ThinkPad P1 Gen 4に観る、大和研究所ノートPC放熱設計の神髄

レノボ・ジャパン合同会社 プロダクト・サーマル・デザイン・イノベーション 北村昌宏氏(左)、レノボ・ジャパン合同会社 プロダクト・サーマル・デザイン・イノベーション マネージャー 内野顕範氏(右)

　レノボ・ジャパンが販売している「ThinkPad P1 Gen4」は、16型WQUXGA(3,840x2,400ドット)のディスプレイ、CPUにIntel 第11世代CoreやXeonを搭載し、dGPU(単体GPU)としてNVIDIA RTX A5000を選択できるという、現時点では考え得る限りで最高スペックのモバイルワークステーションとなっている。

　その名称からもわかるようにThinkPad P1 Gen 4は、ThinkPad P1としては第4世代で、従来の第3世代(Gen 3)と同じブランド名ではあるが、実のところ完全な新製品とも言えるほど大きく進化している。特に「熱設計」については、 本体サイズを維持したまま、57%もの発熱量アップに対応するという、驚異的な進化を遂げている 。

　そうしたThinkPad P1 Gen 4の熱設計の詳細を、レノボ・ジャパンのヤマト研究所で製品設計を担当している北村昌宏氏と内野顕範氏に話を伺った。

瞬間最大発熱量が高まる最新のCPU/GPU

　ThinkPad P1 Gen 4の最大の強化点が、CPUとdGPUの強化になる。 ThinkPad P1 Gen 4では上記の表の通り、CPUもdGPUのどちらも新世代のものへと強化 されている。

　CPUは第11世代Coreを採用。CPUの世代だけだとGen 3に比べて1世代進化しただけに見えるかもしれないが、IntelのCPUの内部アーキテクチャは、第7世代第10世代まで共通になっており、違いはCPUコアの数程度となっていた。これに対して第11世代Coreでは、「Cove系」と呼ばれる新しい世代のCPU内部アーキテクチャが採用されており、1つのCPUコアあたりの性能が大きく向上しているのだ。

　ThinkPad P1 Gen 4に採用されている第11世代Coreは最大8コアに対応した「H45シリーズ」になっており、モバイルワークステーション向けIntel CPUとしては現時点で最高峰の性能を持っている。

写真中央上部左に見えるのがGPU、その右がCPU(第11世代Coreプロセッサ)、下側のチップがPCH

　dGPUも同様だ。従来のThinkPad P1 Gen 3では開発コードネームTuringで呼ばれるアーキテクチャを採用したNVIDIA Quadro T2000/T1000というdGPUが採用されていた。これに対してThinkPad P1 Gen 4では開発コードネームAmpereで知られる最新世代のアーキテクチャを採用したNVIDIA RTX A5000、A4000、A3000ないしはGeForce RTX 3080/3070などのGPUを選択することができるようになっている。

右側の正方形のチップがGPU(NVIDIA RTX A5000)

　これらのCPU、dGPUは、 従来製品と比べ、性能が上がっているのと同時に、消費電力も増えている 。より正しく表現すれば、バッテリ駆動時にはできるだけ電力を節約して動作するが、性能を必要とするときには電力を多く消費してでもクロック周波数を引き上げるなどして、処理能力を上げるという動作をする。このため、PCメーカーとしては、正しく電力供給できる電力回路と、かつそれにより発生する熱をうまく放熱する機構を設計する必要がある。

　第11世代Core H45シリーズは、TDP(Thermal Design Power)と呼ばれる定格動作時の熱設計消費電力は45Wだが、CPUがターボモードと呼ばれる一種の公式オーバークロック動作をするときには、より高いクロック周波数で動作し、同時により電力を消費する仕組みになっている。

　Intelが公式に公開している仕様では、瞬間的に最大109Wまで電力供給して動作させることが可能になっており、その後放熱が追い付かなくなるとクロックを下げ、それに併せて消費電力が段階的に下がっていき最後は定格近くで落ち着くという動作をする。PCメーカーとしては、できるだけその最高クロック(109W)に近いところで長い時間動作するように放熱設計を行なうことで、総合的な処理能力を引き上げることが可能になるのだ。

　dGPUも同様だ。NVIDIAが公開している公式なスペックでは、Gen 3で採用されていたQuadro T2000のTGP(Total Gpu Power、最大消費電力)は40～60W(TGPに幅があるのはメーカーがその間で自由に設定できるため)。それに対して今回のGen 4に搭載されているNVIDIA RTX A5000は80～165Wになっており、最も低い設定でも最大時の消費電力は倍になるし、最も高い設定同士で比較すると倍以上になる。

　このように、現代のノートPCでは、半導体メーカーは少しでもより高い性能を発揮できるように熱設計消費電力の枠に幅を持たせてある。このため、同じCPUやGPUを採用していても、PCメーカーの設計によっては性能に違いが出てくる。ただ、放熱機構を大きくして、重たくて大きな筐体にしてしまうと、可搬性が損なわれてしまう。つまり、 可搬性を損なわず、できるだけCPUやdGPUが性能を発揮できる熱設計がPCメーカーにとって重要な競争領域になりつつある のだ。

ファンの大型化、キーボード吸気など数々の工夫

左がThinkPad P1 Gen 3、右がThinkPad P1 Gen 4。Gen 4ではファンがより大きくなっていることがわかる

　レノボ・ジャパン合同会社 プロダクト・サーマル・デザイン・イノベーション 北村昌宏氏によれば、今回のThinkPad P1 Gen 4では新しい放熱機構というハードウエアからの取り組みと、ソフトウエアの開発という取り組みと2つの側面で進化させているという。

レノボ・ジャパン合同会社 プロダクト・サーマル・デザイン・イノベーション 北村昌宏氏

　Gen 3からGen 4になり、発熱量は57%増えているが、北村氏らは本体のサイズ感は維持するという使命を与えられた。言葉で言うと簡単だが、同じ本体サイズで57%もの発熱増に対応するのは至難の業と言える。 それを実現するためには冷却機構の完全なる再設計が必要となった 。

Gen 4では発熱量が57%増えている

　ThinkPad P1 Gen 4の冷却モジュールは、GPUのグレードに応じて3つが用意されている。最下位が、CPUに内蔵されているGPU(Intel Iris Xe Graphics)を利用した場合(GPUなしモデル)で、中間がNVIDIA T1200/RTX A2000という比較的発熱量が少ないdGPU向け(エントリーGPUモデル)、そして最上位がRTX A3000/4000/5000やGeForce RTX 3070/3080向けとなる発熱量が多いdGPU向け(ハイエンドGPUモデル)だ。

内蔵GPU、エントリーGPU、ハイエンドGPUとGPUに併せて3つの熱設計が用意されているThinkPad P1 Gen 4

　特に力を入れて設計されたのがハイエンドGPUモデルで、ハイエンドGPUモデルには以下4つの特長がある。

1. 大型デュアルファン
2. ハイブリッドクーリングテクノロジー
3. 防滴構造を維持したキーボード吸気機構
4. デュアルバイパス構造

ハイエンドGPUモデルの4つの特長

Gen 3とGen 4のデュアルファンの比較

ThinkPad P1 Gen 4サーマルユニットの両面

　Gen 4では、Gen 3でも採用されていたデュアルファンをさらに強化し、 ファンの容積を30%程度アップ している。だが、ファンを大型化すると、筐体内部でマザーボードなどに割くスペースが減ることになる。マザーボードをただ小さくすると、十分な性能を発揮することが難しくなる。そこで、マザーボードの層数を増やすことなどで対応した。

　2つ目の特長であるハイブリッドクーリングテクノロジーでは、従来のヒートパイプだけのソリューションに、 ベイパーチャンバーを追加することで熱拡散する範囲を広げている 。従来はヒートパイプだけだったが、ベイパーチャンバーをCPUとGPUの上にのせ、その上にさらにヒートパイプを乗せることで、ある程度ベイパーチャンバーから熱を放熱しつつ、大部分の熱はヒートパイプでファンの近くにあるヒートシンクまで伝導することで放熱を行なう仕組みになっている。

ハイブリッドクーリングテクノロジー

サーマルユニットとベイパーチャンバー

ベイパーチャンバー

　3つ目のキーボード吸気は、従来のThinkPadシリーズでも採用されていた「キーボード排水機能」を活用しながら、それを放熱のための吸気口としても活用する仕組みだ。

　ThinkPadシリーズでは、キーボードに水などの液体がかかってしまった場合でも、それが基板など液体に対して弱い部分に触れることなく、そのまま本体の下部から排水される機構が採用されている。キーボードには液体を通す穴があり、それが本体の下部まで突き抜ける構造になっている。

　 ThinkPad P1 Gen 4ではこの穴を、液体を通すだけでなく、シリーズで初めて、吸気する穴としても利用することにした 。しかし、そのまま空気を通してしまうと、水滴も内部に侵入するため、ファンの外部には水滴が飛ばないよう、囲いを設けた。これにより、従来モデルでは本体底面から吸気して、背面に排気する形になっていたが、新モデルではキーボード上と底面の両方から吸気できるようになり、冷却性能を高められた。

　また、キーボード吸気ありなしで比較してみると、同じ基板温度を実現するために、回転数はやや下げつつ、風量は増加させることができたという。

　ただし、吸気口を設けた分、ユーザーに聞こえるファンノイズが大きくなってしまったため、ノイズを下げるために穴の位置を調整するなどの苦労をしたという。

キーボード吸気

キーボード吸気補足

キーボードユニットに開けられている吸気口

　そして4つ目の「デュアルバイパス構造」とは、従来モデルではファンからの風はヒートシンク＋ヒートパイプの下側だけを通して冷却する仕組みになっていた。それに対して ThinkPad P1 Gen 4ではヒートシンク＋ヒートパイプの上側も下側も風を通すことでキーボードカバー面の側も冷やすことが可能 になり、この点でも効率が上がっているという。

デュアルバイパス構造

ファンとヒートシンク

CPU/GPUの性能を極限にまで引き出すソフトウェア調整

レノボ・ジャパン合同会社 プロダクト・サーマル・デザイン・イノベーション マネージャー 内野顕範氏

　ThinkPad P1 Gen 4では、こうしたハードウエア側の工夫だけでなく、ソフトウエア側でも熱設計をしっかり行ない、少しでも性能を向上させることができる仕組みが用意されている。

　レノボ・ジャパン合同会社プロダクト・サーマル・デザイン・イノベーションマネージャーの内野顕範氏によれば、ThinkPadでは最大限性能を発揮させたいというユーザーのニーズに応えるべく、ソフトウエア側でもそれをアシストする設計を行なっている。その特長は主に3つにまとめられる。

1. CPU/GPUの性能を極限にまで引き出すウルトラパフォーマンスモードの搭載
2. 天板を閉じた状況でも性能を維持する”リッド・クローズ・モード”の搭載
3. ファンの動作をソフトウエア的に制御

　Windows 10ではタスクバーの通知領域にある電源のアイコンをクリックすると、「パワースライダー」と呼ばれるスライダーが表示され、それを左側に寄せると省電力、右側に寄せると性能を優先順位にして電力設定が行なわれるようになっている。 ThinkPad P1 Gen 4では新たに独自の「ウルトラパフォーマンスモード」という新しいモードが追加され、CPUやGPUが性能を限界まで引き出せるようになっている 。

パワースライダーに新しい設定が追加される

　また、こうしたモバイルワークステーションを利用する場合には、外付けキーボードと外付けディスプレイを接続して、デスクトップPCのように使う使い方も多い。その際、ノートPC側のディスプレイは使わないので、ディスプレイは閉じて使うようにしているというユーザーもいる。

　だが、ディスプレイを閉じると、ノートPCは放熱上は厳しい条件に置かれることになる。というのも、キーボード面からも放熱を行なう設計になっているためで、閉じていると熱が籠もる分、やや性能を落とす設計になっている製品がほとんどだ。

　これに対して、 ThinkPad P1 Gen 4では、閉じることでキーボード面の吸気口から聞こえるファンのノイズがやや減るという点を逆手に取り、ファンの回転数を上げている 。これにより騒音レベルを上げずに、開いているときと同じ性能を維持できている。

リッド・クローズ・モード

　さらに、ThinkPadシリーズのファン制御は、顧客の期待に沿うべく設計が行なわれているという。実際、うるさくてもいいからファンを回して最大限の性能を発揮するようにするとか、その逆にこのアプリを使っている時には性能よりもファンの静かさが大事だからあまり回さないようになど、300種類もの使用環境で、どのようにファンの動作を規定するか検証している。

　外見からは分からないが、 ThinkPadでは、独自の温度センサーによるファン制御に起因する点もあるというのも見逃せない 。一般的なPCでは、CPU温度センサーをもとにCPUファンの回転数を調節する設計にしている場合が多いが、ThinkPadでは、CPU温度センサーではなく、マザーボード上にある独自の温度センサーから取得する温度を利用してファンを制御しているのだ。

　これにより、ターボモードでCPUの温度が上がっても、システム全体ではまだ余裕がある場合などに無駄にファンを動作させて騒音を上げないで済む。また、あまり負荷がかかっていない時には非可聴音量と呼ばれる、音はしていても人間の耳には気にならないレンジになるようにファンの速度を調節することで、ファンが不快に動作する時間を減らすなど実に決め細かな制御を行なっているのだ。

ファンの動作をソフトウェアで制御

前世代と比較してCPUは4割、GPUは約8割の性能向上

　こうした制御や設計などを行なった結果、ThinkPad P1 Gen 4では前世代と比較して、グラフィックスベンチマーク(3DMark Sky Diver)で78%、CPUのベンチマーク(Cinebench R20)で41%、PCの総合的なベンチマークで16%ほど性能が改善されている。また、4Kのエンコードでも16%前後の処理時間の短縮が見られている。

　特にGPUの性能を示すグラフィックスとCPUのベンチマークが大きく向上しているが、前述のとおり、筐体サイズやファンノイズなどは維持したままで、これだけの性能向上は驚異的と言っていい。

ベンチマーク結果

　テレワーク時代に、持ち運ぶことができて、かつ性能が高くデスクトップの代わりに利用できるモバイルワークステーションの需要は確実に増している。 ThinkPad P1 Gen 4は、ファンノイズやキーボード面の温度など、スペックシートには現われにくい快適性の点でも、新設計の排熱機構やウルトラパフォーマンスモードなどを活用したCPU/dGPUの最大性能の引き出しという点でも、確実にユーザーの期待に応えてくれる製品 だと言っていいだろう。

写真: Koji Yamanaka