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AIチップや高性能PCの発熱が深刻さを増すなか、2025年11月下旬、大阪大学、東京大学、産業技術総合研究所、イタリア技術研究所による国際チームが、ナノスケールの新しい冷却デバイスを発表した。電界で液体中のイオンの流れを制御し、同じ素子で「冷却」と「加熱」を切り替えられるのが特徴だ。本記事では、こうした仕組みが半導体の熱問題にどんな出口を用意しうるのかを見ていく。
ホットスポットだけを狙い撃ちする、静かな冷却の可能性
近年のAIチップは性能向上と引き換えに、チップ上の一部だけが急激に熱くなる「ホットスポット」が問題になっている。ファンや大型ヒートシンク、液冷といった既存の手法では、装置全体を冷やすことはできても、数十ナノメートル単位の局所にだけピンポイントで対応するのは難しい。結果として、性能を抑えて動かしたり、筐体を大きくしたりせざるを得ない場面も出てきている。
今回の国際共同研究チームが開発したのは、固体の微小な孔「ナノポア」とゲート電極を組み合わせたナノデバイスである。内部に満たした液体中を陽イオンだけが一方向に流れるよう電圧で制御すると、イオンが熱を運ぶことで周囲の温度が下がる「イオン版ペルチェ効果」が現れるという。東京大学や大阪大学の発表では、水の温度を室温より低くすることに成功し、冷却と加熱を同じ素子で切り替えられることも示された。
デバイスそのものはナノメートルサイズと極めて小さいため、将来はチップ内のホットスポット直上に多数配置し、必要な場所だけを静かに冷やす使い方が想定されている。研究チームは、マイクロ流体による冷却チャネルと組み合わせれば、AIサーバーからスマートフォンまで、これまで厚みや騒音の制約で導入が難しかった機器にも応用余地があるとみている。生活者にとっては、「薄くて静かなまま高性能」という設計が選択肢に入りうる点が大きい。
電子からイオンへ、熱マネジメントの発想を切り替える
これまで身近な電子クーラーとして用いられてきたペルチェ素子は、半導体中を流れる電子やホールが熱を運ぶ仕組みを利用する。一方、今回の研究は、電気を運ぶ担い手を「電子」ではなく「イオン」に置き換えた点に特徴がある。ナノポア内壁の電荷を電界で調整し、特定のイオンだけを選んで流すことで、従来よりも大きな冷却効果を引き出せることが報告されている。
大阪大学の研究者らは、こうした「イオン版ペルチェ効果」を用いれば、極薄の冷却シートのような形でチップ上に貼り付けられるデバイスも見えてくると説明する。2023年には同グループが、ナノポア内のイオン流で温度を上下できる技術をすでに示しており、今回の成果はそこにトランジスタ的な電界制御を組み合わせ、半導体チップへの実装をより現実的なものに近づけた位置づけだと言える。
もちろん、現時点で得られている温度差は数℃規模であり、実際のAIチップ冷却に使うには、冷却能力の向上や大量実装の技術など、越えるべきハードルは多い。だが、電子だけに頼らずイオンや流体も巻き込んで熱を制御するという発想は、今後の熱マネジメント技術の選択肢を広げる。誰がどこまで冷却コストを負担するのかが問われるAI時代に、小さなナノポアが新たなバランスを探る実験場になりつつある。
