テキサス大学の研究チームが、データセンターの冷却効率を劇的に改善する新しい熱伝導材料（TIM）を開発した。液体金属合金のガリンスタンとセラミック材料の窒化アルミニウムを組み合わせた新素材は、従来の液体金属冷却材と比較して最大72%の性能向上を達成し、データセンターのエネルギー効率改善に大きな可能性を示している。
画期的な冷却性能を実現する新素材
新開発のTIMは、16平方センチメートルという小さな面積から2,760W（ワット）もの熱を放散できる性能を持つ。この驚異的な冷却性能の鍵を握るのが、液体金属合金「ガリンスタン」とセラミックの革新的な組み合わせだ。ガリンスタンはガリウム、インジウム、スズから成る液体金属合金で、これに窒化アルミニウムセラミックの微細な粒子を特殊な方法で分散させることで、従来にない高い熱伝導性を実現している。
研究チームが採用したメカノケミストリーと呼ばれる製造プロセスが、この画期的な性能向上の要となっている。この手法により、液体金属中にセラミック粒子を最適な状態で分散させることが可能となった。その結果、両素材の界面に形成される特殊な勾配構造を通じて、熱がきわめて効率的に移動できるようになった。
さらに注目すべきは、この新素材が従来の熱伝導材料が直面していた大きな課題を克服している点である。これまでの材料は理論上の性能と実際の性能の間に大きな開きがあったが、新素材はこのギャップを大幅に縮めることに成功。Thermalright社やThermal Grizzly社といった既存の液体金属製品と比較して、56%から72%という劇的な性能向上を実証している。
この技術的ブレークスルーは、高性能プロセッサの高密度実装を可能にするだけでなく、冷却システム全体の効率化にも貢献する。実験結果によれば、冷却ポンプの消費電力を65%も削減できる可能性が示されており、これはデータセンターの運用コストとエネルギー消費の大幅な削減につながる重要な進展といえる。
データセンターのエネルギー効率改善への貢献
この革新的な熱伝導材料がもたらすデータセンターへの影響は、単なる冷却性能の向上にとどまらない。現在、データセンターは施設全体の消費電力の約40%を冷却システムに費やしており、これは年間約8TW（テラワット）/時という膨大な電力量に相当する。新素材の実用化により、この消費電力を13%削減できる可能性が示されており、データセンター全体の電力使用量を5%以上低減できると研究チームは試算している。
この改善効果の重要性は、今後のデータセンター需要の急増を考えると一層際立つ。Goldman Sachsの予測によれば、2030年までにデータセンターの電力需要は160%も増加する見込みだ。特に人工知能（AI）の普及により、2023年から2030年の間に年間200TW/時もの追加的な電力消費が見込まれている。このような状況下で、冷却効率の大幅な改善は運用コストの削減だけでなく、環境負荷の低減にも大きく貢献する。
新素材のもう一つの重要な利点は、プロセッサの高密度実装を可能にする点である。従来の冷却技術では限界があった発熱量の大きいプロセッサの集積度を、オーバーヒートの心配なく向上させることができる。これは、同じスペースでより高い処理能力を実現できることを意味し、データセンターの空間効率も改善できる。
現在、研究チームは実験室での成功を実用化につなげるべく、大規模生産の準備を進めている。データセンターパートナーとの実地試験に向けて、材料の合成スケールアップとサンプル製造に取り組んでいる。ただし、Thermalright社やThermal Grizzly社などが提供する一般消費者向けのPC用熱伝導グリスとしての市販化は、まだ時間を要する見通しだ。テキサス大学コックレル工学部のGuihua Yu教授は、「冷却インフラの消費電力は今後も増加し続ける。キロワット級以上の電力を使用する機器を効率的に冷却するための新しい方法の開発は極めて重要だ」と、この研究の意義を強調している。
論文
- Nature Nanotechnology: Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels
参考文献
- The University of Texas at Austin: New Thermal Interface Material Could Cool Down Energy-Hungry Data Centers
研究の要旨
大きな出力レベルで動作する電子システムやデバイスには、熱放散のための洗練されたソリューションが求められます。 高い熱伝導率を持つ材料は、理想的な条件下ではナノスケールやマイクロスケールの界面での卓越した熱輸送が期待できるが、現実のアプリケーションに典型的な複雑な熱界面では、その性能が数桁不足することが多い。 この研究では、実用と理論のギャップを埋めるために、ガリンスタンと窒化アルミニウムから成るメカノケミストリーを介したコロイド液体金属を紹介する。 これらのコロイドは、実際の熱界面において0.42～0.86 mm2 K W-1の熱抵抗を示し、主要な熱伝導体よりも一桁以上優れている。 この優れた性能は、液体-固体界面を効率的に熱輸送する勾配ヘテロ界面と、顕著なコロイドのチキソトロピーに起因する。 実用的なデバイスでは、マイクロチャンネル冷却と組み合わせることで、16cm2の熱源から2,760Wの熱を取り出す能力を実験結果が示しており、ポンプの電力消費を65％削減することができる。 このサーマルインターフェース技術の進歩は、キロワットレベルで動作するデバイスを効率的かつ持続的に冷却するための有望なソリューションとなる。
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