高性能サーバー向けCPUパッケージの冷却設計における課題

この紹介論文は、「Heat Transfer Engineering」に掲載された論文「Challenges in Cooling Design of CPU Packages for High-Performance Servers」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: 高性能サーバー向けCPUパッケージの冷却設計における課題 (Challenges in Cooling Design of CPU Packages for High-Performance Servers)
• 著者: Jie Wei
• 発行年: 2008
• 掲載学術誌/学会: Heat Transfer Engineering (Taylor & Francis Group)
• キーワード: CPU冷却 (CPU cooling), 高性能サーバー (high-performance servers), 熱管理 (thermal management), 熱界面材料 (thermal interface materials), ヒートスプレッダ (heat spreaders), 消費電力 (power dissipation), ヒートシンク (heat sinks), 非対称放熱 (asymmetric heat dissipation), パッケージ冷却 (package cooling)

2. 抄録:

高性能サーバーのCPUパッケージにおける高密度かつ非対称な放熱に対処する冷却技術について論じる。熱管理スキームと関連技術の開発を、産業応用の観点からレビューする。特に、パッケージ内の熱伝導とパッケージ/ヒートシンクモジュールからの熱除去に注目する。高性能マイクロプロセッサの消費電力とパッケージ冷却特性を分析する。チップ/ヒートスプレッダアセンブリにおけるインジウム-銀合金の熱的・機械的性能を研究した、新しい金属系熱界面技術の開発を紹介する。また、ダイヤモンド複合放熱材料など、他の熱管理材料に関する研究についても報告する。ヒートパイプとベイパーチャンバーの強化された熱拡散能力を示すために、いくつかの実際のパッケージ設計について説明する。

3. はじめに:

高性能コンピュータサーバーは、重要なデータ処理能力と計算能力が要求される最先端の研究、開発、サービス分野で広く利用されている。これらのサーバーには、高速かつ大規模な伝送性能に加え、高い信頼性、高効率、そして低消費電力、小型化、低騒音などの環境適合性が求められる。高性能マイクロプロセッサ（CPU）の消費電力は継続的に増加している。さらに、小型化と設計の複雑化は、プロセッサ内の電力分布を非常に非対称にしており、一部の局所領域ではチップ平均よりもはるかに高い電力密度が生じ、いわゆる「ホットスポット」が発生する。これらのホットスポットは、局所的な温度上昇とチップ全体にわたる大きな温度勾配を引き起こし、プロセッサの性能と信頼性に悪影響を与え、冷却効率も低下させる。加えて、高密度パッケージングによる局所的な周囲温度の上昇と、高い信頼性を確保しリーク電流を抑制するための接合部温度低下の要求により、温度バジェット（許容温度範囲）が縮小し、高性能プロセッサパッケージの熱管理における課題が増大している。パッケージレベルでの冷却能力は、プロセッサのアーキテクチャと設計にとって極めて重要であり、サーバーメーカーの研究開発における主要な焦点と考えられている[1-3]。典型的な高性能プロセッサパッケージの構造（図1）は、第1レベルの熱界面材料（TIM-1）を介してチップに接着された統合ヒートスプレッダ（IHS）を特徴とする。TIM-1はチップとIHSを熱的および機械的に結合する。IHSはチップからの熱をより広い領域に拡散させ、非対称な電力分布によって引き起こされるチップ上の温度勾配を最小限に抑える。空冷ヒートシンクは、第2レベルの熱界面材料（TIM-2）を間に挟んでIHSに取り付けられ、ヒートシンクフィンから周囲の空気へと熱を放散する。本研究では、プロセッサの消費電力特性の分析と関連するパッケージ冷却技術のレビューに基づき、高密度かつ非対称な消費電力への対応における課題を議論する。これには、チップとそのヒートスプレッダを結合するための新しい金属系熱界面技術の特性、複合放熱材料の効果などが含まれる。

4. 研究の要約:

研究テーマの背景:

高性能サーバー向けCPUにおける消費電力の増加、電力密度の増大、特に非対称な電力分布（ホットスポット）は、深刻な熱管理の課題を引き起こしている。これらの課題は、小型化のトレンドと許容動作温度範囲の縮小によってさらに悪化し、サーバーの性能、信頼性、冷却効率に影響を与えている。パッケージレベルでの効果的な冷却が不可欠である。

先行研究の状況:

高性能サーバーCPUパッケージには、様々な冷却技術が適用されてきた。例としては以下のようなものがある：

• 金属系TIM-1と銅/アルミニウム製ヒートシンクを用いたシングルチップパッケージ（例：Fujitsu PRIMEPOWER2500, SunFire-E25K）。
• グリースTIMを用いたチップ直接実装（例：NEC SX-8）。
• 個別のヒートスプレッダと共通の銅製キャップを用いたスタック設計（例：IBM POWER4）、熱抵抗低減のためのスモールギャップ技術（SGT）（例：IBM POWER5, z-Server）、またはデュアルレイヤーインターフェース（例：Hitachi M5800）を用いたマルチチップモジュール（MCM）冷却。
• MCM向けのサーモサイフォンベースのヒートシンクを用いた高度な空冷（例：Fujitsu GS8900）。
• 水冷キャップへの直接はんだ付け（例：Hitachi MP6000）、MCMに取り付けられた水冷コールドプレートへのポンプ循環（例：Fujitsu GS8900 Turbo）、液体噴霧衝突冷却（例：Cray Supercomputer）を含む液冷。

研究の目的:

本研究の目的は以下の通りである：

• 高性能サーバーCPUパッケージにおける高密度かつ非対称な放熱に対処する冷却技術を議論する。
• 産業応用の観点から熱管理スキームと関連技術をレビューする。
• 高性能マイクロプロセッサの消費電力特性とパッケージ冷却の特徴を分析する。
• 金属系熱界面技術（特にIn-Ag合金）の開発を紹介する。
• ダイヤモンド複合材などの先進的な熱管理材料に関する研究を報告する。
• パッケージ設計におけるヒートパイプとベイパーチャンバーの強化された熱拡散能力を説明する。

研究の核心:

本研究の核心は以下の点にある：

1. CPU消費電力の分析: トレンド（ITRSロードマップ予測）、平均対ホットスポット密度（図4）、非対称電力分布がチップ温度に与える影響（図5）、リーク電力の重要性の増大とその温度依存性（図6, 7）を調査する。
2. 先進的な熱界面材料（TIM）の調査: チップとIHS間の接続に使われるTIM-1に焦点を当て、金属系のIn-10Ag複合材を紹介し、はんだと比較した熱性能を評価する（図9, 表1）。TIM-1内のボイド（空隙）がチップ温度分布に与える影響をシミュレーションする（図8, 10, 11, 表2）。
3. 放熱材料の評価: ヒートスプレッダにおける高い熱伝導率と整合した熱膨張係数（CTE）の重要性を議論する。数値シミュレーションを用いて、従来の材料（AlN, Cu）と比較した複合材料（ダイヤモンド-シリコンカーバイド、Al-ダイヤモンド、Cu-ダイヤモンドなど）の性能を調査する（図12, 13, 表3）。
4. 強化されたヒートシンク冷却の評価: ヒートシンクベース内部にヒートパイプやベイパーチャンバーを組み込むことで熱拡散を強化し、空冷限界を拡大する方法を探求し、従来の設計と比較してその性能と重量を実験的に評価する（図14, 15, 表4, 5）。

5. 研究方法:

研究デザイン:

本論文はレビューと分析のアプローチを採用している。業界の実践、公開された文献、技術ロードマップ、著者によって実施または引用された特定の技術調査（モデリング、シミュレーション、実験を含む可能性がある）からの情報を統合している。高性能サーバーCPU向けの冷却技術における課題を特定し、その進歩を提示することに焦点を当てている。

データ収集・分析方法:

• 文献レビュー: 様々なサーバーメーカー（富士通、Sun、NEC、HP、IBM、日立、Cray）の冷却ソリューションを引用し要約する。
• トレンド分析: 国際半導体技術ロードマップ（ITRS）のデータを用いて電力密度のトレンドを示す（図4）。
• モデリングとシミュレーション:
  • パワーマップに基づいてチップ温度分布を予測する（図5）。
  • モデリングとテストデータに基づいて消費電力の構成要素（リーク対ダイナミック）を分析する（図6, 7）。
  • TIM-1内のボイドがチップ温度に与える影響をシミュレーションする（図10, 11, 表2）。
  • 異なるヒートスプレッダ材料がチップ温度分布に与える影響をシミュレーションする（図12, 13）。
• 材料特性評価/試験: ASTM試験に基づいた金属系界面材料（In-10Ag対はんだ）の熱性能データを提示する（図9, 表1）。
• 実験的試験: 風洞実験装置を用いて、異なるプロトタイプヒートシンク（ヒートパイプやベイパーチャンバーを含む）の冷却性能と重量を評価・比較する（図15, 表5）。

研究テーマと範囲:

本研究は、高性能サーバーにおけるCPUパッケージの熱管理の課題と解決策を対象とする。主なトピックは以下の通りである：

• CPU消費電力の特性（密度、非対称性、ホットスポット、リーク電流）。
• 既存のパッケージ冷却技術（空冷および液冷）のレビュー。
• 先進的な熱界面材料（TIM）、特に金属系TIM-1（In-10Ag）とボイドの影響。
• 先進的な放熱材料（複合材）とそのチップ温度均一性への影響。
• ヒートシンクの空冷能力を強化する技術（ヒートパイプ、ベイパーチャンバー）。
  範囲は主に産業的な観点からのパッケージレベルの熱管理に焦点を当てている。

6. 主な結果:

主な結果:

• CPUの電力密度は上昇し続けており、平均で50 W/cm²に近づき、ホットスポットは潜在的に200 W/cm²に達すると予測され、深刻な熱的課題を生み出している（図4）。非対称な電力分布は、チップ上に大きな温度変動を引き起こす（図5）。
• リーク電力はCPUの総消費電力のかなりの部分を占めるようになり、温度に対して強い指数関数的な依存性を示すため、接合部温度の低減が極めて重要になっている（図6, 7）。
• 開発されたIn-10Ag複合材を用いた金属系TIM-1は、従来のSn-Pbはんだと比較して低い熱抵抗を示し、延性や広いプロセス温度範囲といった有利な特性を提供する（図9, 表1）。
• TIM-1内のボイド、特にチップのホットスポット上にあるものは、熱性能を著しく低下させ、局所的な温度上昇を引き起こす。シミュレーションでは、直径2.5 mmを超えるボイドの場合、10°C以上の温度上昇が予測される（図10, 11）。
• ダイヤモンド複合材（k ≈ 600 W/m·K）などの先進的なヒートスプレッダ材料は、従来の金属（Cu, AlN）や他の複合材と比較して優れた熱伝導率を提供し、より均一なチップ温度と低いピーク温度をもたらす（図12, 13, 表3）。
• 大きなフットプリントを持つヒートシンクのベースにヒートパイプやベイパーチャンバーを組み込むことは、熱拡散を効果的に強化し、固体金属ベースと比較して全体の空冷性能を向上させ（テストケースでは10-20%）、多くの場合、同時に重量削減も実現する（図15）。

図のリスト:

• Figure 1 CPUパッケージとヒートシンクモジュールの典型的な構造。
• Figure 2 富士通GS8900の空冷MCMパッケージ。
• Figure 3 富士通GS8900（Turbo）の液冷MCMパッケージ。
• Figure 4 高性能マイクロプロセッサの電力密度。
• Figure 5 テストプロセッサチップ上の温度分布。
• Figure 6 UltraSPARC64 VおよびVIプロセッサの消費電力。
• Figure 7 UltraSPARC64 Vプロセッサの温度対消費電力。
• Figure 8 In-10Ag TIM-1を示すパッケージ断面図。
• Figure 9 いくつかの金属系界面材料の熱性能。
• Figure 10 TIM-1内のボイドがチップ上の温度分布に与える影響。
• Figure 11 TIM-1内のボイドによって引き起こされる接合部温度の上昇。
• Figure 12 ヒートスプレッダ材料がチップ上の温度分布に与える影響。
• Figure 13 ヒートスプレッダの熱伝導率に対する基準レベルからの接合部温度上昇。（基準レベルは、調査対象のチップと同じ総放熱量を持つが、均一な放熱分布を持つチップの温度である。）
• Figure 14 サーバーパッケージ用空冷ヒートシンクの特性。
• Figure 15 様々なヒートシンクの冷却性能と重量の比較。

7. 結論:

高性能サーバー向けCPUパッケージの熱管理は、消費電力の増加、密度の増大、非対称性（ホットスポット）、小型化、デバイスの複雑化により、重大な課題に直面している。本論文ではこれらの課題を議論し、CPU消費電力の特性をレビューし、先進的な熱ソリューションに関する調査結果を提示した。探求された主要な領域には、先進的な熱界面材料（TIM-1用の金属系In-10Agなど）、高熱伝導率の放熱材料（複合材を含む）、空冷ヒートシンクの冷却能力を強化する方法（ヒートパイプやベイパーチャンバーの使用）が含まれる。産業界は、コスト効率の良い従来の冷却技術の限界を押し広げると同時に、将来の高性能プロセッサの熱要求を満たすために先進的なソリューションを積極的に追求するという、極めて重要な必要性に直面している。

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9. 著作権:

• この資料は「Jie Wei」氏による論文です。「Challenges in Cooling Design of CPU Packages for High-Performance Servers」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.1080/01457630701686727

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