて圧力を低くしてあるので、水は100 ℃より低い温度でも盛んに蒸発します。液を戻すのは重力ではなく内壁の吸い上げる力なので、向きを変えても働きます。ただし、向きによって運べる熱の量は変わります。

スマホ: ファンなしで冷やす

多くのスマホには、ファンもひれもありません。薄い本体に入らず、水やほこりを防ぐために穴も開けにくいからです。そこで、チップの熱を薄い板やシートで本体全体に広げ、本体の表面から少しずつ空気へ逃がします。

熱を広げる部品の一つが、平たい形のヒートパイプです。これをベイパーチャンバーと呼びます。細い管が熱を一方向へ運ぶのに対し、板の形なので、熱を面全体に広げられます。例えば、Appleは2025年9月にiPhone 17 Proを発表しました。水を封じたベイパーチャンバーを、アルミの本体に溶接したと説明しています。

それでも、スマホの冷やす力には限界があります。表面は、人が手で持てる温度より熱くできないからです。ゲームを長く続けると、サーマルスロットリングで速さを落とし、熱を出す量を減らします。Appleのサポートの説明でも、温度が上がりすぎると動作を変えて温度を調整し、さらに上がると警告の画面を出します。

パソコンとGPU: 数百ワットの熱

パソコンのCPUやGPUは、スマホのチップよりずっと多くの熱を出します。冷やす装置は、チップが重い仕事を続けたときの発熱の目安を基準に設計します。この目安をTDPと呼びます。Intelは第12世代のCoreから、この値を「Processor Base Power(基本の電力)」と呼んでいます。

例えば、2023年に出たIntelのCore i9-14900Kは、基本の電力が125ワットです。速さを上げて動くときは、最大で253ワットまで使います。上限の接合温度は100 ℃です。

グラフィックスやAIの計算に使うGPUは、さらに大きな熱を出します。NVIDIAが2025年に発売したGeForce RTX 5090は、カード全体で使える電力の上限が575ワットです。2022年のRTX 4090は450ワットでした。重い仕事をしていないときは、これより少ない電力で動きます。こうしたカードは、大きなヒートシンクにヒートパイプやベイパーチャンバーを組み合わせ、複数のファンで冷やします。GPUがなぜAIに使われるかは「なぜAIにGPUが使われるの?」で説明しています。

データセンター: 空気から液体へ

データセンターでは、こうしたチップを積んだサーバが、何千台も並びます。サーバは、ラックと呼ぶ背の高い棚に積み重ねて置きます。AI用のGPUを詰め込んだラックでは、空気だけでは熱を運びきれなくなってきました。建物全体の冷やし方は「データセンターとは?」で説明しています。

そこで増えているのが、液体で熱を運ぶ方法です。同じ体積で比べると、水は空気の約3,500倍の熱をためられます。よく使われるのは、チップのすぐ上に、中を液体が流れる金属の板を当てる方法です。板で受け取った熱は、液体と一緒に配管でサーバの外へ運ばれます。

サーバを、電気を通さない液体にまるごと沈める方法もあります。これを液浸冷却と呼びます。Microsoftは2021年、約50 ℃で沸く液体にサーバを沈める方式を使い始めたと発表しました。チップの熱で液が沸き、蒸気は容器のふたで冷やされて液に戻り、また落ちてきます。ヒートパイプと同じ「蒸発して、凝縮して戻る」しくみを、容器ごと使う方法です。

よくある誤解

数字で見る

チップの電力の数字は、新しい世代が出るたびに変わります。上の製品の数字は、それぞれの発売時点の仕様です。

もっと詳しく学ぶ

• 計算で試す: 接合温度の計算ツール(消費電力と熱抵抗から、チップの温度と余裕を求める)、CMOSの消費電力の計算ツール(切り替えと漏れの電力を求める)
• 違いを表で見る: BGA・QFP・QFNの違い(形によって熱の逃がし方も変わる)、ワイヤボンディングとフリップチップの違い
• 図で見る: 図解の一覧(熱抵抗をつないだモデルの図など)
• 次の一歩の用語: DVFS(動的電圧・周波数制御)(仕事の量に合わせて電圧と速さを変える)、パワーキャップ(電力に上限を決めて抑える)
• 関連する記事: 「スマホの中の半導体」「パワー半導体とは?」