シリコン冷却チップが将来のトレンドになるかどうか疑問に思っていたなら、次の事実が確信につながるはずだ。現在、この分野で事業を展開している企業は 2 社ある。xMEMS は、2 年足らず前に発表された Frore Systems AirJet の競合製品である XMC-2400 を発表した。
xMEMSがxMEMS XMC-2400 µCoolingと呼ぶチップは、AirJetのラップトッププロセッサクーラーの直接的な競合ではありません。現時点では、スマートフォンやタブレット、そしてSSDをターゲットとしています。しかしながら、これはFroreのAirJet Mini Slimとその将来のロードマップと衝突することになります。一方、xMEMSは、この極小サイズの冷却チップをより大型で堅牢なものにスケールアップすると発表しています。
半導体の冷却ソリューションの多くは、銅やアルミニウムなどの金属を用いて熱を伝導するヒートシンクを用いたパッシブ冷却と、ブロワーによる強制空冷を用いたアクティブ冷却のいずれかです。アクティブ冷却は一般的に放熱性に優れていますが、ファン、ブロワー、あるいはヒートパイプアレイは高価で、貴重なスペースを占有します。
微小電気機械システム（MEMS）は、両方の長所を兼ね備えています。小型で、既存のチップの外部に簡単に接続できます。また、振動膜を一種のファンのように利用し、冷たい空気を吸い込み、チップパッケージの加熱された表面に押し付け、熱くなった空気をシステムを通してデバイス外に排出するため、受動的な冷却ソリューションよりも効果的です。
議論は依然として同じです。チップがどれだけ高速に動作しても、長時間にわたって最高速度に達することはできません。こうした「ターボ」モードは通常、せいぜい数秒しか持続しません。つまり、チップの速度はチップの性能を左右する要因ではないと、xMEMSなどの企業は主張しています。重要なのは冷却です。
「ARM、Intel、Nvidiaなどのサプライヤーに依存せず、プロセッサの各世代は性能と消費電力のバランスを改善しています」と、xMEMSのマーケティングおよび事業開発担当副社長であるマイク・ハウスホルダー氏は述べています。「しかし、システムレベルでは、シリコンの最大性能仕様を長時間にわたって達成することは不可能です。これは常にシステムの熱放散によって制限されます。つまり、性能はもはやシリコンの能力によって制限されなくなったのです。」
ウィリス・ライ
「要するに、熱管理の課題は減るどころか、増えていると思います」とハウスホルダー氏は語った。
Frore Airjet の導入は、まさに 2022 年の最もエキサイティングな発表の 1 つでした。現在、xMEMS は独自の見解を持っています。
XMC-2400 と Frore AirJet の違いは何ですか?
写真からでもそのアプローチの違いは明らかです。Froreが現在製造している最小のデバイスはAirJet Mini Slimで、サイズは27.5mm x 41.5mm x 2.5mmです。それに比べると、XMC-2400はわずか9.26mm x 7.60mm x 1.08mmと非常に小型です。
なぜでしょうか？xMEMSは長年MEMSデバイスを製造してきましたが、冷却用途ではありませんでした。XMC-2400は、小型イヤホンに内蔵されたスピーカーとしてMEMSデバイスを製造してきた同社の伝統を受け継いでいます。ハウスホルダー氏によると、MEMSメンブレンを音を出すために使用していたものから、チップを冷却できるものへと移行したのは自然な流れだったそうです。
ウィリス・ライ
xMEMS技術はCreative Aurvana Ace 2などの製品に搭載されており、SoundGuys.comはこれをハードドライブからSSDへの移行におけるオーディオ版と評しました。昨年11月、xMEMSは超音波トランスデューサーを発表しました。通常は人間の可聴音を超える音域ですが、同社の技術により可聴音を生成することが可能になりました。「つまり、実際には同じピエゾMEMSプラットフォームですが、用途が転換され、音楽再生時に可聴音を生成する代わりに、空気の流れを生成するようになりました」とハウスホルダー氏は述べています。
圧電素子は、圧力を加えると電圧を発生させ、その逆も可能です。この場合、膜は物理的に動きます。「会社設立当初から、超音波技術から音を生み出せれば、そこから冷却製品が派生する可能性があると念頭に置いていました。今回発表するのはまさにそのことです」とハウスホルダー氏は語りました。
「超音波の周波数を調整することで、可聴音に調整したり、空気の流れに調整したりすることができます」とハウスホルダー氏は付け加えた。
Frore社のAirJetと同様に、メンブレンが一方向に振動すると冷気が吸い込まれ、チップ自体のヒートスプレッダーに押し付けられます。これにより、比較的加圧された空気で満たされた空洞が形成され、その後、リリースバルブから排出されます。通気口はパッケージの上部または側面に設置できます。Housholder氏によると、XMC-2400は双方向冷却であるため、1台のXMC-2400でチップを直接冷却し、もう1台を通気口付近のシステム内の別の場所に設置して、システム外への空気の吸引または排出を補助することができます。
xMEMS
ハウスホルダー氏によると、xMEMSの利点は効率性にある。同社は、1つのダイで1,000Paの背圧で毎秒39立方センチメートルの空気を移動させると予測している。各ダイにはMEMSバルブのアレイが搭載されており、今回のXMC-2400には2×4のアレイが合計8個搭載されている。同社によると、体積当たりの空気流量効率は500で、フローレ社の31.3を上回っている。また、サイズはAirJet Mini Slimの39分の1で、消費電力は20～30ミリワットと10分の1に抑えられている。AirJetと同様に、xMEMSチップは実質的に無音である。
XMC-2400は2チップソリューションで、バルブの開閉を制御する制御ASICも搭載されます。現時点ではMEMSチップ自体は動作可能で、制御ASICの最初のリビジョンを既に受領しており、数ヶ月以内に稼働開始する予定だとハウスホルダー氏は述べています。
将来: 待ってください、冷却チップレット?!
ハウスホルダー氏によると、xMEMSはXMC-2400をスマートフォンに搭載する予定で、フラッグシップスマートフォンに加え、ゲーミングスマートフォンへの搭載も検討しているという。XMC-2400は現在試作段階にあるため、顧客はまだ発表されていない。xMEMSは2025年第1四半期にXMC-2400のサンプル出荷を予定している。
SSDもターゲットだ。「今なら対応できると思います」とハウスホルダー氏は述べた。「この市場は、現状の当社のチップに非常に適していると思います。」
現在、同社はTSMCとBoschの両社でチップを製造しており、後者は世界トップクラスのMEMSファブだとハウスホルダー氏は述べた。xMEMSには、技術をスケールアップする手段がある。例えば、各チップダイ内のバルブアレイの数を増やすなどだ。xMEMSはまた、2つのXMC-2400が連携して小型ファンを動かすデモも披露した。xMEMSや顧客が複数のチップを連携させて動作させることが不可能な理由はない。
そしてハウスホルダー氏は、さらに興味深い可能性を示唆しました。XMC-2400またはその派生モデルを、従来のマイクロプロセッサのSOC内に冷却チップレットとして組み込むというものです。もちろん、これはあり得ない話ではありません。Intelの次期Lunar Lakeチップは複数のチップレットで構成されており、TSMC製のチップレットも複数搭載されています。
つまり、チップベンダーの同意が必要となり、SOCパッケージ自体にも通気孔を設ける必要がある。また、冷却性能がどの程度向上するかも不明だ。「私たちは確かにその分野の専門家ではありません」とハウスホルダー氏は述べた。「しかし、繰り返しになりますが、可能性は存在すると考えており、ぜひとも検討したいと考えています。」
現時点で最も重要な影響はSSDにあるようです。SSDは、既存の汎用パッシブヒートシンクに加えて、1つではなく2つのアクティブ冷却ソリューションの可能性を秘めています。しかし、xMEMSが冷却ソリューションを改良し、物理的に拡張していくにつれて、CPUを含むノートパソコン内のより多くのコンポーネントの選択肢も増えていくでしょう。そして何より嬉しいのは、冷却チップが単なる面白いコンセプトではなく、本格的な市場になりつつあるということです。
