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横置きしたXbox Series X(写真:スタジオキャスパー)
横置きしたXbox Series X(写真:スタジオキャスパー)
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 「この設計おかしくないですか」「本当だ。これだとちゃんとSoC(System on a Chip)を冷やせないよね」─。2020年11月中旬。日経BPの会議室に集まったハードウエア技術者たちは、分解途中の米Microsoft(マイクロソフト)の「Xbox Series X」を片手に頭を悩ませていた。

 Xbox Series Xは、米Sony Interactive Entertainment(SIE、ソニー・インタラクティブエンタテインメント)の「PlayStation 5(PS5)」の対抗機として、マイクロソフトが市場に送り込んだ据え置き型ゲーム機だ。

 このXbox Series Xでは、SoCを冷却するヒートシンクに「ベーパーチャンバー」と呼ばれる放熱部品を利用する(図1)。技術者たちの目には、この配置が常識外で、冷却する役目を十分に果たさないのではないかと映ったのだ。

図1 Xbox Series Xに搭載されたベーパーチャンバー
図1 Xbox Series Xに搭載されたベーパーチャンバー
熱源に接する部分は銅板でできている。SIEのPS5などで用いられているヒートパイプと比べて非常に高価で、原価は25米ドル程度と推定される。(写真:スタジオキャスパー)
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 ベーパーチャンバーとは、熱拡散機構を備えた平板型の装置である。ヒートパイプと同じく、内部の作動液の蒸発や凝縮潜熱を利用し、効率的に熱を拡散させるが、一般的な棒状のヒートパイプよりも冷却性能が高いとされている。

 ベーパーチャンバーの構造は2枚の金属板を貼り合わせた形で内部が中空になっていて、純水などの作動液が封入されている。この作動液が熱源部分に当たり、蒸発して内部に拡散して温度を下げる。拡散して冷却後は凝縮して液体に戻り、内壁などに配置された、毛細管力を発生させる「ウィック」と呼ばれる構造体を通じて、熱源部分に作動液が戻っていく仕組みである(図2)。

図2 ベーパーチャンバーの仕組み
図2 ベーパーチャンバーの仕組み
熱源で熱せられ、蒸発した液体が冷やされてまた熱源に戻るというシステム。熱源には、ウィックという毛細部を通して、毛細管力で液体を移動させる。(図:大日本印刷の資料を基に日経クロステックが加筆して作成)
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 この循環の仕組みでは、熱源に作動液を触れさせて蒸発させる必要があるため、熱源部分が下面にある「ボトムヒートモード」で使用するのが一般的だ。重力によって凝縮した液が、熱源部分に戻るようにするためだ。

 もし熱源がベーパーチャンバーの天面側にあるような向きの場合は、作動液が熱源ではない場所にたまって想定の冷却性能を発揮しにくくなってしまう。この状態を「トップヒートモード(逆作動)」と呼ぶ。つまり、ベーパーチャンバーを配置する向きによって冷却性能が大きく劣ってしまうのである。