スマホにCPUクーラーは必要？

質問

• スマホやタブレットにはCPUクーラーがない理由
• デスクトップパソコンやノートパソコンのCPUクーラーの重要性
• スマホにCPUクーラーが必要なのか疑問

回答No.8

parts

う～ん。面白い話ですが、やはり歴史を知らなければ、ファンやヒートシンクは絶対に必要だと錯覚するのでしょうね。

その昔、パソコン創世記の頃は、CPU（以下プロセッサ）にはファンはおろかヒートシンクでさえもついていなかったのです。それが、DX4（i486世代)辺りからかなヒートシンクが付き、P6世代（Pentium Pro～PentiumIII）にはほぼファン無しは無くなりました。
Pentium4世代で、FANが大型化し、TDPが最大130Wにまで達しました。史上最高のTDPに対応するBTXマザーが登場したのが、この頃です。

もともとプロセッサはクロック周波数が低ければ、発熱は小さく抑えることができます。
また、Out-Of－Order型のプロセッサでなければ、今でも2GHz前後なら、ヒートシンクや放熱版でも動作する可能性が高いです。現にAtomでは一部製品でヒートシンクのみのものも販売されています。

では、どうすれば発熱を抑えられるのか、そしてどうしてプロセッサは熱くなるのかというと、回路内を流れる電気は、少しずつ漏れるからです。プロセッサの中には、電気の流れる小さな回路があります。その周りには、絶縁素子が張られています。そして、演算を行うスイッチにも絶縁回路があります。そこを高いクロック（振幅）で稼働させると、スイッチングを早めるほど電気を多く使うようになります。すると、絶縁体を超えて徐々に電気が逃げてしまい、それが熱に変化するのです。
これを、漏れ電流（リーク電流）といいます。絶縁体は電気抵抗を持っていますから、絶縁体に逃げる電気が多いほど、発熱が大きくなるのです。

簡単に言えば、扇風機などを高回転にすれば電気代も上がるのと同じです。そして、回転するモーターもより熱くなります。

ちなみに、例えばパソコンのプロセッサでもとても低い周波数で動かせば、発熱は小さく抑えることができます。（一定以上に下がることはありませんが、かなり小さくは抑えられます）

これが、プロセッサの特徴なのです。

その前提で、言えば携帯も低いクロック周波数（GHzやMHz）で動かせば、発熱は小さくなりますが、スマートフォンは結構高い周波数で動くものも増えています。これは、何故ヒートシンクが不要なのかというと、プロセッサの周りに専用の放熱板や、放熱用のグリスが使われていることがまず一点。
それとは別に、プロセッサ自体も低リーク電流で周波数は2GHz未満ぐらいに抑えるような仕組みを取り入れていること、さらに先に述べたOut-Of－Order型ではないプロセッサを使うことも影響しています。

Out-Of－Order型のプロセッサというのは、命令の実行順序に従わない処理方法のことです。
In-Orderと反対の意味があります。プログラムが発行する命令は一般に連続しています。しかし、その命令に関連性があるとは限りません。例えば、A+Bの結果が、Cであり、そのCをDに足しなさいという命令なら、連続で処理する必要がありますが、独立したA+B、C+Dがあるなら、それは順番に実行する必要が無いのです。

そこで、Out-Of－Orderでは、命令が処理回路に届いた順番に順次実行します。それが、１番、2番の順でなく、2番、1番、3番の順でも問題がないと予測された命令は、どんどん実行するのです。（順番が変わる理由もありますが、ここでは割愛します）
これが、アウトオブオーダーというものです。
この方式では、一応スケジューリングと呼ばれる命令の順番を最適化する機能が事前に使われます。また、命令を実行する回路に目星を付ける処理も行われ、迅速に処理ができるように順番を整えるのです。（これを分岐予測と言います）
この回路を持つと、処理に多くのステップを求めるようになり、半導体の面積が大きくなります。しかも、処理回路の前にあり、フル稼働を常に行う傾向があり、電気を沢山食い高いクロックで長時間動く回路が増えるようになります。

結果的に、発熱が大きくなり、ファンが必要になることが多くなるのです。
これが、パソコンのプロセッサです。

他にも、プロセッサそのものの物理的な大きさと、層の厚さなども影響しますし、プロセス技術（回路の幅）なども影響します。そして、利用する金属ゲートの種類でも高クロックでの発熱の大きさは変わります。

スマートフォンに用いるプロセッサは、総じて省電力になるように設計され、熱として消えるエネルギーを最小に抑えるように開発されています。そして何より小さいため、使う電力も小さくなり、熱源となるものの大きさも小さくなるため、熱密度（発生する熱源が例えば1cm四方にどれだけあるかなどをいう）さえ抑えることができれば、放熱もしやすいという特徴があります。

パソコン用は、そもそもプロセッサのサイズが大きく使う電気も大きくなっています。それに加えて全体的に熱を発する回路が多用されているため、ファンやヒートシンクがなければ、熱暴走へと繋がりやすいのです。

ただし、スマートフォン用も規定よりも高いクロックで動かせば、熱暴走の恐れがあります。
その逆に、パソコン用でもとても低いクロックで動かせば、ヒートシンクやファンなしで、動作する場合もあるでしょう。まあ、実用には耐えられないぐらい遅くなるでしょうけどね。

このぐらいかな？

尚、パソコンのプロセッサにヒートシンクやファンを付けなかった場合、たいていは途中でシステムがダウンします。ただし、現在は温度センサー（サーマルセンサー）がCPUには最低1カ所以上、内蔵されており、発煙や発火まで至ることはありません。また、先に述べたようにCPUによっては、ファンがなくともヒートシンクだけで何とか出来る場合もあります。これらは、熱設計をしっかり把握して筐体内の熱源配置をすれば可能となります。（デスクトップのタワー側などで、Atomなら出来る場合が多いでしょう）

いかがでしょうか？