CPUの冷却装置（上）

CPUの冷却装置（シーピーユーのれいきゃくそうち）は高温になるCPUを冷却するための装置。通称CPUクーラー。

本項では特に断りのない限り、パーソナルコンピュータ（パソコン・PC）に付いているCPUの冷却装置について解説する。

概要

現在のCPUは高密度に集積された半導体素子であり、電流を流せば（動作させれば）発熱するが、高温になるといくつかの問題が起きる。

電気抵抗率の変化による半導体機能（オーバーヒート#コンピュータ、熱暴走）・導体機能の問題。
異常な熱膨張・収縮によるパッケージの寿命の問題。

十分な冷却を行わない場合、前者は即時的な機能不全を、後者は著しい寿命の低下をもたらす。一見正常に機能したとしても冷却不足であった場合は、設計上の寿命よりはるかに早く故障する可能性がある。

初期のパソコンのCPUはNMOS回路を利用していたが、1980年代にその発熱が問題になり、CMOS回路に移行して、一度は問題を解決した。だが、その動作速度が向上するにつれて消費電力が増大し、発熱の問題が再燃した。

パソコンでCMOS半導体を利用したCPUの発熱が問題視され始めたのは1993年前後の486の頃からで、雑誌で「CPUで目玉焼きができるか」等の企画が出されたり[注釈 1]、2001年頃には「このままのペースで発熱が増加すれば、CPUの発熱による単位面積あたりの熱流量は間も無く原子炉のそれを上回り、2015年には太陽のそれに達する」と主張された事もある[1]。

実際、CPUの最大発熱量（TDP）は2010年までの20年以上にわたりほぼ一貫して上がり続けており[2]、それに伴い冷却装置も強化されてきた。

一般に単体販売されるCPUには強制空冷式の冷却装置が付属しているが、性能を高めたり静音に注力した冷却装置も別に販売されている。

またパソコンに限らず、高速なCPUが搭載されている家庭用ゲーム機（テレビゲーム）や一部娯楽家電[注釈 2]には、なんらかの冷却装置が搭載されている。

自然冷却（ファンレス）

冷却ファンなどは使用せず、筐体内の自然対流と電源装置の排気による負圧を利用した換気によって、冷却する方法。

表面放熱

冷却するための装置・部品を一切使わずに、プロセッサの表面から放熱させる方法。組み込み機器のプロセッサでは一般的であるが、発熱量が高い最近のデスクトップパソコン向けCPUでは不可能である。

マイクロプロセッサの黎明期からおよそ数ワットの消費電力であったIntel 80386や68030の頃までは、放熱のために特別な部材は装着されておらず、プロセッサ表面から放熱していた。

しかし最近は、表面放熱量を増やすことのできるCPUの設置方法が採用されることがある。

例えば、モバイルコンピューターで、CPUをキーボードと平行になるように設置し、キーボードの裏面の金属製フレームに密着させ、ここから放熱する方法である。ただしこのような表面冷却は、きわめて薄型であるモバイルコンピューターでしかできないうえ、ファンを使う冷却装置に比べ放熱量も限られている、

ヒートシンクの利用

プロセッサの表面にヒートシンクを取り付けて放熱する方法。CPUクーラー専用の冷却ファンを用いずに、筐体の吸排気ファンや電源装置に取り付けられた放熱ファンによって生じる筐体内部のエアフローを用いて、ヒートシンクに空気を当て冷却する。

他の冷却方法と比べて仕掛けが簡単で無音で冷却することが可能だが、発熱の高いプロセッサを冷却するには巨大なヒートシンクが必要になる。

i486・68040の隆盛期に入り、クロック周波数がおよそ30MHz以上になり、消費電力が数十ワットに達すると、プロセッサ表面だけでは充分な放熱ができなくなり、CPUの上に放熱性の高い金属製のヒートシンクを取り付けるようになった。ヒートシンクにより放たれた熱は筐体の排気ファンや電源ファンから強制的に外部に出される。

CPUの発熱がさらに増大すると、これでも放熱が追いつかなくなり、Pentium以降のx86プロセッサでは、ヒートシンクにファンを取り付けて強制空冷を行うことが一般的になった。

Pentiumをはじめとするx86プロセッサが性能に比例して増大する発熱に対応して冷却装置の強化に迫られたのに対し、性能当たりの消費電力が比較的少ないPowerPCを採用したMacintoshでは、CPUの冷却装置に小型でファンレスのヒートシンクを採用しつづけた。

特に消費電力の低いPowerPC G3を搭載したiMac、PowerPC G4を搭載した Power Mac G4 Cubeは筐体の放熱ファンも廃止してエアフローを意識したファンレス設計とし、極めて静音性に優れていた。構成部品のヒートシンクから放たれた熱は空気の自然対流で外部に逃がされる。

2000年代後半になると、x86プロセッサでも、Atom・Geode・C7など、発熱量の少ない省電力CPUのラインナップも充実し、ファンレスのPC/AT互換機が現れた。また、発熱量がさほど多くないCPU（Core 2 Duo、Core i7、Core i5の一部など）でも静音化のためCPUファンを排除する場合もある（Mac miniなど）が、それなりの大きさのヒートシンクが必要になる。

なお、一般的なチップセットは、2009年現在もヒートシンクのみによる冷却が用いられることが多い。