生成AIで世界が激変する！？　～AIサービスとそれらを支えるコンデンサに求められる進化～（後編）

プロセッサにおけるコンデンサの役割

生成AI 向けハードウェアにおいて、コンデンサは様々な箇所に使用されていますが、主要な計算処理を実行するプロセッサの電源ラインに使用されるコンデンサは、特に重要な役割を担っています。人が動いたり考えたりするのに食事が必要なように、プロセッサが計算処理を実行するためには、十分な電流の供給が必要となります。この電流を供給する役割を担っているのが、「電源」です。電流は電源ラインを通してプロセッサへと運ばれますが、プロセッサはしばしば電源供給スピードが追いつかないほど高速・大電流を必要とします。供給が追いつかなかった場合、プロセッサを安定動作させるために必要な電圧が大きく下がりプロセッサの動作は停止します。その結果、学習や推論のための計算処理も停止してしまいます。このようなアクシデントを防止するため、プロセッサへ高速な電流を供給するのが、「コンデンサ」です。しかし、コンデンサを付けていてもその容量が不十分だと、同じく電圧が下がりプロセッサの動作は停止します（図表1-A）。
生成AI に使われるプロセッサの多くは大電流を必要とするプロセッサであり、実際にこのような事態が発生する懸念があります。そこで、パナソニック インダストリーの「導電性高分子コンデンサ」のような大容量のコンデンサを使用し、十分な電流を供給することで、電圧降下を防止し、生成AI 用プロセッサの長期・安定的な計算処理の継続を実現します。（図表1-B）

A：導電性高分子コンデンサなし
  → 電流供給不足し、電圧が低下。
  → 電圧の安定化ができず、許容域を逸脱。
  → シャットダウンし、データ処理が中断。

B：導電性高分子コンデンサあり
  → 電流供給満足し、電圧低下を抑制。
  → 電圧許容域にとどまる。＝電圧安定化。
  → より高速な処理に滞りなく移行できる。

導電性高分子コンデンサの特長と生成AI用プロセッサへの貢献

＜他種コンデンサとの比較＞
電源設計では設計要件に応じて複数のコンデンサの種類・定格を組み合わせることが最適解とされています。他種コンデンサと比較した時、導電性高分子コンデンサは、生成AI 用プロセッサ向けとしてどのような利点があるのでしょうか。導電性高分子コンデンサは非常にバランスの良いコンデンサとして認識されており、一般的な利点として、一般電解コンデンサ・タンタルコンデンサに対しては、低いESR と高い安全性を発揮し(図表2左)、セラミックコンデンサに対しては、安定した容量と少ない員数を提供することが挙げられます(図表2右)。これらのメリットにより、導電性コンデンサは厳しい電気特性と信頼性を要求する生成AI 用プロセッサの電源に広く活用されています。

＜一般電解・タンタルコンデンサ＞	＜セラミックコンデンサ（MLCC）＞
一桁低いESR、インピーダンス ➡高速電流において電圧変動を抑制 高い安全性 ➡設計の高信頼化に寄与	電圧や温度に左右されない安定した大容量 ➡電流供給不足による電圧降下を防止 少ない員数 ➡設計の簡易化に寄与

小型・低背

AI 向けプロセッサは高い計算能力を発揮するために大電流となり、プロセッサのサイズが年々大きくなる傾向があります。この時、大電流要求に対応するためには電源のサイズも大きくなり、その結果、基板表面にコンデンサを置く場所がなくなるケースが増えています。この課題に対して、パナソニック インダストリーの導電性高分子アルミ電解コンデンサ(SP-Cap) は、基板裏面に配置可能な低背品(高さ２mm 以下)の製品が充実しており、厳しさを増す実装面積課題に対し有効なソリューションを提供しています(図表3)。

一方で、表面にコンデンサを配置可能な場合も、高背のコンデンサを使用した場合と比べ、放熱機構をシンプルかつ放熱性の高い設計にすることができ、ハードウェアの信頼性を高めることができます(図表4)。

高信頼性

AI 向けハードウェアの要求として重視されるもう一つの要素は長期の信頼性です。特に「学習」の過程では長期間プロセッサはフル稼働を続けるため、その間に故障することのないよう十分な信頼性を考慮して設計されています。また長期稼働時の基板温度は、放熱機構の設計や冷却方式にもよりますが、一般的にはプロセッサの高性能化に従い以前より要求が厳しくなっています。そのため、周辺に使われる部品も高温に耐性があり長期信頼性の高い製品が求められています。このようなハードウェアの要求に応えるため、パナソニック インダストリーは、高温環境での長期使用に耐える導電性コンデンサ製品を開発しました。プロセッサ近辺が高温になる場合にも信頼性を担保できるコンデンサとして、有効な選択肢となっています。以下の図表に従来品の他社類似コンデンサとの耐久性試験(105℃2000H)におけるESR、および容量変化を比較した結果を紹介します。コンデンサは容量・ESR スペックが同じものが選択されているにも関わらず、信頼性の違いにより、長期使用後の電圧安定化能力には大きな差が出る結果となっています。パナソニック インダストリーの導電性コンデンサ(SP-Cap)は試験後もほとんど特性が変化せず、高い信頼性を実現しています。