Diamond Blankets Will Keep Future Chips Cool
A micrometers-thick integrated layer spreads out the heat
Today’s stunning computing power is allowing us to move from human intelligence toward artificial intelligence. And as our machines gain more power, they’re becoming not just tools but decision-makers shaping our future.
But with great power comes great…heat!
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레이저로 칩을 냉각? You Can Cool Chips With Lasers?!
https://conpaper.blogspot.com/2025/10/you-can-cool-chips-with-lasers.html
다이아몬드 블랭킷은 미래의 칩을 시원하게 유지합니다
마이크로 미터 두께의 통합 층이 열을 분산시킵니다.
소형화는 열 에너지와의 싸움
하지만 큰 힘에는 큰…열도 따라옵니다!
나노미터 단위의 트랜지스터가 기가헤르츠 속도로 스위칭하면서 전자는 회로를 빠르게 통과하며 에너지를 열로 잃습니다. 노트북이나 휴대폰이 손가락을 데우는 것처럼 그 열이 느껴집니다. 칩에 점점 더 많은 트랜지스터를 집적 할수록 열을 효율적으로 방출할 공간이 부족해졌습니다. 열이 실리콘 전체로 빠르게 퍼져 나가기 때문에 제거하기가 훨씬 쉬워지는 대신, 열이 축적되어 칩의 나머지 부분보다 수십 도 더 높은 열점을 형성합니다. 이러한 극심한 열로 인해 시스템은 칩 성능 저하를 방지하기 위해 CPU와 GPU 의 성능을 제한해야 합니다.
다시 말해, 소형화 추구로 시작된 것이 열 에너지와의 싸움으로 변했습니다. 이러한 과제는 모든 전자 제품에 걸쳐 있습니다. 컴퓨팅 분야에서 고성능 프로세서는 끊임없이 증가하는 전력 밀도를 요구합니다. (새로운 엔비디아 GPU B300 서버는 약 15kW 의 전력을 소비합니다 .) 통신 분야에서는 디지털 및 아날로그 시스템 모두 트랜지스터가 더 강력한 신호와 더 빠른 데이터 전송 속도를 위해 더 많은 전력을 공급하도록 요구합니다. 에너지 변환 및 분배에 사용되는 전력 전자 장치 에서는 효율 향상이 열적 제약으로 상쇄되고 있습니다.
회색조의 곡물로 이루어진 두꺼운 시트.저온에서 대립 다결정 다이아몬드 를 성장시키는 기술은 트랜지스터의 열을 처리하는 새로운 방법을 제시했습니다. 모하마달리 말라쿠티안
열이 축적되는 것을 방치하는 대신, 칩 내부에서 처음부터 열을 분산시킬 수 있다면 어떨까요? 마치 수영장에 끓는 물을 붓는 것처럼 열을 희석시키는 것이죠. 열을 분산시키면 가장 중요한 장치와 회로의 온도가 낮아지고, 오랜 시간 동안 검증된 다른 냉각 기술들이 더욱 효율적으로 작동할 수 있습니다. 이를 위해서는 트랜지스터에서 불과 나노미터 떨어진 IC 내부에 열전도성이 매우 높은 물질을 도입해야 하는데, 이 과정에서 트랜지스터의 정밀하고 민감한 특성은 그대로 유지해야 합니다. 바로 예상치 못한 물질, 다이아몬드가 등장했습니다.
어떤 면에서는 다이아몬드가 이상적입니다. 지구상에서 가장 열전도성이 뛰어난 물질 중 하나이며, 구리보다 몇 배나 더 효율적일 뿐만 아니라 전기 절연성도 뛰어납니다. 하지만 칩에 다이아몬드를 통합하는 것은 까다롭습니다. 최근까지만 해도 1,000°C 이상의 회로 슬래깅 온도에서만 성장하는 방법을 알고 있었습니다.
하지만 스탠퍼드 대학교 의 제 연구팀은 불가능해 보였던 일을 해냈습니다. 이제 열을 분산시키는 데 적합한 형태의 다이아몬드를 반도체 소자 바로 위에 저온에서 직접 성장시킬 수 있게 되었는데, 이는 첨단 칩 내부의 가장 섬세한 상호 연결부 조차도 손상되지 않을 만큼 낮은 온도에서 가능합니다. 분명히 말씀드리자면, 이 다이아몬드는 보석에서 볼 수 있는 커다란 단결정 형태의 다이아몬드가 아닙니다. 저희 다이아몬드는 두께가 몇 마이크로미터를 넘지 않는 다결정 코팅입니다.
잠재적인 이점은 엄청날 수 있습니다. 우리의 초기 갈륨 질화물 무선 주파수 트랜지스터 중 일부에서 다이아몬드를 추가하면 장치 온도가 50°C 이상 떨어졌습니다. 더 낮은 온도에서 트랜지스터는 X-밴드 무선 신호를 이전보다 5배 더 증폭했습니다. 우리는 다이아몬드가 고급 CMOS 칩에 훨씬 더 중요해질 것이라고 생각합니다. 연구원들은 다가올 칩 제조 기술이 핫스팟을 거의 10°C 더 뜨거워지게 할 수 있다고 예측합니다[이번 호의 " 미래의 칩은 그 어느 때보다 뜨거울 것 " 참조]. 아마도 이것이 우리의 연구가 Applied Materials , Samsung , TSMC를 포함한 칩 산업에서 강렬한 관심을 끌고 있는 이유일 것입니다 . 우리의 연구가 지금처럼 계속 성공한다면, 열은 CMOS와 다른 전자 장치에서도 훨씬 덜 부담스러운 제약이 될 것입니다.
칩에서 열이 시작되고 끝나는 곳
검은색 직사각형이 아래쪽으로 갈수록 밝은 회색으로 변합니다.
다이아몬드와 반도체 사이의 경계에는 얇은 탄화규소 층이 형성됩니다. 이 층은 열이 다이아몬드로 흐르는 다리 역할을 합니다. 모하마달리 말라쿠티안
열은 트랜지스터와 이들을 연결하는 배선 내부에서 전류가 저항과 만나면서 발생합니다. 즉, 대부분의 열은 반도체 기판 표면 근처에서 발생합니다. 여기에서 열은 패키지 구조에 따라 금속층과 절연체를 통과하거나 반도체 자체를 통해 상승합니다. 열은 방열판 , 라디에이터 또는 일종의 액체 냉각 장치 에 도달하기 전에 열을 분산시키도록 설계된 열 인터페이스 재료를 만나 공기나 액체가 열을 흡수합니다.
오늘날 주요 냉각 전략은 방열판 , 팬, 라디에이터의 발전을 중심으로 합니다. 더욱 향상된 냉각 성능을 추구하기 위해 연구자들은 미세유체 채널을 이용한 액체 냉각과 상변화 물질을 이용한 열 제거를 연구해 왔습니다. 일부 컴퓨터 클러스터는 서버를 열전도성, 유전체, 즉 전기 절연성 액체에 담그는 방식까지 사용합니다.
이러한 혁신은 중요한 진전이지만, 여전히 한계가 있습니다. 어떤 혁신은 너무 비싸서 최고 성능의 칩에만 적합하고, 어떤 혁신은 단순히 부피가 너무 커서 제대로 작동하지 않습니다. (스마트폰에는 일반 선풍기를 장착할 수 없습니다 .) 그리고 여러 겹의 칩을 쌓아 올리는 실리콘 마천루와 유사한 칩 아키텍처로 진화하는 지금, 어떤 혁신도 그다지 효과적이지 않을 것입니다. 이러한 3D 시스템은 내부의 모든 층에서 열을 제거하는 능력에 따라 그 효과가 결정됩니다.
가장 큰 문제는 칩 소재가 열전도율이 낮아 열이 칩 내부에 갇혀 집중되면서 온도가 급등한다는 것입니다. 온도가 높아지면 트랜지스터는 더 많은 전류를 누출하여 전력을 낭비하고, 노화도 더 빨리 진행됩니다.
히트 스프레더는 열을 측면으로 이동시켜 희석시키고 회로를 냉각시킵니다. 하지만 열이 발생하는 지점에서 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문에 이러한 핫스팟에는 거의 도움이 되지 않습니다. 열이 발생하는 지점에서 나노미터 단위까지 도달할 수 있는 열 확산 기술이 필요합니다. 바로 이 부분에서 우리의 새로운 저온 다이아몬드가 필수적일 수 있습니다.
다이아몬드 만드는 법
제 연구실에서 다이아몬드를 열 확산 재료로 개발하기 전에는 반도체로 연구하고 있었습니다. 손가락에 얹는 것과 같은 단결정 형태에서는 넓은 밴드갭을 가지고 있으며 엄청난 전기장을 견딜 수 있습니다. 단결정 다이아몬드는 또한 모든 재료 중 가장 높은 열전도도를 보이는데, 켈빈당 미터당 2,200~2,400와트에 달합니다. 이는 구리의 약 6배에 달하는 전도성입니다. 만들기 쉬운 다결정 다이아몬드는 두껍게 성장시키면 이러한 값에 근접할 수 있습니다. 이러한 형태에서도 구리보다 성능이 뛰어납니다.
뾰족한 파란색 영역으로 둘러싸인 다각형으로, 각 층이 구분되어 있습니다.질화갈륨 고전자 이동도 트랜지스터는 다이아몬드 냉각에 이상적인 시험 사례였습니다. 이 장치는 3차원 구조이며, 핵심 발열 부분인 2차원 전자 가스 는 표면에 가깝습니다. 크리스 필
그래서 저희는 상업적 규모의 다이아몬드 기판으로 나아가기 위해 대형 실리콘 웨이퍼에 다이아몬드 박막을 성장시키는 방법을 시도하기로 했습니다. 일반적으로 이 방법은 메탄과 수소를 900°C 이상의 고온에서 반응시켜 이루어집니다. 그 결과 단결정이 아닌 좁은 기둥들이 숲처럼 쌓인 형태가 됩니다. 나노 기둥들이 자라면서 균일한 박막으로 합쳐지지만, 고품질 다결정 다이아몬드가 형성될 무렵에는 이미 박막이 매우 두꺼워집니다. 이렇게 두껍게 성장하면 재료에 응력이 가해져 균열 및 기타 문제가 발생하는 경우가 많습니다.
하지만 이 다결정 코팅을 다른 장치의 방열판으로 사용한다면 어떨까요? 트랜지스터의 나노미터 단위까지 다이아몬드를 성장시키고, 열을 수직 및 수평으로 분산시키고, 칩의 실리콘, 금속, 유전체 와 완벽하게 통합할 수 있다면 , 그 목적을 달성할 수 있을지도 모릅니다.
다이아몬드가 효과가 있을 것이라고 생각할 만한 충분한 이유가 있었습니다. 다이아몬드는 전기적으로 절연성이 있고 유전율이 비교적 낮습니다. 즉, 다이아몬드는 커패시터로 사용하기에 적합하지 않아 다이아몬드로 덮인 배선을 통해 전송되는 신호는 크게 저하되지 않을 수 있습니다. 따라서 다이아몬드는 전기적으로 절연성이 있으면서도 열 전도성이 있는 "열 유전체" 역할을 할 수 있습니다.
실리콘 산화물 위에 다결정 다이아몬드가 성장하기 전과 후의 표면을 보여주는 SEM 이미지입니다.다결정 다이아몬드는 3D 칩 내부의 온도를 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다 . 다이아몬드 열전대는 마이크로미터 깊이의 구멍 안에 성장하여 열이 한 칩에서 다른 칩의 다이아몬드 히트 스프레더로 수직으로 흐를 수 있도록 합니다. 데니스 리치
온도를 낮추는 것만으로는 효과가 없습니다. (저희는 시도해 보았습니다. 결국 전기 전도성을 가진 그을음이 발생하는데, 이는 필요 이상의 결과입니다.) 혼합물에 산소를 첨가하면 다이아몬드가 아닌 탄소 침전물을 지속적으로 식각하여 도움이 된다는 것을 발견했습니다. 그리고 광범위한 실험을 통해 CMOS 회로 및 기타 소자의 생존 온도인 400°C에서 소자 전체에 큰 입자의 다결정 다이아몬드 코팅을 생성하는 공식을 찾아냈습니다.
열 경계 저항
적절한 종류의 다이아몬드 코팅을 성장시키는 방법을 찾았지만, 또 다른 중요한 난관 , 즉 열 경계 저항(TBR)이라고도 하는 포논 병목 현상에 직면했습니다. 포논은 광자가 전자기 에너지 덩어리인 것처럼 열 에너지 덩어리입니다. 구체적으로, 포논은 결정 격자 진동의 양자화된 형태입니다. 이러한 포논은 물질 경계에 쌓여 열의 흐름을 방해할 수 있습니다. 열 경계 저항(TBR)을 줄이는 것은 오랫동안 열 계면 공학의 목표였으며, 경계에 다른 물질을 도입하는 방식으로 종종 달성됩니다. 그러나 반도체는 특정 물질과만 호환되기 때문에 선택의 폭이 제한적입니다.
수직 링크의 숲으로 연결된 사각형이 서로 위에 쌓여 있는 만화입니다.
열 스캐폴딩은 3D 적층 실리콘 칩의 한 칩에 있는 열을 확산시키는 다결정 다이아몬드 층을 다른 칩의 열 확산 다이아몬드 층과 연결합니다. 열 기둥은 각 칩의 상호 연결부와 유전체를 가로질러 열을 스택 전체로 수직 이동시킵니다. 스라반티 초우두리
결국, 우리는 운이 좋았습니다. 질화규소로 덮인 GaN 위에 다이아몬드를 성장시키는 동안 예상치 못한 현상을 관찰했습니다. 측정된 TBR( Triple-Brain Reduction )이 이전 보고에서 예상했던 것보다 훨씬 낮았 습니다 . (낮은 TBR은 영국 브리스톨 대학교의 Martin Kuball 과 그 후 조지아 공과대학교 의 Samuel Graham Jr. 가 각각 독립적으로 측정했습니다. 두 사람은 저희 논문의 여러 편에서 공동 저자이자 공동 연구자로 참여했습니다.)
계면 과학 및 공학에 대한 심도 있는 연구를 통해, 그리고 댈러스 텍사스 대학교의 KJ 조(KJ Cho) 와 협력하여 열전도율(TBR)이 낮은 원인을 규명했습니다. 다이아몬드와 질화규소의 계면에서의 혼합은 탄화규소를 형성했고, 이는 포논을 위한 일종의 가교 역할을 하여 더욱 효율적인 열 전달을 가능하게 했습니다. 이는 과학적 발견으로 시작되었지만, 그 기술적 영향은 즉각적이었습니다. 탄화규소 계면을 사용한 본 연구의 소자는 열 성능이 크게 향상되었습니다.
GaN HEMT: 첫 번째 테스트 사례
저희는 질화갈륨 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)에서 새로운 저 TBR 다이아몬드 코팅을 테스트하기 시작했습니다. 이 장치는 채널 내에서 형성되는 2차원 전자 가스를 통해 전류를 제어하여 RF 신호를 증폭합니다. 저희는 제가 대학원생으로 재학 중이던 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 우메쉬 미슈라 연구실에서 수행한 선구적인 HEMT 연구를 활용했습니다. 미슈라 연구실은 N극 질화갈륨이라는 특수 형태의 재료를 개발했습니다. 이 연구실의 N극 GaN HEMT는 특히 마이크로파 스펙트럼의 75~110GHz 대역인 W 대역에서 고주파수에서 탁월한 전력 밀도를 보여줍니다.
이러한 HEMT를 훌륭한 시험 사례로 만든 것은 바로 이 소자의 특징 중 하나입니다. 소자를 통과하는 전류 흐름을 제어하는 게이트가 트랜지스터 채널에서 수십 나노미터 이내에 위치하기 때문입니다. 즉, 열이 소자 표면 바로 근처에서 발생하며, 다이아몬드 코팅으로 인한 간섭은 소자 작동에 곧바로 영향을 미칩니다.
다이아몬드 층을 도입하여 HEMT를 측면까지 완전히 감싸도록 했습니다. 성장 온도를 400°C 미만으로 유지함으로써 핵심 소자 기능을 보존하고자 했습니다. 고주파 성능은 다소 저하되었지만, 열적 이점은 상당했습니다. 채널 온도는 무려 70°C나 떨어졌습니다 . 이 획기적인 기술은 RF 시스템에 혁신적인 솔루션이 될 수 있으며, 이전보다 더 높은 전력으로 작동할 수 있게 해 줄 것입니다.
CMOS의 다이아몬드
우리는 다이아몬드 층이 고전력 CMOS 칩에서도 작동할 수 있을지 궁금했습니다.스탠포드의 동료인 H.-S. Philip Wong 과 Subhasish Mitra는 오랫동안 3D 적층 칩 아키텍처를 옹호해 왔습니다.CMOS 컴퓨팅 칩에서 3D 적층은 통합 밀도를 높이고, 성능을 개선하고, 기존 트랜지스터 스케일링 의 한계를 극복하는 가장 실행 가능한 방법으로 보입니다 .이것은 이미 AMD의 MI300 시리즈 와 같은 일부 고급 AI 칩 에 사용 되었습니다.그리고 Nvidia GPU와 다른 AI 프로세서를 통해 데이터를 펌핑하는 고대역폭 메모리 칩에 자리 잡았습니다.이러한 3D 스택의 여러 실리콘 층은 대부분 미세한 솔더 볼로 연결되거나 일부 고급 경우에는 구리 단자로 연결됩니다.이러한 스택에서 신호와 전력을 얻으려면 칩 패키지의 기판에 도달하기 위해 실리콘을 뚫고 들어가는 수직 구리 링크가 필요합니다.
한 토론에서 Mitra는 3D 적층 칩의 중요한 문제 중 하나가 스택 내부에 형성되는 열 병목 현상이라고 지적했습니다. 3D 아키텍처에서는 2D 칩에 사용되는 기존의 방열판이나 기타 기술로는 충분하지 않습니다. 각 층에서 열을 추출하는 것이 필수적입니다.
우리의 연구는 산업 전반에 걸쳐 열 관리를 새롭게 정의할 수 있을 것입니다.
GaN에서 열 경계 저항에 대한 우리의 실험은 실리콘에서도 유사한 접근 방식이 적용될 수 있음을 시사했습니다. 다이아몬드를 실리콘에 집적했을 때, 그 결과는 놀라웠습니다. 탄화규소 중간층이 형성되어 우수한 열 계면을 가진 다이아몬드가 생성되었습니다.
우리의 노력은 열 스캐폴딩(thermal scaffolding)이라는 개념을 도입했습니다. 이 방식에서는 나노미터 두께의 다결정 다이아몬드 층을 트랜지스터 위의 유전체 층 내에 집적하여 열을 분산시킵니다. 이 층들은 구리 또는 여러 개의 다이아몬드로 만들어진 수직 열 전도체인 열 기둥(thermal pillar)으로 연결됩니다. 이 기둥들은 다른 히트 스프레더에 연결되고, 이 열 스프레더는 다시 3D 스택의 다음 칩에 있는 열 기둥에 연결되는 식으로, 열이 방열판이나 기타 냉각 장치에 도달할 때까지 계속됩니다.
온도 대 컴퓨팅 계층 그래프; AI 가속기는 스캐폴드 없이 가장 많은 열을 발생시킵니다.3D 칩에 컴퓨팅 실리콘 계층이 많을수록 열 스캐폴딩의 효과가 더 커집니다. 5개 이상의 계층을 가진 AI 가속기는 스캐폴딩을 사용하지 않으면 일반적인 온도 한계를 훨씬 초과할 것입니다. 스라반티 초우두리
아직 극복해야 할 과제들이 있습니다. 특히 다이아몬드 코팅의 표면을 원자적으로 평평하게 만드는 방법을 찾아야 합니다. 하지만 업계 파트너 및 연구자들과 협력하여 이 문제와 기타 과학 및 기술 문제를 체계적으로 연구하고 있습니다. 저희와 파트너들은 이 연구가 열 관리에 있어 획기적인 새로운 길을 제시하고, 미래의 고성능 컴퓨팅을 지속하는 데 중요한 발걸음을 내딛을 수 있을 것이라고 생각합니다.
다이아몬드 열 솔루션 개발
이제 산업 통합을 향해 나아가고자 합니다. 예를 들어, 저희는 국방고등연구계획국(DARPA)의 Threads 프로그램과 협력하고 있습니다. 이 프로그램은 소자 수준의 열 관리를 활용하여 현재 소자보다 6~8배 높은 전력 밀도를 가진 고효율 및 신뢰성 높은 X-밴드 전력 증폭기를 개발하는 것을 목표로 합니다. 톰 카지어(Tom Kazior)가 구상하고 처음 운영한 이 프로그램 은 GaN HEMT 제조에서 저온 다이아몬드 집적 기술의 활용을 검증하는 중요한 플랫폼입니다. 이 프로그램을 통해 업계 팀과 긴밀히 협력하는 동시에 저희와 파트너사의 공정을 모두 보호할 수 있었습니다. 방위 산업은 뛰어난 신뢰성을 요구하며, 저희의 다이아몬드 집적 HEMT는 업계 파트너사와 함께 엄격한 테스트를 거치고 있습니다. 초기 결과는 고무적이며, 향후 2년 동안 파트너사와 함께 성장 공정 및 집적 기술을 개선해 나갈 것입니다.
하지만 우리의 비전은 GaN HEMT를 넘어 다른 소재 , 특히 실리콘 컴퓨팅 칩으로 확장됩니다. 후자의 경우, TSMC와 탄탄한 협력 관계를 구축하고 있으며, Stanford SystemX Alliance 와 Semiconductor Research Corp.를 통해 Applied Materials, Micron , Samsung 등과 협력 하여 새로운 기회를 모색하고 있습니다. 이는 치열한 경쟁을 벌이는 기업들 간의 놀라운 수준의 협력입니다. 하지만 칩 제조 에서 열은 보편적인 과제이며 , 모든 사람은 최적의 솔루션을 찾기 위해 노력합니다.
이 연구가 성공한다면, 산업 전반에 걸쳐 열 관리의 새로운 지평을 열 수 있을 것입니다. 저는 질화갈륨 소자 연구를 통해 한때 급진적이었던 이러한 아이디어들이 어떻게 산업 표준으로 자리 잡는지 직접 목격했습니다. 다이아몬드 기반 열 추출 기술 또한 같은 궤적을 따라가, 더 이상 열에 의해 방해받지 않는 차세대 전자 기술의 핵심 동력이 될 것이라고 확신합니다.
![[멍청대전] 이재명 정청래 찌라시](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhvj8NLPYJ1gEisr6Ot9i-Yl14SuFAj6-b7TFzqN-3IklvY01O5sL4dR5Kpqn9rJXoIyVQWvDlZw6iIGuI1sZID_ZeNsyTL72bBrNXaTM6JrNLm5GZjjK5wEgNILRV3mPG02G-KlMaCXHXxHZgC5XFrSOMDw6Qm802sOv9WIy187fs3FSisLSS-6LYgSVQ/w72-h72-p-k-no-nu/ttt.jpg)
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