xMEMS、AIグラスおよびデータセンター機器向け固体冷却チップの量産を開始

メガネやスマートフォンに搭載するAI処理能力を高めると、シリコンの高速化だけでは解決できない問題が生じる。発生した熱をどこかへ逃がさなければならないのだ。xMEMS Labsは、従来型のファンを搭載できない薄型デバイスや、ホットスポットの近くに送風を必要とする小型データセンター部品を対象に、固体式マイクロ冷却技術の量産を進めている。

サンタクララの同社によると、XMC-2400およびXMC-4800 µCoolingチップの生産が始まった。XMC-2400を搭載する最初の商用製品は、2027年初頭に登場する見込みだ。つまり、製造上の節目と消費者が製品を入手できる時期は別である。部品の量産が始まっても、それを搭載したスマートフォン、ヘッドセット、ストレージ機器がすでに販売されているとは限らない。

2種類のチップは、異なる熱設計上の要件に対応する。XMC-2400は、AIグラスやXRグラス、個人向けSSDなどの小型エッジデバイスを対象とする。XMC-4800は、より多くの風量を供給し、スマートフォン、エンタープライズSSD、その他の低消費電力データセンターサブシステムに対応する。

固体冷却チップが空気を送る仕組み

この技術は、xMEMSのpiezoMEMS半導体プラットフォームを用いて、回転する羽根やベアリングを使わずに指向性のある気流を生み出す。同社によると、シリコンのみで構成されたアーキテクチャにより、狭いマイクロチャネル内に空気を送り、プロセッサー、メモリー、ストレージコントローラーなど、熱を発生する部品の近くに設置できる。

同社の技術概要では、仕組みがさらに詳しく説明されている。シリコン上の薄膜圧電材料が、超音波周波数で伸縮する。微細な膜とバルブアレイがその動きを空気のパルスに変え、上面または側面に排気口を設けたパッケージが、対象に向けて気流を導く。

したがって、「固体式」とは、従来型の回転ファン機構がないことを指し、物理的な動きがないという意味ではない。気流は、微小な振動構造によって生み出される。この違いは、熱を拡散させるものの、空気を能動的に送り出すわけではない受動的な素材と比べる際に重要となる。

量産品の仕様から分かること

提供された量産開始の発表資料には以下の仕様が記載されており、現在の製品ページの内容とも一致する。風量、背圧、消費電力の数値はベンダーが公表した仕様であり、最大値を、どのような設置システムでもすべて同時に達成できる保証と捉えるべきではない。

小型製品の内部では、空気が抵抗の大きい経路を通らなければならない場合があるため、背圧は重要な指標となる。風量の数値だけでは、チップをチャネルや排気口、周囲のハードウェアと組み合わせて組み込んだときに、どれだけの空気がホットスポットに届くかは分からない。冷却性能全体は、システムの設計によって決まる。

xMEMSによると、メガネ、スマートフォン、SSDを対象とした試験で、顧客はチップおよびシステムの温度を10～25°C低下させている。この発表では対象デバイスが明らかにされておらず、共通の試験方法も示されていない。そのため、これらの数値は報告された結果の一例であり、すべての環境で期待できる温度低下を示すものではない。

エッジAIで持続的な性能が重要な理由

短時間のベンチマーク実行と、長時間にわたる負荷では、体感が異なることがある。デバイスは負荷の高いモデルを一時的に高速で実行した後、熱が蓄積するとプロセッサーのクロックを下げる場合がある。連続的な画像処理やリアルタイム支援などの用途では、ピークスコアよりも、長時間にわたって性能を維持できることのほうが重要になり得る。

エッジAIの熱管理に関するホワイトペーパーで、xMEMSは、スマートフォン、SSD、AIグラスには共通の制約があると述べている。冷却スペースがほとんどない筐体の中で、演算密度を高めなければならないという制約だ。同社は、既存の熱対策構造に局所的な対流を加える方法として、能動式マイクロ冷却を位置づけている。

能動冷却にも電力が必要となる。工学上の課題は、熱設計の余裕が増すことで得られる利点が、電力消費、実装スペース、コストに見合うかどうかだ。メガネの場合、装着者の近くにある表面へ熱がどう伝わるかも考慮しなければならない。プロセッサーの近くに空気を送るだけでは、完成した製品が快適であることの裏付けにはならない。

データセンター機器内部の局所冷却

データセンターでの用途は、AIラック全体を冷却することよりも対象が具体的です。xMEMSは、SSD、レーザーモジュール、メモリー、リタイマーなどのサブシステムを、局所的な送風の対象として挙げています。同社の量産開始の発表では、液冷の対象が高出力CPUやGPUの周辺に集中するなかでも、こうしたコンポーネントには冷却の恩恵が期待できると説明しています。

この技術は、大規模な熱管理システムを補完する可能性があります。ストレージコントローラーの近くに小型エアポンプを設置することは、大型アクセラレーターから熱を運び去ることとは別の課題に対処するものです。どちらの手法も、最終的にコンポーネントから熱を逃がし、周囲の冷却システムへ運ぶ経路を確保できるかどうかが成否を左右します。

デモから量産可能な製品へ

xMEMSは、2024年にXMC-2400を発表しました。今回の量産開始の発表は、サンプル提供やデモを重ねてきた期間を経て行われたもので、小型のスマートグラス部品向けXMC-1200を含む、同社の幅広い製品群の一環でもあります。xMEMSの小型冷却技術を以前取り上げた記事では、別の製品の発表を紹介しました。

xMEMSのサーマルマネジメント事業部門でバイスプレジデント兼ゼネラルマネージャーを務めるMike Housholder氏は、量産を、顧客の大規模な需要に対応するための一歩と位置付けています。また同社は、シリコンアーキテクチャーを、エッジAIプロセッサーとパッケージに統合した熱管理ソリューションを将来的に実現するための選択肢として提示しています。ただし、これは今後の開発の方向性であり、今回の発表で製品の機能として確立されたものではありません。

次に注目すべき証拠は、完成したシステムから得られるでしょう。具体的には、持続的な性能、表面温度、バッテリーへの影響、信頼性、製造歩留まりです。量産への移行により、マイクロ冷却はコンポーネントのデモ段階を超えます。顧客が統合製品を市場に投入するにつれて、AIウェアラブルや小型ストレージの実用上の限界を変える技術となるかどうかが、より明確になるでしょう。