スマートフォンはなぜ発熱するのか そのメカニズムと機構面での対策を考える（1/2 ページ）

[はやぽん，ITmedia]

　スマートフォンの高性能化が進むとともに、発熱を気にする声も多くなっている。スマートフォンはなぜ発熱するのか？　今回はその原理的な理由について考えてみたい。

車のダッシュボードなど、高温環境下でスマートフォンは発熱しやすい

スマートフォンが発熱する原因は「電気抵抗」にある

　「なぜ、スマートフォンは発熱するのか」

　スマートフォンの発熱についてはよく議論されるが、なぜ発熱するのかといった点は素朴な疑問ながら、あまり深く考える機会はない。

　一般にスマートフォンに搭載されるプロセッサ、メモリ、ストレージなどは半導体部品に分類される。これらにはトランジスタなどの半導体とこれらをつなぐ配線があり、電気的に見ると多かれ少なかれ「抵抗」が発生している。

　抵抗に電流を流すと発熱するのと同じくして、多くの半導体部品が使用されるスマートフォンに電流を流せば、多かれ少なかれ発熱は必ず発生する。

　ここでの半導体部品は「純粋な単体の半導体」ではないため、半導体の特性である「熱を持つと抵抗値が下がる」という部分はいったん触れないでおく。

「抵抗が熱を持つ」という話は、極端に言えば、同じく電気抵抗で加熱させる電熱ヒーターを連想してもらうと分かりやすい

　例えば半導体部品の例として、リニアレギュレーター（電圧安定化電源回路）がある。これは半導体の電圧降下を利用して電圧の安定した電源を作ることができる。ただ、入力したエネルギーを全て変換することはできずに損失が発生してしまう。このときの損失は発熱として熱エネルギーに変換される。

リニアレギュレーターの例。一般的な三端子レギュレーター

　われわれが利用しているスマートフォンには上記の回路をより小型化し、各種チップに収めたものが、必ずといっていいほど採用されている。どれだけ優れた半導体部品を設計しても、必ず損失が発生するので効率100％のものはない。与えた電力のうち数％は損失という形で発熱になるのだ。

　もう1つ、発熱を考える上で重要なものは、配線の持つ抵抗だ。スマートフォンの核となるSoCなどの内部には無数の回路が張り巡らされている。また、SoCとメモリ、ストレージ、カメラなどの入力デバイスを接続する膨大な配線がある。この配線が持つ抵抗もゼロにすることはできないため、少なからずロスが発生する。

　これに対し、スマートフォンでは配線距離を短くしたり、必要電力量に応じて太さを変えたりする方法でも対策をしている。

近年では半導体の配線に銅以外にコバルト（Co）を採用する例が出ている。これは抵抗値上昇を抑えるとともに、微細化を原因としたエレクトロマイグレーションによる故障を減らす目的がある

　この配線抵抗は導体の温度が上がると、抵抗値は上昇してしまう。SoCが発熱し、並行して配線の抵抗値が上昇すると電力の損失がさらに増える。この損失は発熱という形で表面に出てくる。

　結果として性能は思うように発揮できず、ロスとなる発熱だけが増える。「発熱→配線抵抗値が上昇→さらに発熱する」といった悪循環になってしまうのだ。

　加えて熱伝導によってSoCそのものが発熱すると、回路を通じて端末の基板がある場所は熱を帯びてしまうことになる。このため、スマートフォンでは「SoCだけ冷やす」のではなく、基板面もある程度冷却しなければならない。

プロセッサの微細化は発熱面でもメリットあり

　さて、よく耳にする「プロセッサの微細化」という言葉。これと配線抵抗は密接に関係しており、プロセスルールが微細化されると配線距離が短くなることで、配線抵抗の抵抗値が減少する。これによって一般的に以下のような利点が発生する。

• プロセッサの高クロック化（より多くの電流を流せるため）
• 低消費電力化（配線抵抗が減少してロスが少なくなるため）
• 基本性能向上（微細化した空きスペースにトランジスタを配置できるため）

　モバイル向けプロセッサが微細化に力を入れるのは、性能強化と同じくして消費電力の低下も見込めることが大きい。「消費電力の問題はプロセスの微細化で解決できる」という趣旨の根拠はここからきている。

Apple A17 ProではTSMC 3nmプロセスで製造されている。微細化、積層化によって必ずしも高性能かつ低消費電力を達成できるとは言い切れないが、最も性能向上させる近道だ

スマートフォンが発熱するとなぜ性能が落ちるのか

　半導体部品は抵抗の扱いで発熱すること、発熱の理由を踏まえ、「発熱するとなぜ性能が落ちるのか」も考えていく。

　実は半導体部品の多くは熱に弱く、適切な稼働を保証している温度が存在する。スマートフォン向けの製品ではコア温度が85〜90度くらいを超えると端末の保護機能、すなわちサーマルスロットリングと呼ばれる機能が作動するようになっている。プロセッサが高温の環境のまま可動し続けると、予期せぬ動作を起こしたり故障したりする要因になる。

　一般的なトランジスタであれば放射熱（自然冷却）で対策できていたが、高度に集積されたCPUなどの半導体部品では、熱源となる抵抗が数十億個も配置されている。このようになると通常の熱放射だけでは十分な放熱ができなくなる。高いパフォーマンスを発揮させるために、スマートフォンでも冷却設備を必要としているのだ。

　また、半導体は熱に弱いこともあり、温度上昇によって正常な動作を保証できなくなる場合がある。最悪の場合は故障にとどまらず、発火などの可能性もあるのだ。

　このため、スマートフォンでは各種の電力制御や温度管理が厳格に行われている。発熱したことで端末の性能を落とす「サーマルスロットリング制御」や「強制的なシャットダウン」を行う理由も、半導体部品を保護して端末の故障を防ぐためだ。

スマートフォンを高温下の環境に置くと、動作に制限が入ったり、電源が入らくなったりすることがある。これもスマートフォンを保護するための動作だ