AI PCは、生成AIや高度な推論処理をローカルで実行できる点が特長です。一方で、CPUやGPU、NPUに高い負荷がかかるため、発熱対策が性能に直結します。

本記事では、AI PCに欠かせない冷却機構である空冷と水冷の仕組みや違いを解説します。

AI PCが適切な冷却機構を必要とする理由

AI処理では、CPUやGPU、NPUに高い演算負荷がかかり、発熱量も増加します。チップ温度が一定以上に上昇すると、保護機能としてサーマルスロットリングが作動します。サーマルスロットリングは、過熱を防ぐために動作クロックを下げる仕組みであり、AI処理の速度や応答性が低下する点に注意が必要です。

AI処理は高負荷状態が短時間で終わらず、特に画像生成や推論処理では、演算負荷が連続します。そのため、AI性能を維持するには、発生した熱を効率よく外部へ逃がし、チップ温度を適切な範囲に保つ冷却設計が必要です。AI PCの性能は、計算能力だけでなく冷却設計によっても支えられています。

空冷（エアクーリング）の仕組みと特徴

空冷は、PCで最も広く採用されている冷却方式です。ヒートシンク、ヒートパイプ、ファンを組み合わせて構成されます。CPUやGPUで発生した熱は、まずヒートスプレッダやヒートパイプを通じてヒートシンクへ伝えられます。

ヒートシンクは大きな表面積を持つ金属部品で、熱を効率よく外部に逃がす役割を担います。

ファンはヒートシンクに風を当て、熱を空気中へ放出する役割です。

このように、熱を金属に伝え、空気に逃がして冷やすのが空冷の基本的な仕組みです。構造が比較的シンプルで、安定した動作が期待できる点が特徴で、デスクトップPCやノートPCをはじめ、さまざまな電子機器で採用されています。

空冷のメリット

空冷の最大のメリットは、構造がシンプルな点です。可動部は主にファンのみで、故障リスクが低いため長く利用できます。部品点数が少ないため、価格が比較的安価です。冷却ファンやクーラーの交換も容易で、メンテナンス性に優れます。

筐体内のスペースに合わせて設計しやすく、ノートPCなどの小型デバイスにも搭載できるため、モバイル用途を含むAI PCでも空冷が主流となっています。

空冷のデメリット

空冷は、水冷と比べると冷却能力が低い場合が多く、発熱量が大きい環境では十分に熱を逃がしきれないことがあります。

冷却性能を高めるためにファンの回転数を上げると、動作音が大きくなるなどの弊害が生じ、静音性を重視する用途ではデメリットになることがあります。

空冷では筐体内部のエアフロー設計も重要です。吸気と排気の流れが適切でないと、熱がこもり冷却効率が低下します。

水冷（液冷）の仕組みと特徴

水冷は、水などの液体を使って熱を運ぶ冷却方式です。主にウォーターブロック、ポンプ、チューブ、ラジエーター、ファンで構成されます。

CPUやGPUで発生した熱は、まずウォーターブロックを通じて冷却液に伝えられた後、ポンプによって循環し、ラジエーターへと運ばれます。ラジエーターでは、冷却液に蓄えられた熱をファンの風で空気中へ放出し、冷却された液体が再びウォーターブロックに戻り、冷却を繰り返すという仕組みです。

水は空気よりも比熱が高く、より多くの熱エネルギーを保持できます。そのため、水冷は空冷と比べて熱輸送の効率が高い点が特徴です。発熱量が大きいハイエンドCPUを搭載したデスクトップPCを中心に、水冷の採用例が増えています。

水冷のメリット

水冷の大きなメリットは、高発熱パーツでも安定した冷却ができる点です。冷却液が熱を効率よく運ぶため、チップ温度の上昇を抑えやすくなります。

ファンの回転数を抑えられるため、動作音が小さくなりやすい点もメリットです。静音性を重視する環境では効果的です。

温度変動が比較的小さいため、長時間のAI処理でも性能が安定しやすくなります。AI演算のように連続して高負荷がかかる用途では、水冷の強みが発揮されやすくなります。

水冷のデメリット

水冷は構造が複雑で、ポンプやチューブなどの部品が多いため、空冷と比べて故障リスクやメンテナンスの手間が増えます。冷却システム全体のコストも高くなりがちです。ラジエーターを設置するためのスペースが必要なため、筐体サイズに制約がある場合は、搭載が難しくなります。特にノートPCなどの小型筐体では、スペースや耐衝撃性の観点から水冷はほぼ採用されていません。

ノートPCでは空冷が主流である理由

ノートPCでは、空冷方式がほぼ標準として採用されています。最大の理由は、筐体内部のスペースが限られているためです。水冷に必要なポンプやラジエーターを搭載するには相応の設置スペースが必要ですが、薄型・軽量化が求められるモバイル筐体ではこれらの部品を搭載する余裕がありません。

また、水冷機構は振動や落下の影響を受けやすい傾向があります。持ち運びを前提とするノートPCでは、耐衝撃性の確保が重要です。そのため、ノートPCでは空冷を前提にした冷却設計が進化してきました。ヒートパイプやベイパーチャンバーを用いることで、限られた空間でも効率よく熱を拡散します。

AI PCでよく用いられる冷却方式

AI PCに採用される冷却方式は、用途や筐体サイズ、搭載されるチップ構成によって異なります。ここでは、実際によく用いられている冷却方式と、その背景を解説します。

AI PCでの主流は空冷方式

AI PCに搭載されるCPUやNPUは、空冷で冷却できる消費電力設計が一般的です。

そのため、ノートPCや小型デバイスでは空冷方式が標準となっています。

モバイル筐体では、水冷機構の搭載が構造的に難しいという理由もあります。ポンプやラジエーターを収めるスペースが限られ、耐衝撃性やメンテナンス性の面でも不向きです。

GPUを用いたAI処理についても、現行のハイエンドGPUでは空冷モデルが主流です。クーラーの大型化や冷却効率の向上が進み、一般的なAI用途であれば空冷でも十分な冷却性能を確保できます。

水冷機構が採用されるケース

水冷が採用されるのは、一部のハイエンドCPUを搭載したデスクトップPCです。消費電力と発熱が大きいCPUでは、温度の安定性を確保する目的で、水冷が採用されるケースがあります。

データセンターの分野では、AI処理の増加を背景に水冷への注目が高まっています。従来は空冷が中心でしたが、高密度サーバーや大規模GPUクラスタでは発熱が増大しており、より高い冷却効率を実現する手段として、液冷や水冷システムの導入が有力視されています。

AI PCとは用途が異なりますが、AIインフラ全体では冷却方式の多様化が模索されています。

冷却設計がAI PCの性能を支える

AI PCの性能は、冷却能力と密接に関係しています。どれほど高性能なCPUやGPU、NPUを搭載していても、温度管理が不十分では本来の性能を発揮できません。AIが安定して処理を行うためには、冷却機構がチップ温度を適切な範囲に保つことが前提となります。

近年は、AI処理の高負荷化や長時間化が進んでいます。その影響で、AI PCだけでなく、データセンターにおける排熱設計も重要な要素になっています。今後のAI需要の増加を見据えると、演算性能だけでなく、冷却設計まで含めたシステム全体の最適化が重要になるでしょう。