AIサーバーおよび高消費電力GPU向けサーマルパッド

AIサーバーに用いられるサーマルパッドは、通常、ヒートシンク、コールドプレート、またはシャーシの下に異なる高さに配置されたHBM、VRM、メモリ、パワーデバイス、ネットワークコントローラ、その他のコンポーネントを冷却するために使用されます。しかし、それらが必ずしもメインのGPUダイとの接合部に最適な材料であるとは限りません。その接合部には、多くの場合、はるかに薄いTIMが必要となります。 適切な選定を行うには、まず各熱経路、隙間、および圧力制限を個別に把握することから始めます。.

この違いは、AIアクセラレータがもはや広々としたシャーシの中で静かに動作する、控えめなアドインカードではなくなった今、より重要になっています。ある NVIDIA H100 SXM 最大700 Wまで設定可能ですが、 AMDは、基板のピーク消費電力を750 Wと記載している Instinct MI300Xの場合。1つのプラットフォームに8つのアクセラレータを搭載すると、発熱はもはや副次的な問題ではなくなります。設計上の制約となるのです。.

とはいえ、コールドプレートが搭載されているからといって、サーバーが自動的に冷却されるわけではありません。熱は、パッケージ、界面材料、スプレッダー、コールドプレート、冷却ループ、そして施設システムを通過しなければなりません。ある接点でわずかな問題が発生しただけで、まるで1車線しか開いていない料金所のように、チェーン全体が停滞してしまう可能性があります。.

このガイドでは、サーマルパッドが適している場面とそうでない場面、そして単なるスペック上の数値に惑わされることなく適切なものを選ぶ方法について解説します。本ガイドは、ベンチテストだけでなく実際の生産現場でも機能する材料を必要とする、熱設計エンジニア、サーバー設計者、受託製造業者、データセンターのハードウェアチーム、および購買担当者向けに作成されています。.

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AIサーバーが熱伝導材にこれほど大きな負荷をかける理由

AIサーバーは、高出力のアクセラレータ、高帯域幅メモリ、電力変換装置、および超高速相互接続を、高密度な筐体内に統合しています。空気や液体による放熱は、熱がヒートシンクやコールドプレートに到達して初めて行われます。したがって、コンポーネントとこれらの冷却ハードウェアとの間の熱界面は、温度マージン、持続動作周波数、ファンの消費電力、信頼性、および稼働時の挙動に影響を及ぼします。.

NVIDIAのH100公式仕様 SXMバージョンの定格出力は最大700 Wです。. AMDは、ボードのピーク消費電力を750 W、HBM3の容量を192 GBと記載している MI300Xについて。これらは直接的な比較ではありませんが、現代のアクセラレータ・モジュール周辺に集中する熱の規模を示しています。.

ラックレベルでは、数字があっという間に膨れ上がっていきます。. ASHRAEのAIデータセンターのエネルギー性能フレームワーク 本稿では、ラックあたり50～120kW以上の範囲に特化したAI環境について論じ、その密度に合わせて設計された冷却アーキテクチャを推奨しています。施設の冷却は確かに重要です。しかし、サーバー内部のコンポーネントとコールドプレートの接合部が不十分な場合、施設側の冷却だけではそれを解決することはできません。.

インターフェースの設計を難しくしている3つの傾向は次のとおりです：

• より少ない面積で、より大きなパワー。. モジュールの総面積が増加しなくても、熱流束は上昇する。.
• アクセル周辺のその他の部品。. HBMスタック、電圧レギュレータ、相互接続デバイス、およびパワーステージは、さらなる発熱箇所を生み出します。.
• 機械的余裕が少なくなる。. 大型のパッケージ、ファインピッチの配線、高密度基板では、制御されていないクランプ力は好ましくありません。.

この仕事の目的は、単に「GPUを冷却する」ことだけではありません。モジュールを歪ませたり、隣接するコンポーネントとの接触を妨げたり、現場でのメンテナンス作業を困難にしたりすることなく、GPU、メモリ、および電源供給を同時に許容範囲内に収めることです。.

まず、どのインターフェースを設計しているのかを把握しましょう

AIアクセラレータには複数の熱インターフェースが含まれており、それぞれが異なる役割を果たしています。主要なGPUパスでは、多くの場合、ダイ、リッド、ヒートスプレッダー、またはコールドプレートの間に薄い材料が使用されます。一方、コンポーネントの高さにばらつきがある場合や、より大きな距離を埋める必要がある場合には、ギャップパッドがより一般的に使用されます。これらの配置を混同すると、仕様不備を招き、場合によっては非常にコストのかかる手直し作業が必要になることもあります。.

TIM1：一体型ヒートスプレッダーまたはパッケージリッドへの接合

TIM1は、パッケージ内部のシリコンダイまたはチップレットと、リッドまたはヒートスプレッダーの間に配置されます。その材料としては、はんだ、高性能ペースト、フィルム、あるいはその他のパッケージ専用に設計された材料が使用される場合があります。サーバーメーカーは通常、これを交換することはありません。ダイの応力、反り、接着性、および長期信頼性は密接に関連しているため、この界面の管理はパッケージサプライヤーが行います。.

TIM2：パッケージの蓋からヒートシンクまたはコールドプレートへ

TIM2は、パッケージの蓋と外部冷却ハードウェアを接続します。この接合部は通常薄く、慎重にクランプされます。 グリース、相変化材料、高性能フィルム、あるいはその他の低接着線TIMが一般的に使用されます。両面が平坦で、主な目的が界面抵抗を可能な限り低くすることである場合、従来の厚さ数ミリメートルのギャップパッドが第一の選択肢となることはほとんどありません。.

HBM、VRM、および関連コンポーネント周辺のギャップパッド・インターフェース

サーマルパッドは、メモリストック、電圧レギュレータ、インダクタ、コントローラ、リタイマー、あるいは裏面実装部品などが、高さの差があるにもかかわらず、共通のスプレッダー、フレーム、リッド、またはコールドプレートに接続する必要がある場合に、その役割を果たします。このパッドは、測定可能な隙間を埋め、公差を吸収します。また、電気的絶縁や振動吸収の役割も果たす場合があります。.

基板とシャーシ間のインターフェースおよびバックプレートとのインターフェース

設計によっては、モジュールの裏面やサーバー基板から構造プレートへと続く二次的な放熱経路を設けるものもあります。パッドを利用することで、低強度の熱を拡散させ、局所的な高温箇所を軽減し、そうでなければ遊休状態となるシャーシの領域を活用することができます。バックプレートによる放熱経路は有用ですが、それだけでは、性能の低い一次GPU放熱経路を魔法のように置き換えることはできません。.

図面で6か所すべてを「サーマルパッド」と表記している場合は、一度立ち止まって考えてみてください。材料の仕様は、漠然とした調達名称ではなく、機械的な接合部の仕様に基づいて決定すべきです。.

AIおよびGPUサーバー内部でサーマルパッドが使用される場所

サーマルパッドは、サーバーにおいて、高さの異なるコンポーネントと冷却面との間に、クリーンで再現性があり、圧縮可能な接合部が必要な場合に使用されます。代表的な適用対象としては、HBMやメモリデバイス、電圧レギュレータ、パワーモジュール、バックプレート、ネットワーク用半導体、ストレージコントローラ、補助プロセッサなどが挙げられます。特に、1枚のプレートが複数の異なる高さのコンポーネントに接触する場合、その役割は極めて重要となります。.

HBMおよびその他のメモリデバイス

高帯域幅メモリは、短くて幅の広い接続によって膨大なデータフローがサポートされるため、アクセラレータのすぐ近くに配置されています。この近接性はパフォーマンスの面では優れていますが、冷却の面では厄介です。HBMの温度とGPUの温度は、同じパッケージレベルの環境に影響を及ぼす一方、パッケージの共平面性や局所的な反りは、接触状態に影響を与えます。.

柔らかいパッドやその他の順応性の高い熱伝導材料（TIM）を使用することで、メモリ領域をリッドやコールドプレートに接続することができます。この材料は、パッケージに過度な力を加えることなく熱を伝達できなければなりません。また、熱サイクル後も接触状態を維持できる必要があります。硬くて熱伝導率の高いパッドが、必ずしも安全であるとは限りません。パッケージにとっては、スプレッドシート上のW/mK値よりも、柔らかさが重要となる場合があるからです。.

新たなメモリアーキテクチャの登場により、この点はさらに重要性を増しています。. SKハイニックスは、iHBMのコンセプトについて公に説明した これは、将来のHBMインターフェース付近に冷却要素を追加するものです。これはパッケージレベルの方針であり、ドロップインパッドの推奨事項ではありませんが、業界の注目点がどこにあるかを如実に示しています。すなわち、メモリの発熱はもはや二次的な問題ではなくなっているのです。.

VRM、パワーステージ、インダクタ

アクセラレータモジュールには、大規模な電力変換が必要です。MOSFET、集積型パワーステージ、ドライバ、インダクタなどは、GPU周辺に熱を集中させる原因となります。これらの部品は高さや表面形状がさまざまであるため、1枚の平らなコールドプレートを直接装着することは困難です。.

パッド、パテ、および使い捨ての隙間充填材が一般的な候補となります。冷却プレートが導電性である場合や、その近くに露出したノードがある場合は、電気絶縁が必要になることがあります。インダクタの場合、接触面が平らでないことがあるため、コンフォーマリティが重要になります。隣にあるインダクタが耐えられるからといって、壊れやすいパッケージに硬いパッドを押し付けてはいけません。.

GPU用バックプレートおよび補強フレーム

バックプレートは、機械的な支持や二次的な放熱経路として機能する場合があります。パッドを用いることで、高温となる裏面領域をそのプレートに接続することができます。これはアドインカードで一般的な手法であり、サーバーモジュールやエッジAIハードウェアにも採用されることがあります。.

バックプレートの冷却は、アセンブリ全体の一部として評価する必要があります。スタンドオフやネジが荷重を支えきれない場合、厚いパッドによってPCBが反ってしまう可能性があります。また、温まったバックプレートも、熱を放散する場所が必要です。金属板は短時間のみ熱を蓄える役割を果たすだけであり、最終的には気流、フレーム、あるいは別の放熱経路が必要となります。.

ネットワークインターフェース、リタイマー、およびスイッチ用半導体

GPUサーバーには、高速NIC、DPU、リタイマー、PCIeスイッチ、ファブリックコンポーネントも搭載されています。これらのデバイスは、専用のヒートシンクを使用する場合もあれば、サーバーのカバーに接合される場合もあります。間隔が判明しており、メンテナンス時にカバーを取り外す場合は、ダイカットパッドを使用することで配置を簡素化できます。.

SSD、コントローラ、および補助コンピューティングリソース

NVMeドライブ、BMCコントローラ、CPU、ストレージアクセラレータは、シャーシ全体に点在する小さな発熱源となります。パッドを使用することで、これらをキャリアや気流誘導型のヒートスプレッダーに接続することができます。設計上の目標は、最大熱流束ではなく、信頼性と温度の均一性にある場合があります。.

マーケティング上の数値よりも重要なサーマルパッドの特性

実装されたインターフェースの性能は、熱伝導率、厚さ、接触抵抗、圧縮、面積、表面平坦度、および経年変化によって左右されます。高い W/mK 値は、所定の測定方法に基づく材料の1つの特性を表すものです。これだけでは、GPUのホットスポット温度を予測することはできません。エンジニアは、現実的な厚さと圧力条件下で候補となるパッドを比較検討し、完成したモジュールにおける性能を確認する必要があります。.

熱伝導率と熱インピーダンスの関係

熱伝導率は、熱が材料内部をどの程度容易に伝わるかを示します。熱インピーダンスまたは熱抵抗は、特定の界面条件における温度損失を表します。単純な均一な層の場合：

R = t / (k × A)

ここで、, t は厚さであり、, k は導電率であり、 A は接触面積です。実際の接合部では、両方の表面に接触抵抗が生じます。したがって、確かに、12 W/mKのパッドが、より柔らかい6 W/mKのパッドよりも厚かったり、表面にほとんど接触していなかったりする場合、性能で劣る可能性があります。.

読む TIM選定における熱伝導率と熱インピーダンスの関係 そして W/mKの値が高いからといって、必ずしも冷却性能が優れているとは限らない理由 見出しの数値を比較する前に。.

ボンドラインの厚さと実際の隙間

組み立て後の最小、公称、および最大の隙間を測定する。この際、パッケージの高さ、部品の公差、はんだのばらつき、基板の反り、コールドプレートの平坦度、ガスケットの圧縮、締結順序、および熱膨張を考慮に入れる。.

選定したパッドは、最大ギャップでは接触し、最小ギャップでは力制限値を下回っていなければなりません。「安全のため」に1 mmを追加することは、無償で済むわけではありません。厚みを増すと熱伝達の経路が長くなり、通常は負荷が増大します。.

ハクタクの サーマルパッドの厚さ選定ガイド そして 厚さの公差ガイド スタックアップのプロセスをより詳しく説明してください。.

圧縮、弾性係数、および総力

圧縮により空気が押し出され、材料が密着しやすくなります。圧縮が不十分だと、接触が不完全になります。圧縮が強すぎると、基板が反ったり、はんだ接合部に過大な負荷がかかったり、部品にひびが入ったり、あるいはGPUとコールドプレートの主要な接合面に支障をきたしたりする可能性があります。.

総力は、圧力に面積を掛けたものです。この単純な事実が、チームを惑わせることがあります。2本の指で挟んだときに柔らかく感じるパッドでも、大きなモジュールを覆う場合、大きな荷重を生み出すことがあります。.

硬度を圧縮曲線の代わりとして用いてはいけません。該当する厚さと温度における応力-ひずみデータ、または圧縮-たわみデータを請求してください。その後、以下をお読みください。 圧縮がサーマルパッドの性能に与える影響 そして サーマルパッドの圧縮率：どの程度が適切か？.

電気絶縁

セラミックを充填したポリマーパッドの多くは電気絶縁性を持っています。一方、グラファイトや一部の特殊な高性能材料はそうではありません。パッドが、露出した導体、電力段、または接地された冷却装置と交差しているかどうかを明確にしてください。絶縁耐力、体積抵抗率、貫通抵抗、沿面距離、および空気隙間は、包括的な電気安全計画の一部を構成します。.

IEC 60243-1 電力周波数における固体絶縁材料の絶縁耐力試験について解説しています。良好な試験結果は材料選定の参考にはなりますが、サーバー全体の認証を保証するものではありません。Haktakのガイドによると、 電気絶縁性のある熱伝導パッド 実用的な背景情報を加える。.

圧縮永久ひずみと長期接触

AIサーバーは、安定したクランプ荷重下で連続運転が可能です。時間の経過や温度の影響により、ポリマーパッドが弛緩したり、永久歪みが生じたりする場合があります。特に、サイクル運転後やメンテナンス時の分解後には、接触圧力が低下する可能性があります。.

圧縮永久ひずみの測定方法を確認してください。測定時間、温度、圧縮率、回復期間のすべてが重要です。その後、実際のスタック環境において、経年変化後の熱性能を検証してください。未使用のサンプルは完璧に見えるかもしれませんが、数ヶ月間荷重がかかると、界面の余裕が徐々に失われていくことがあります。.

ポンプアウト、ドライアウト、および相安定性

ポンプアウト現象は、固体パッドよりも、グリース、ゲル、相変化材料においてより頻繁に議論されます。繰り返しの膨張により、柔らかい熱伝導材料（TIM）が高温領域から遠ざかることがあります。また、乾燥や分離も性能に影響を与える可能性があります。固体パッドは自由な流動には抵抗しますが、過度に圧縮されるとクリープ、破断、または押し出されることがあります。.

どんなフォーマットも、時代遅れになることを免れることはできません。ただ、その失敗の様相が変わるだけです。.

GPUサーバー用サーマルパッド材料

ほとんどのギャップパッドは、熱伝導性粒子を配合したポリマーバインダーを使用しています。シリコーンエラストマーは、柔らかく、安定性が高く、加工が容易であるため、広く用いられています。シリコーンを含まないバインダーは、汚染に敏感なシステムに対応しています。セラミック充填材は熱伝導性と電気絶縁性を兼ね備えていますが、グラファイトは優れた熱拡散性を発揮する一方で、導電性があり、異方性を持っています。.

シリコン製熱伝導パッド

シリコン製熱伝導パッド 厚さ、硬度、熱性能の幅広い範囲に対応しています。HBM、VRM、メモリ、裏面部品に密着させることができ、かつダイカットも容易です。.

懸念される事項としては、シロキサンの移行、シリコーンオイルの滲出、あるいは顧客側の材料制限などが挙げられます。これらの問題は用途によって異なります。シリコーンパッドが必ずしも不純物を含むわけではなく、シリコーンを含まないパッドが必ずしもアウトガス量が少ないわけでもありません。実際のリスクを明確に定義してください。.

シリコーン不使用の熱伝導パッド

シリコーン不使用の熱伝導パッド 機密性の高い接点、光学機器、コーティングや接着工程の近く、あるいはハイパースケーラーが制限物質リストを定めている場所では、この要件が求められる場合があります。プロジェクトにおいて「シリコーンフリー」が何を意味するのか、また特定の分析試験やアウトガス試験が必要かどうかを明確にしてください。.

参照 非シリコーン系熱伝導材料の理解 そして 低アウトガス性熱材料とは何か？ 化学的推定値と実測排出量との差について。.

黒鉛シートおよび黒鉛熱伝導パッド

グラファイト製熱伝導パッド 局所的な高温箇所から熱を横方向に伝播させることができます。その面内熱伝導率は、多くの場合、厚さ方向の熱伝導率よりもはるかに高くなります。また、電気伝導性があり、一般的に、厚みのあるエラストマー製ギャップパッドよりもたわみにくい性質を持っています。.

グラファイトは、熱がより大きな冷却面に入る前に熱を拡散させることで、パッドの性能を補完することができます。その構造がそのような用途向けに設計されていない限り、一般的な厚みのある隙間充填材として指定すべきではありません。.

補強・断熱フィルム

ガラス繊維やポリマーによる補強により、取り扱い性、耐引裂性、および寸法安定性が向上します。. 耐熱シリコンクロス 表面が比較的平坦な、薄い電気絶縁接合部に適しています。ただし、補強を行うと密着性が低下する可能性があるため、表面が不均一なインダクタや高さの異なる部品を使用する場合は、接触状態を確認してください。.

セラミックフィラーおよびバインダーの選定

一般的な電気絶縁性充填剤としては、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、その他のセラミック系材料が挙げられます。配合は、導電率、柔らかさ、密度、表面特性、およびコストに影響を与えます。充填剤の量を増やすと導電率は向上しますが、剛性も高まる可能性があります。最適な配合とは、これらの要素のバランスが取れたものであり、少々退屈な答えではありますが、正直なところそれが正解です。.

サーマルパッド、グリス、PCM、ジェル、それとも液体ギャップフィラー？

ギャップが明確に定義されている場合、ダイカットによる配置が付加価値をもたらし、手直しや清浄度が重要な場合は、パッドを使用してください。薄型でクランプされる主要な接合部には、グリースまたは相変化材料を使用してください。繊細な部品、複雑な形状、あるいはギャップのばらつきが大きい場合は、ゲル、パテ、または液体のギャップフィラーの使用を検討してください。液体冷却はヒートシンクそのものを変えるものであり、この基本的な接合部の論理を変えるものではありません。.

水冷化によってサーマルパッドは不要になるのでしょうか？

いいえ。ダイ直結型液体冷却は、空気冷却側のヒートシンクに取って代わるか、あるいはそれを補助する役割を果たしますが、熱は依然として、コールドプレートに入る前にパッケージと部品の界面を通過します。HBM、パワーデバイス、リタイマー、バックプレートの周囲には、依然として熱伝導パッドが残っている場合があります。実際、コールドプレートの性能が向上すれば、内部界面抵抗が総温度上昇に占める割合が大きくなる可能性があります。.

その MetaのAIトレーニングプラットフォームに関するOpen Compute Projectの論文 高出力モジュールにおいては、パッケージ内部の抵抗、反りの抑制、およびTIMの適用がますます重要になっていると指摘されている。液体は強力だが、接触不良を補うことはできない。.

空冷式、水冷式、および浸漬冷却システムには、それぞれ異なる解決策が必要となる

冷却アーキテクチャは、あらゆる熱伝導材料（TIM）を取り巻く境界条件を決定します。空冷サーバーは、ヒートシンクの抵抗、気流、および吸気温度に大きく依存しています。ダイレクト液体冷却は、コールドプレートをチップにより近づけることができますが、その一方で、冷却液の温度、流量、圧力に関する制約が加わります。浸漬冷却では、材料の適合性や密閉性に関する課題が生じます。したがって、1つのパッドの仕様を、これら3つの方式すべてに無条件に適用すべきではありません。.

空冷式GPUサーバー

多くのPCIeアクセラレータ、推論サーバー、エッジシステム、および低密度ラックにおいては、空冷が依然として実用的な選択肢となっています。多くの場合、パッドを介してメモリやVRMがメインヒートシンクやバックプレートに接続されています。これらの熱伝達経路の有効性は、ファン特性曲線、フィンの熱抵抗、および再循環によって決まります。.

パッドの圧力が強すぎると、メインヒートシンクがGPUの接合面からわずかに浮き上がってしまうことがあります。その結果、メモリの温度は下がる一方で、GPUのホットスポットの温度は上昇するという奇妙な状況が生じます。接触状態の確認と、固定具の取り付け順序が重要です。.

チップ直結型液体冷却

コールドプレートは、より低いファン出力で高い熱負荷を除去し、より厳密な温度制御を実現できます。ASHRAEは、電子機器の熱密度が高まるにつれて空冷の限界が逼迫しているため、液体冷却の重要性が増していると述べています。このシステムでは、施設用水、CDUまたは技術用冷却ループ、コールドプレート、クイックディスコネクト、制御装置、および漏洩対応を連携させる必要があります。.

部品レベルでは、コールドプレートの平坦度とモジュールの反りには細心の注意を払う必要があります。コールドプレートは、薄い熱伝導材料（TIM）を介してメインパッケージに接触し、別のパッドアイランドがHBMや電源部品に接続される場合があります。これらのパッドアイランドによって、プレートが主要な接合面から浮き上がってしまわないようにしなければなりません。.

浸漬冷却

単相または二相の浸漬では、ハードウェアを誘電性流体中に浸漬します。従来の空気側パッドは、流体の化学的性質によっては、膨潤、軟化、添加剤の溶出、あるいは粘着性の低下を引き起こす可能性があります。一部の接合部では依然として固体TIMが必要ですが、その場合は、使用する浸漬流体、温度、および浸漬時間を正確に指定して、適合性を検証する必要があります。.

「耐油性」という一般的な表示だけを鵜呑みにしないでください。浸漬液はそれぞれ異なります。パッドのバインダーや充填剤も同様です。.

ハイブリッド冷却

多くのAIサーバーでは、GPUやCPUには液体冷却を採用している一方、メモリ、ストレージ、電源装置、ネットワーク機器には空冷が用いられています。ASHRAEのフレームワークでは、施設規模でのこの混合冷却方式について解説しています。サーバーレベルの熱設計計画では、残留する空冷負荷が依然として吸気温度やファンの消費電力に影響を与えるため、両方の熱経路を把握する必要があります。.

実用的なサーマルパッド選定ワークフロー

カタログのフィルタ機能ではなく、アセンブリから作業を開始してください。熱源と冷却面をマッピングし、ギャップの全範囲を計算し、コンポーネントの力制限を定義し、許容される界面温度上昇を推定します。その後、材料ファミリーを選定し、量産品に近い試作部品を作成し、環境条件および使用条件下で電源投入状態のサーバーの検証を行います。.

1. サーマルスタックのマッピング

GPU、HBM、VRM、インダクタ、NIC、リタイマー、CPU、SSD、およびそれらをサポートするコントローラを特定します。想定される消費電力、温度制限、および想定される冷却面を記録します。あるコンポーネントのパッド圧力が別のコンポーネントの接触に影響を与える可能性があるため、共有プレートには印を付けておきます。.

2. 許容値の積み重ねを構築する

部品の高さ、はんだ、パッケージおよびPCBの反り、コールドプレートの平坦度、スタンドオフ、ネジの位置、ガスケットの荷重、製造上のばらつきなどを総合的に考慮してください。最小、公称、最大の間隔を使用してください。最も状態の良い試作品だけでなく、複数の試作品を測定してください。.

3. フォース・バジェットを設定する

部品および基板の許容荷重を確認する。サプライヤーの曲線を用いてパッドの圧縮量を圧力に換算し、接触面積を乗じる。荷重分布と支持位置を確認する。マルチアイランド型コールドプレートについては、各領域およびそれらの複合的な影響を解析する。.

4. 熱設計目標の定義

電力と許容温度上昇量を用いて、インターフェース抵抗の要件を見積もります。コールドプレートまたはヒートシンクの温度も考慮に入れてください。パッドでは、すでに温度が高すぎる冷却液や、フィンに全く届かない気流を補うことはできません。.

5. 電気設備および清潔さに関する要件を追加する

その材料が、絶縁性を備えている必要があるか、特定の難燃性クラスに適合している必要があるか、シリコーンを含まない必要があるか、アウトガス量を制限する必要があるか、あるいは液体に浸漬しても耐えられる必要があるかを明記してください。「サーバーグレード」のような曖昧な表現は避けてください。条件や合格基準を具体的に示す方がはるかに有益です。.

6. 成績だけでなく、学習の進め方も比較する

各接合部に、パッド、ゲル、パテ、液体充填剤、グリース、PCMのどれが最適かを判断してください。1台のサーバーで4種類の素材が使用されることもあります。これはごく普通のことです。すべての箇所に1種類の素材を無理に使い回そうとすると、部品表は簡素化されるかもしれませんが、それ以外のあらゆる面で事態を複雑にしてしまうことになります。.

7. 改造した部品の試作を行う

所定のダイカット形状、ライナー、プルタブ、および配置工程を使用してください。正方形のクーポンでは、位置ずれ、ライナーの混同、空気の混入、コネクタへの干渉などを確認することはできません。自動化を計画している場合は、提示およびピックアップのテストを早期に実施してください。.

8. 電源供給中のハードウェアの検証

GPUのエッジ／ホットスポット指標、HBMまたはメモリ温度、VRM温度、コールドプレートの流入／流出状態、冷却液の流量またはサーバーの気流、周囲環境条件、および消費電力を測定します。単なる短時間のアイドル状態からピーク負荷へのバーストだけでなく、代表的なトレーニングまたは推論負荷を実行してください。.

9. 年齢、勤続年数および再試験

所定の温度、湿度、振動、および電源オン／オフのシーケンスを実行します。その後、熱試験を繰り返し、インターフェースを点検します。修理可能なハードウェアを開封して再組み立てを行い、パッドに破れ、ずれ、または永久変形が生じていないかを確認します。.

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AIサーバーハードウェアにおけるサーマルパッドの検証方法

検証では、材料特性とサーバーレベルの性能を関連付ける必要があります。まず、寸法および機械的特性の確認を行い、その後、制御された境界条件下で通電時の温度を測定します。続いて、経年劣化試験および環境暴露試験を実施し、最後に熱試験を繰り返します。この「前後」の比較により、新しいデータシート上のサンプルでは確認できない接触損失が明らかになります。.

温度を追跡する前に、接続状態を確認してください

感圧フィルム、目印、制御された分解、計測、またはその他の適切な方法を用いて、接触範囲を検査してください。パッドアイランドが、メインのコールドプレートの接合部の密着を妨げていないことを確認してください。.

接触検査を行えば、数日分の時間を節約できます。たとえ一か所でも接触している場合、いくらCFDによる微調整を行っても、その試験を救うことはできません。.

境界条件の記録

空冷の場合は、吸気温度、風量、ファン回転数、圧力、および隣接するグラフィックカードの構成を記録してください。水冷の場合は、冷却液の種類、吸気温度、流量、および圧力損失を記録してください。いずれの場合も、GPUまたはボードの実際の消費電力を記録してください。.

境界条件がなければ、2つの熱計算結果は、単に異なる「外見」をまとった2つの数値に過ぎない。.

GPUコアの温度だけでなく、その他の項目も確認する

センサーや試験方法の許す範囲で、ホットスポット、HBM／メモリ、VRM、基板、および冷却面の温度を測定する。新しいパッドを使用すると、プレートの位置や気流の変化によって、ある部品の状態が改善される一方で、別の部品の状態が悪化する場合がある。.

関連するワークロードを使用する

AIのトレーニング、推論、通信処理、およびメモリ負荷の高いテストは、システムの異なる部分に負荷をかけます。演算負荷の高いベンチマークでは、メモリ帯域幅を多用するワークロードとは異なる形でGPUが過熱する可能性があります。想定されるアプリケーションの組み合わせと、定義された最悪のケースについてテストを行ってください。.

エージング後の再試験

熱サイクル試験、高温保存試験、湿熱試験、振動試験、および電源オン・オフ試験により、圧縮損失、クリープ、亀裂、腐食、あるいは材料の変位が明らかになる場合があります。試験の順序は、他のサーバーから無作為にコピーしたリストではなく、製品の要件やリスクに合わせて設定する必要があります。.

GPU用サーマルパッドの一般的な不具合とその原因

ホットスポット温度の高さ、メモリの過熱、サーバー間で結果にばらつきが見られるといった現象は、導電性の不足よりも、むしろ形状や接触状態に起因している場合が多い。厚さの不適切さ、剛性の過大、ダイカット位置の不適切さ、コールドプレートの反り、ネジの締め付けムラなどが一般的な原因である。交換作業には、もう一つのリスクが伴う。つまり、1つのパッドを交換するだけで、メインのGPUインターフェースに支障をきたす可能性があるのだ。.

パッドが厚すぎる

厚めのメモリーパッドやVRMパッドを使用すると、ヒートシンクがGPUリッドから離れてしまうことがあります。交換用のパッドは熱伝導率が優れているにもかかわらず、コアやホットスポットの温度が上昇してしまうのです。これは、GPUの修理に関する議論で最も頻繁に取り上げられるテーマの一つです。.

パッドが薄すぎる

パッドは取り付けられているように見えても、決して圧縮されない場合があります。メモリの温度上昇や、筐体の向きや振動によって結果が異なることがあります。目視による確認では、接触が部分的であるか、あるいは全く接触していないことがわかる場合があります。.

パッドが硬すぎる

硬い材料は、HBM、インダクタ、はんだ接合部、あるいはPCBに荷重を伝達する可能性があります。また、反りのある表面に密着しにくい場合もあります。ショア硬度だけでなく、圧縮応力についても確認してください。.

パッドがずれる、あるいは位置が定まる

長時間の高温負荷がかかった後、パッドが回復しない場合があります。接触圧力が低下します。サーバーは初期テストには合格するものの、その後マージンを失ってしまうという事態になりがちですが、これはまさに、システム導入の際、誰も説明したがらない類の問題です。.

プライマリーTIMが排出される

二次パッドに問題がない場合でも、GPUの温度が変動することがあります。熱膨張が繰り返されると、中央の高温領域からグリスが押し出されてしまうことがあります。適切なPCMや、ポンプアウト耐性の高い配合を使用することで改善される可能性がありますが、取り付けシステムや表面の状態も確認する必要があります。.

ライナーや保護フィルムはそのまま残しておく

はい、今でもこうした事態は起こります。ライナーの切れ目、似たようなフィルムの色、そして急いで行われる組み立て作業が、こうした事態を招く原因となっています。目立つプルタブや、視覚的な作業指示、ポカヨケ包装を採用しましょう。.

整備中にパッドがずれる

粘着性のあるパッドは、コールドプレートを取り外す際に伸びたり破れたりすることがあります。粘着性のないパッドは、再組み立ての際に落下したりずれたりすることがあります。パッドが再利用可能かどうかを明確にし、必要に応じてサービスキットに交換用を同梱してください。.

知っておくべき規格と業界ガイドライン

熱伝導パッドがすべてのAIサーバーに適していることを証明する単一の規格は存在しません。ASTM規格は熱伝導特性を評価し、IEC規格は電気的および環境試験を支援し、UL 94は小規模な材料の可燃性を規定し、ASHRAE/OCPのガイダンスはデータセンターおよび液体冷却の条件を定めています。製品試験計画では、これらの要素を統合する必要があります。.

顧客が指定した最新のリビジョンを使用してください。試験方法や版は変更されることがあります。また、厚さ、圧力、温度、治具、および材料の構成を把握している場合にのみ、データを比較してください。.

より詳しい背景については、Haktakのガイドをご覧ください。 一般的なTIM試験基準 そして 熱伝導率の測定方法.

AIアクセラレータ用コールドプレートの実用的な事例

中央にパッケージがあり、その両側にHBM領域、外周に電源ステージが配置されたOAM方式のアクセラレータを想像してみてください。液体コールドプレートは、薄い一次熱伝導材料（TIM）を介してパッケージに接触しています。個別のアイランドがメモリやVRMの上に広がっています。図には標準的なギャップが示されていますが、プロトタイプの測定結果からは、プレートの平坦度やパッケージの共平面性にばらつきがあることが明らかになっています。.

最初のビルドでは、すべてのセカンダリアイランドに、1種類の堅牢で高導電性のパッドグレードを使用しています。メモリの温度は良好に見えます。ただし、GPUのホットスポット温度は予測よりも高くなっています。接触検査の結果、厚いVRMパッドに過大な負荷がかかっており、メインパッケージ上のプレートがわずかに浮き上がっていることが判明しました。.

解決策は、必ずしも導電性の高いメインTIMを使用することとは限りません。合理的な調査では、以下の手順を踏むべきでしょう：

1. 各アイランドの最小および最大の隙間を測定してください。.
2. コールドプレートの平坦度およびパッケージの共平面性を測定します。.
3. すべてのパッド面積から合力を算出する。.
4. 負荷が過大になる箇所では、より柔らかい、あるいは薄いパッドを使用してください。.
5. 変動の大きい部品については、ゲル状または液状の隙間充填材の使用を検討してください。.
6. 変更後は、プライマリ・インターフェースの接続状態を再確認してください。.
7. 同じ電力および冷却条件下で、GPU、HBM、およびVRMの温度テストを実行してください。.
8. アセンブリを熟成させ、測定を繰り返してください。.

最終的な設計では、TIM2には薄いPCMやグリースを、HBMには柔らかいパッドを、高さの異なる電源部品の間にはディスペンサで塗布可能なギャップフィラーを使用することになるかもしれません。このような混合ソリューションは、無計画な設計というわけではありません。各インターフェースに必要な材料を適切に用いているのです。.

責任あるサプライヤーであれば、写真だけを見てGPUの温度低下幅を具体的に約束することはできません。結果を決める主な要因は、形状、消費電力、冷却液、および取り付け方法です。材料の選定によって選択肢を絞り込み、ハードウェアの検証によって結論が出ます。.

AIサーバー製造向けカスタム型抜き熱伝導パッド

量産用のサーマルパッドは、単にシートから切り出した長方形以上のものです。穴の位置、加工不可領域、パッドの島、厚さ、タック、補強、ライナーの設計、引き出しタブ、外観、および梱包はすべて、実装作業や歩留まりに影響を与えます。優れた加工設計は、作業者がフィルムを残してしまったり、部品を逆向きに取り付けてしまったりする可能性も低減します。.

Haktakは以下の内容について話し合うことができます：

• HBM、VRM、メモリ、NIC、リタイマー、バックプレート用のカスタムダイカットパッド。.
• 片面粘着、両面粘着、または非粘着性の取り扱い面。.
• コールドプレート組立用の分割ライナーおよびプルタブ。.
• 大型、薄型、または細長い形状の補強。.
• 手動および自動配置用のキスカットシートまたはキャリアフォーマット。.
• 1つのサーバーアセンブリ内に、複数の厚さや材質が存在する。.
• 試作サンプルの作成に続き、量産仕様に転換する。.
• 部品ラベル、改訂管理、ロット追跡、および用途に応じた梱包。.
• 標準グレードでは、柔らかさ、導電性、または清浄度の目標値を満たせない場合の材料開発。.

その カスタム素材開発サービス 要求に定量的な制限が含まれている場合、最も生産的になります。「非常に柔らかく、導電性が高く、しかも非常に安価」というのは、よく耳にする要望です。ギャップマップや力学的予算の方が、より適切な技術的入力となります。.

データセンター用ハードウェアに関する品質管理およびサプライヤーへの質問

フリート規模のハードウェアには、ロット間の均一性、トレーサビリティ、および変更管理が不可欠です。厚さ、型抜き精度、ライナーの向き、および汚染は組み立てに影響を与える可能性があるため、適格性評価は基材と加工済み部品の両方を対象とすべきです。購買担当者は、生産ラインに届くことのない書類を収集するのではなく、実際のリスクに基づいて入荷検査を調整すべきです。.

サプライヤーに対し、以下の管理方法をどのように行っているか尋ねてください：

• 原材料の特定およびロットの追跡可能性。.
• 厚さ、許容差および試験用試料の採取。.
• 型抜き寸法、穴、エッジの品質、および切りくず。.
• タック側、ライナーの種類、剥離力、およびプルタブの向き。.
• 外観上の欠陥、しわ、破れ、および混入物。.
• 汚染が問題となる場面における、清潔な取り扱いと包装。.
• 賞味期限の表示および保存条件。.
• 初回品検査および承認済み基準試料。.
• 工程、配合、ライナー、およびサプライヤーの変更に関する通知。.
• 不適合品の封じ込めおよびロットの分離。.

大型の柔らかいパッドは、輸送中に伸びたりシワが寄ったりしないよう、適切な支えが必要です。配置を維持するため、小さな島状の配置で一般運送業者に委託して配送される場合があります。ロボットによる部品のピックアップを行う場合は、金型の設計が確定する前に、シートのレイアウト、ライナーの剛性、ピックアップ領域、およびビジョンシステムのコントラストについて協議してください。.

GPUサーバー用サーマルパッドの購入チェックリスト

見積依頼書（RFQ）には、簡潔な技術資料を添付してください。サプライヤーは、「GPUに最適なサーマルパッド」といった漠然とした表現だけでなく、インターフェースの詳細を知っていれば、より的確に見積もりを提出できます。初期段階のプロジェクトでは範囲指定でも構いませんが、機械的な境界条件を伏せてしまうと、通常、追加のサンプリング作業が発生し、認定プロセスが遅延する原因となります。.

以下を含める：

• サーバー、アクセラレータ、またはモジュールのフォームファクタ。.
• 部品名および推定消費電力または温度制限。.
• 空気冷却、直接液冷、浸漬冷却、またはハイブリッド冷却方式。.
• 冷却面の材質、表面仕上げ、および平坦度。.
• 箇所ごとの最小、公称、および最大のギャップ。.
• 接触面および型抜き図面。.
• 部品、基板、および合計の最大クランプ荷重。.
• 目標熱抵抗または許容温度上昇。.
• 電気絶縁および電圧に関する要件。.
• 動作温度、保管温度、およびサービス温度の範囲。.
• 湿度、振動、液中への浸漬、または汚染物質への曝露。.
• シリコーン不使用、アウトガス、難燃性、および規制物質に関する要件。.
• タック、ライナー、プルタブ、および配置に関する好み。.
• 試作数量、年間生産量、および製造拠点。.
• 必要な試験報告書、トレーサビリティ、および変更管理に関する条件。.

代表的なサンプルと、量産で採用される予定の正確な構造を要求してください。2つの材料が類似している場合は、同一の電力および冷却条件下で両方を試験してください。2セット目のサンプルを用意する費用は、ラックの設計が確定した後に再度認定試験を行うよりもはるかに安価です。.

教材の復習の準備はできましたか？ Haktakへのお問い合わせ サンプル、データシート、カスタムダイカットのサポート、またはギャップフィラーの推奨品について。.

AIサーバーおよびGPU用サーマルパッドに関するよくある質問

1. 高性能GPUでは、GPUダイにサーマルパッドが使用されていますか？

通常、従来の厚みのあるギャップパッドとして使用されることはありません。GPUダイやパッケージの蓋には、通常、薄層のグリース、相変化材料、フィルム、はんだ接合されたパッケージインターフェース、あるいはその他の低抵抗TIMが使用されます。パッドは、HBM、VRM、メモリ、バックプレート、およびギャップが大きい部品でより一般的に使用されています。.

2. AIサーバー用パッドに最適な熱伝導率はどれくらいですか？

「これぞ」という万能の最適値は存在しません。設置時の熱インピーダンス、厚さ、接触圧力、柔らかさ、経年変化などを比較検討してください。W/mK値が低く、基板と完全に密着するパッドは、W/mK値が高く硬いため、コールドプレートが部品から浮いてしまうパッドよりも優れた性能を発揮する場合があります。.

3. GPUメモリのサーマルパッドの厚さはどれくらいが適切ですか？

対象のモジュールおよびコールドプレートについて、測定された最小、公称、および最大のギャップ値を使用してください。他のGPUモデルの厚さをそのまま流用しないでください。薄すぎると接触が得られず、厚すぎると力が過大になり、GPUの主要なインターフェースに支障をきたす可能性があります。.

4. 厚めのサーマルパッドを使うと、GPUの温度が悪化することはありますか？

はい。これにより熱伝達経路が長くなり、ヒートシンクやコールドプレートが浮き上がったり傾いたりする可能性があります。メモリの温度は改善される一方で、GPUのホットスポットの温度は上昇する可能性があります。パッドの厚さを変更した後は、すべてのコンポーネントの温度を確認してください。.

5. 熱伝導パッドを2枚重ねて使用してもいいですか？

積層を行うと接触面が追加され、滑りや不均一な変形を引き起こす可能性があります。通常は、適切なサイズのパッド、ゲル、または液体の隙間充填材を1つ使用するのが望ましいです。一時的な積層は隙間の調査に役立つ場合がありますが、検証を経ずに量産工程として採用すべきではありません。.

6. サーマルパッドには圧縮が必要ですか？

はい、ほとんどのギャップパッドは、形状に密着させ、空気を排除するために、適切な圧縮力が必要です。適切な圧縮力の程度は、材料の曲率や組立時の許容荷重によって異なります。特にHBM、BGA、および薄型のサーバー基板の上では、圧縮力を強めれば良いというわけではありません。.

7. GPUには、パッドよりも熱伝導グリスの方が適していますか？

薄型で平らな、クランプ固定式のGPUパッケージとクーラーの接合部では、ペースト、グリース、またはPCMを使用することで、より薄い接着層が得られることが多い。一方、メモリ、VRM、および隙間が変動する部分については、パッドやギャップフィラーの方が通常は実用的である。これらはそれぞれ異なる機械的な問題を解決する。.

8. 液体冷却を採用すれば、TIMは不要になりますか？

いいえ。熱は依然として、パッケージ内部のインターフェースや、パッケージとコールドプレートの接合部を通過します。また、パッドを介してHBM、VRM、および二次的なコンポーネントがコールドプレートに接続されている場合もあります。液体冷却の性能が向上すれば、インターフェースの熱抵抗がより顕著になる可能性があり、目立たなくなるわけではありません。.

9. 再パッド処理後にGPUのホットスポット温度が上昇したのはなぜですか？

一般的な原因としては、パッドの厚すぎや硬すぎ、ネジの締め付けムラ、プライマリTIMの塗布不良、パッドのずれ、あるいはコールドプレートが平らに密着しなくなったことなどが挙げられます。接触状態を再確認し、可能であれば元の機械的仕様に従ってください。.

10. GPUの周辺でグラファイト製熱伝導パッドを使用しても安全ですか？

グラファイトは熱伝導性に優れていますが、電気を通します。そのため、絶縁処理やエッジ制御が必要となる場合があり、小型部品付近に配置する際は注意が必要です。また、軟質で電気絶縁性のあるギャップパッドの汎用的な代替品ではありません。.

11. GPUの熱界面における「ポンプアウト」とは何ですか？

ポンプアウトとは、繰り返しの加熱、冷却、および機械的膨張に伴い、柔らかいグリースやペーストが中心部の界面から遠ざかって移動する現象です。これにより、時間の経過とともにホットスポットの温度が上昇する可能性があります。材料のレオロジー特性、表面状態、接着面、および取り付け設計のすべてが、この現象に影響を与えます。.

12. コールドプレートのメンテナンス後、サーバー用サーマルパッドは再利用できますか？

材料およびサービス手順で許可されている場合に限ります。破れ、圧縮永久歪み、汚染、位置ずれ、および粘着性の低下がないか点検してください。管理された現場作業においては、正しい改訂版が同梱された交換用パッドを使用する方が、多くの場合、より安全です。.

13. AIサーバーには、シリコンフリーの熱伝導パッドが必要ですか？

製品にシリコーン、シロキサン、コーティング、接触、または汚染に関する明確な制限が定められている場合に限ります。シリコーンフリーの化学組成と低アウトガス性は、同一の主張ではありません。選定に先立ち、試験方法および合格基準を明記してください。.

14. GPU用サーマルパッドにはどの規格が適用されますか？

熱伝達試験については、一般的にASTM D5470が参照されます。 IEC 60243-1は絶縁耐力試験を規定しており、IEC 60068の試験方法は環境試験を規定しています。また、可燃性についてはUL 94の適用が求められる場合があります。ASHRAEおよびOCPは、サーバーおよび冷却条件に関する指針を示しています。適用可否はプロジェクトの要件によって決まります。.

15. Haktakがサーマルパッドを推奨するには、何が必要ですか？

部品および冷却面の図面、ギャップ範囲、接触面積、加圧力の上限、熱設計目標、電気的要件、冷却方法、動作環境、ライナーの希望仕様、および見込み生産数量をご提示ください。パワーマップ、写真、コールドプレートの平坦度データも参考になります。.

実際のインターフェースを中心にサーマルスタックを構築する

AIサーバーの冷却は一連のプロセスです。コールドプレート、冷却液ループ、施設設備も重要ですが、HBMやVRM、およびそれらを支えるシリコンに接触する、柔軟性のある薄い層も同様に重要です。サーマルパッドは、その厚さ、柔らかさ、熱伝導率、および電気的特性が実際の接合部に適合している場合に効果を発揮します。不確実性を考慮せずに汎用的なパッチとして選択された場合、その効果は発揮されません。.

Haktak社は、電子機器向けの標準および特注の熱伝導材料を提供しています。商品一覧を見る サーマルパッドソリューション, より広い範囲を比較すると 製品ラインナップ, 、または 素材のおすすめを依頼する AIサーバー、アクセラレータモジュール、または高出力GPUアセンブリ用。.