このセクションでは、PCの”熱”について考えてみたい。人間も熱があると、体がだるくなったり、汗が異常に流れ出したりして具合が悪くなってくる。PCも同じだ！発熱すると仕事のロスが発生して効率が悪くなる。この”熱”の発生源を考えてみたい。
１． 熱源の種類
昔から暑いときには熱いお茶を飲むのが一番なんて申しますが・・・・・。でもさすがに、暑いからといってＰＣに熱いお茶を飲ませて暑気払いさせるわけにはいきません。
ではどうすればよいでしょうか。まずは発熱要因から追っかけてみることにします。そもそも熱はなぜ発生するのでしょう？図１にＰＣの概要を示しますが、要は供給された電気エネルギーの大部分は熱に変換されてしまうからです。一部は光や音に変換されたり、冷却ファンの送風エネルギーに変換されます。ここで、どれだけ熱が発生するかをちょっと計算してみましょう。
■ 電力Ｐ（Ｗ：ワット）＝（バーツの消費電力の合計）＋（電源のロス）≒（パ－ツの消賢電力の合計）×１．３
■ 熱量Ｈ（ｃａｌ：カロリー）＝０．２４ × η × 電力Ｐ × 時聞ｔ（ｓ：秒）
ηは供給された電気エネルギーのうち何％が熱になるかを示す係数です。ここでは９０％くらいと仮定しておきます。一例として、パーツの合計消費電力が１５０Ｗとすると、１時間で約１５２ｋｃａｌ量の熱量が発生します。１ｃａｌは１ｇの水を１℃上昇させる熱量なので、１５２ｋｃａｌではなんとコーヒー１０杯を沸かす熱量に相当します（２００ｍｌｘ１０杯を７６℃アップする）。
では、各パーツの消費電力はどれぐらいでしょうか。一例を表１（ａ）～（ｃ）に示します。たいていの製品はカタログに最大消費電力あるいは最大必要電流しか書いてなく、実際の発熱量計算に使える平均値は書いていません。パーツによっては動作状況によって消費電カが大幅に変わってしまうので、カタログに書きづらいのかもしれません。
ましてや、熱量計算をして使う人もいないでしょうから、書く必要がないといえばないですね。最大電カしか分からない場合は、その半分を平均電カとして計算しておけばいいでしょう。そんなに大きく外れることはないはずです。
消費電力の変化の大きいものとしては、ＨＤＤ、ＭＯ、ＣＤ－ＲＯＭドライブなどの皿ものがあります。アクセスの具合によっては２倍以上に電力変化する場合も珍しくありません。もっとも、バックアップなどで大量のファイルコビーをするとかサーバでない限り、熱量計算するときは待機電カで見積もっていいでしょう。マザーボードやＣＰＵなどはノート型のように電力管理しているものでなければ、消費電力は比較的安定しています。メモリモジュールは何枚差しても動作するのは１組だけですから、消費電力は１組分で見積もります（厳密にはおのおののリフレッシュ電力が必要ですが、ここでは無視します）。したがって、通常のＰｅｎｔｉｕｍマザーであれば、７２ピンなら２枚、１６８ピンなら１枚分の消費電カだけを考えればいいのです。さらに２次キャッシュのヒット率が高ければメモリアクセスはその分少なくなるので、実際には表１（ｂ）に示した値の３分の１～５分の１程度になるでしょう。ビデオカード、ＳＣＳＩカードなどのカード類はほとんど最大消費電カしか記載がありません。最大値の記載もなければ、ビデオカードのように常時動作しているものは２．５Ｗ、そこそこ動くものは１．５Ｗ、ほとんど動かないものは０．５Ｗくらいで見積もればいいかもしれません。
パーツの中で熱源として問題になるのは、主にＣＰＵとＨＤＤです。ＣＰＵについては後で詳細に説明しますので、ここでは高発熱ＨＤＤの冷却について簡単に触れておきます。ＨＤＤの熱は側面の金具またはベイから放熱するタイプと空気中に直接放熱するタイプがあります。いずれにしろ、使用時の周囲の空気温度は最大で５５℃以下に抑える必要があります。ＨＤＤを５インチベイに実装する場合は、フロントパネルのフタ（ベゼル）に穴を開けるか、完全に取り去って空気が流入するようにしておけば問題はないでしょう。心配ならケースのファンを増設して空気の流入量を増やすか、５インチベゼル実装型の送風ファンを取り付けます。ＨＤＤを内部の３．５インチベイに実装する場合は、空気の流れをケーブルなどが阻害していないかに注意が必要です。ミニタワーの場合は、内部の部品配置の密度が高く、３．５インチベイ付近の空気の流れがかなり悪くなるので、こういった場所に高発熱ドライブを入れるのは考えものです。
表１（ａ） ディスクドライブの消費電力
| デバイス | 待機電力 | 動作電力 | 最大電力 |
| ７２００回転 ９．１Ｇ ＨＤＤ | １３．０Ｗ | １５．７Ｗ | ３６．０Ｗ |
| ７２００回転 ４．５Ｇ ＨＤＤ | ７．８Ｗ | １０．５Ｗ | ２７．０Ｗ |
| ７２００回転 ２．３Ｇ ＨＤＤ | ６．５Ｗ | ８．６Ｗ | ２７．０Ｗ |
| ５４００回転 ４．３Ｇ ＨＤＤ | ４．０Ｗ | ？ | ２４．０Ｗ |
| ５４００回転 ２．２Ｇ ＨＤＤ | ３．４Ｗ | ？ | ２４．０Ｗ |
| ２倍速 ＣＤ－ＲＯＭ | ２．０Ｗ | ３．４Ｗ | １２．０Ｗ |
| ２３０ＭＢ ４５００回転 ＭＯ | ６．０Ｗ | １２．０Ｗ | １８．０Ｗ |
| ２３０ＭＢ ４２００回転 ＭＯ | ？ | ５．０Ｗ | １０．０Ｗ |
| ６４０ＭＢ ３６００回転 ＭＯ | ３．０Ｗ | ５．０Ｗ | １２．５Ｗ |
表１（ｂ） カード、モジュールの消費電力
| 製品種別 | 最大消費電力 |
| ２Ｄビデオカード | ６．５Ｗ |
| ２Ｄ／３Ｄビデオカード | ５．０Ｗ |
| ３Ｄビデオカード | １５．０Ｗ |
| ＳＣＳＩカード | ２．５Ｗ |
| １００Ｂａｓｅ－ＴＸ ＬＡＮカード | ４．４Ｗ |
| ７２ピンＳＩＭＭ １６ＭＢ ＦＰパリあり | ４．５Ｗ |
| ７２ピンＳＩＭＭ １６ＭＢ ＥＤＯパリなし | ４．４Ｗ |
| １６８ピンＤＩＭＭ １２８ＭＢ ＥＤＯ ＥＣＣビットなし ３．３Ｖ | ７．１Ｗ |
| １６８ピンＤＩＭＭ １２８ＭＢ ＥＤＯ ＥＣＣビットあり ３．３Ｖ | ６．３Ｗ |
| １６８ピンＳＤＲＡＭ １２８ＭＢ ＥＤＯ ＥＣＣビットなし ３．３Ｖ | ７．９Ｗ |
| １６８ピンＳＤＲＡＭ １２８ＭＢ ＥＤＯ ＥＣＣビットあり ３．３Ｖ | ８．９Ｗ |
| ７２ピンＳＯ－ＤＩＭＭ １６ＭＢ ＦＰパリなし ３．３Ｖ | １．４Ｗ |
| １４４ピンＳＯ－ＤＩＭＭ ６４ＭＢ ＥＤＯ ＥＣＣビットなし ３．３Ｖ | ３．０Ｗ |
表１（ｃ） マザーボードの消費電流（５Ｖ電源の実測値。単位Ａ）
| ＣＰＵ動作周波数 | Ｗｉｎ９５デスクトップ | Ｓｕｐｅｒπ実行 | ＷｉｎＴａｃｈ実行 |
| ６０ＭＨｚ×１．５ | ３．５７～３．５８ | ３．４２～３．７１ | ３．２８～３．６１ |
| ６０ＭＨｚ×２．５ | ４．３０～４．３１ | ４．２９～４．５７ | ４．０２～４．３３ |
| ５０ＭＨｚ×３．０ | ４．１１～４．１２ | ３．９７～４．３８ | ３．８８～４．１４ |
２． ＣＰＵはなぜ熱くなるの？
最近のＣＰＵは熱いですねえ～。昔のＰＣ－８００１のＺ８０ＣＰＵなんて、ほんの～り温かい感じだったんですが、近ごろのＣＰＵはアイロンでも内蔵しているんじやないかと思うほど熱くなります（目玉焼きでも焼けそう！）。さて、実際どうしてあんなに熱が出るのかをちょっと調べてみました。図２に消費電カが発生するモデルを示します。厳密なモデルではありませんが、ＣＰＵの消費電力を考えるには十分です。このモデルは現在のＬＳｌの主流であるＣＭＯＳ型ロジックの動作原理を反映したもので、押すと開くスイッチ、押すと閉じるスイッチ、電荷を蓄える負荷容量から成り立っています。スイッチに動作クロックを与えるとスイッチが交互に開閉を繰り返し、負荷容量が充放電を繰り返します。このようにして消費されるエネルギーは、１回の充放電で消費されるエネルギーと充放電回数の積で決まります。式で表すと、
■ 電力Ｐ＝｛負荷容量（Ｆ：ファラッド）｝×（電圧）2×｛周波数（Ｈｚ：ヘルツ）｝
となります（実はこの式は電源側にも同じ負荷が付いているとしています）。実際にはＣＰＵ内部のすべてのトランジスタが与えられたクロックで動作するわけではないので、負荷容量の代わりに等価容量で表します。また、最近のＣＰＵは内部コアの電圧や動作クロックが周辺部と異なるので、それぞれ計算して足し合わせることになります。結果として、ＣＰＵの消費電カは次の式で計算できます。
■ 電力Ｐ＝（局辺部等価容量）×（周辺部電源電圧）2×（外部クロック周波数）＋（コア部等価容量）×（コア部電源電圧）2×（内部クロック周波数）
では一例を計算してみましょう。あいにく実際の等価容量が分からないので、周辺部等価容量はマザーボード上の配線容量を含めて０．００３μＦ（μは１０-6）とし、コア部の等価容量は０．００５μＦと仮定しておきます。
■ Ｐ＝０．００３μＦ×３．３Ｖ×３．３Ｖ×６６ＭＨｚ＋０．００５μＦ×２．８Ｖ×２．８Ｖ×２００ＭＨｚ＝１０．０Ｗ
ともかく、等価容量は分からなくても、消費電力は動作周波数に比例し、電源電圧の２乗に比例するということだけでも覚えておくといいでしょう。
図２ 電力消費モデル
３． 放熱を考える
さてＣＰＵが発熱するのは仕方がないとして、ではなぜＣＰＵを冷やさなければならないのでしょうか。もちろん「そりや冷やすことを前提にＣＰＵが設計されているから・・・」というのも正解です。でも、これじや身もふたもないっすねえ（笑）。実は電気的な特性や信頼性（故障率）の観点から冷やすわけですが、それについては後述するとして、ここでは放熱の仕組みや、ＣＰＵによってどれだけ温度が上昇するかについて考えてみましょう。図３に熱放散のモデルを示します。チップで発生した熱は，パッケージ内部を通ってパッケージ表面に出てきます。パッケージ表面に出てきた熱の一部はマザーボードや空気に伝わりますが、大半はＣＰＵクーラ一に伝えられ、クーラーから空気に伝わります（ノートパソコンではマザーボードの放熱効果が大きいが今回は省略）。このような熱伝導によるチップの温度上昇を、正確な物理モデルで計算することは専門家でも容易ではありません。そこで簡単に計算する便宜的な方法として、熱抵抗θ（単位℃／Ｗ）が用いられます。これは１Ｗの電力を与えたら何度温度が上昇するかを実験的に求めたパラメータで、例えば周囲の空気までの熱低抗が１０℃／Ｗのパッケージに１０Ｗの電カを与えると、チップの温度は周囲の空気温度より１００℃上昇します。一般のＬＳＩでは、内部チップ上での動作上限温度は１２５～１５０℃になっています。したがって、最低これを守るためには周囲の空気までの熱抵抗を以下の式の値以内に収める必要があります。
■ 許容熱抵抗＝（チップ上限温度－周囲温度）／消費電力
例えば、チップ上限温度を１２５℃、周囲α温度を５５℃とし、ＣＰＵの消費電力を２０Ｗとすると３．５℃／Ｗが限度となります。チップからパッケージ表面までの熱抵抗はユーザーが変えることはできませんので、ＣＰＵクーラーによってパッケージ表面から周囲の空気までの熱抵抗を抑えることになります。仮にパッケージ表面までが１℃／Ｗであれば、ＣＰＵクーラーは２．５℃／Ｗ以下のものを選択することになります。ＰＣショップでよく売られている山洋電気のＣＰＵクーラー（１０９Ｐ５４１２Ｈ２０２６）であれば、カタログ値で０．９７℃／Ｗですので十分です。もっとも半導体メーカーは動作周囲温度を７０℃あるいは８５℃まで保証しなければならないので８５℃で消費電力２０Ｗだと山洋のクーラーでぎりぎりＯＫというところでしょう。ちなみに、ＣＰＵクーラーなしだとチップから周囲の空気まで２０℃／Ｗ、うちわで一生懸命パタパタあおいでもせいぜい１０℃／Ｗです（笑）。これではよほど低クロックで動かさない限りＣＰＵがオーバーヒートしてしまいます。なお、いくらクーラーの性能がよくてもパッケージと密着していないことには十分な効果を上げられません。通常は、シリコングリスなどを接触面に塗って熱的密着度を上げます。シリコングリスは小銭で買えるほど安価ですから、ぜひ使ってください。
図３ 熱放散のモデル
４． 熱とスピードの関係
「半導体工場では毎朝、工場長が神棚にお神酒を捧げて”今日はスピードの速いチップがたくさん取れますように”とお祈りする」って話を皆さんはご存じですか？これは冗談です（笑）。しかし、本当にやっていても不思議がないくらいに半導体の”収穫”は運任せの部分があります。図４に、あるスピードのＣＰＵが収穫できる確率分布を示します。この分布は製造プロセスの改良によって変わり、現在どのレベルにあるのかは寡聞なため分かりません。しかし、ともかく取れたものは売ってしまわないと商売になりません。スピードの速いものも、遅いものも製造原価は同じなのですが、遅いものは売価を低くして注文の分布が製造分布に一致するよう調整しています。ところで、半導体というのはとても熱に敏感な素子です。ＣＰＵの温度が下がれば下がるほど動作可能な周波数は高くなります。一方で、半導体メーカーは広い温度範囲（０～＋７０℃、あるいは－４０～＋８５℃）で動作することを保証しなければなりません。例えば＋８５℃で１６６ＭＨｚ動作保証した製品は、常温（半導体では２５℃を意味する）ではもっと高い周波数でも動作します。このような特性変化の例を図５に示します。ＣＰＵ速度は電源電圧によっても変化するので、図５ではそれも含めています。この特性変化を悪用したのが、さきごろ話題になったリマーク品です。１６６ＭＨz品なら常温で２００ＭＨｚ程度ならたいていの場合動くでしょう。信頼性（故障率）に関しても、もともと２００ＭＨｚで動作するチップと変わりないので問題はありません。唯一の違いは、高温環境（例えば、真夏のエアコンのない部屋）では動かないかもしれないということだけです。実際には，そういう環境は少ないので、リマーク品がまかり通るのです。これとは逆に、放熱の仕方が悪いと保証値でも動かない場合があります。例えば、メーカーの＋８５℃保証値が特定のＣＰＵクーラーを装着した場合であって、チップの温度上昇を３０℃しか見込んでいないとします。ユーザーが周囲温度が３５℃だからといっていい加減なクーラーを付け、チップの温度上昇が９０℃あったとしたら、チップ温度はメーカーの条件を１０℃上回り、保証値で動かなくなる可能性があります。つまり所定の性能を得たければ、きちんと冷却する必要があるわけです。最近、「熱暴走」という言葉を聞きますが、私は好きではありません。暴走というと普通より速く走るイメージがあるのですが，実際は熱によってスローダウンして、所定のクロックで動かなくなるのですから、熱でへこたれるとか、のぼせて倒れるとかいったほうがいいのではないでしょうか？本当の熱暴走という現象も、まれにありますが、この場合は過電流破壊によってチップが死にます（笑）。冷やしても二度と動きません。
図４ ＣＰＵの収穫分布表
５． 熱と故障の関係
パソコンなど一般のセットの使用周囲温度は、せいぜい３５℃までしか保証していません。それなのになぜ＋８５℃を保証したＣＰＵを使うのでしょうか。もちろん密閉されたケース内部は温度が上昇しますが、それでも５５℃を超えないように設計するのが通例です。結論をいえぱ、これは余裕を見ているわけですが，何に対する余裕かといえば、信頼性（故障率）に対する余裕です。図６に温度と半導体の故障率の関係を示します。温度上昇に対して故障確率が指数関数的に増加しています。半導体の故障要困はいろいろあるので故障メカニズムについてはここでは説明しきれませんが、統計的には下記の式で故障率の増加を予測できます。
■ △ｆ（故障率増加率）＝ｅｘｐ（１１６００×Ｅ×（１／（２７３÷Ｔ１）－１／（２７３÷Ｔ２）））
ここでのＥは、活性化エネルギー係数と呼ばれ、０．７程度がよく使用されます。一例として、Ｔ１＝２５℃、Ｔ２＝８５℃とすると、△ｆ＝９６となります。つまり故障の確率が１００倍近くも上昇するということです。
ただし、勘違いしないでいただきたいのは，熱そのものがＣＰＵの破壊要因ではないということです。破壊の要因は電圧や電流であって、熱はその破壊効果を増幅する役割を持っているのです。電源が接続されていない状態では多少の熱（３００℃以下？）でも壊れません。試しに、ＣＰＵをてんぷら鍋に入れて空揚げにしてみてください（もちろんあなた自身のリスクで！笑）。たぶん壊れることはないでしょう。実際にやる場合は、もしかしたら急激な温度変化による熱応力で壊れるかもしれませんので、あらかじめ熱湯で予熱し（ポットのお湯は不可）、手早く水気を切ってからてんぷら鍋に入れてください。破壊要因が電圧や電流と聞いて、ピンとくる人は少ないかもしれません。そこで一例として、ＣＰＵ内部で電圧がどれほどのストレスを生み出しているか計算してみることにしましょう。
図２をもう一度見てください。スイッチを押す部分の矢印に隙間が空いていますが、実際のトランジスタではここに絶縁体が入っています。その厚さは少し前のＣＭＯＳロジックでも０．０５μｍしかありません。ここに３．３Ｖの電圧がかかるわけです。５ｃｍの間隔に換算すると、なんと３３０万Ｖの電庄がかかっていることに相当します。空気中では確実にスパークが発生します。同様にμｍサイズの領域ではわずかな電流でも大きな電流密度になるのです。
これだけのストレスが通常状態でかかっているわけですから、過度のクロックアップ（３００～５００ＭＨｚ？）によって過大な電流が流れたり、電源電圧を規格以上に上げたりすると、十分冷却していても故障率が著しく高くなります。
以上、熱の発生に関することを述べてきましたが、快適なコンピューティングを目指すのなら、ＣＰＵやケースの冷却は必須です。暑い時期に冷却を考え、快適なコンピューティングができるシステムなら、１年を通して問題のないシステムになるに違いありません。
図６ 温度と故障率の関係
以上
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