You Can Cool Chips With Lasers?!
Startup plans to cool data centers by converting heat to light
Modern high-performance chips are marvels of engineering, containing tens of billions of transistors. The problem is, you can’t use them all at once. If you did, you would create hot spots—high temperatures concentrated in tiny areas—with power densities nearing those found at the surface of the sun. This has led to a frustrating paradox known as dark silicon, a term coined by computer architects to describe the growing portion of a chip that must be kept powered down. Up to 80 percent of the transistors on a modern chip must remain “dark” at any given moment to keep the chip from sizzling. We are building supercomputers on a sliver of silicon but only using a fraction of their potential. It’s like building a skyscraper and being able to use only the first 10 floors.
관련기사
카이스트, "HBM, 2029년부터 냉각 기술이 경쟁력 좌우"
https://conpaper.blogspot.com/2025/06/hbm-2029.html
스타트업, 열을 빛으로 변환해 데이터 센터 냉각 계획
문제는 이 모든 것을 한 번에 사용할 수 없다는 것입니다. 그렇게 하면 태양 표면에서 발견되는 것에 가까운 전력 밀도로 작은 영역에 집중된 고온인 핫스팟이 생성됩니다. 이로 인해 컴퓨터 설계자들이 전원을 꺼야 하는 칩의 증가하는 부분을 설명하기 위해 만든 용어인 다크 실리콘 이라는 짜증나는 역설이 발생했습니다. 현대 칩의 트랜지스터 중 최대 80%는 칩이 뜨거워지는 것을 막기 위해 언제든지 "다크" 상태를 유지해야 합니다. 우리는 실리콘 조각으로 슈퍼컴퓨터를 만들고 있지만 잠재력의 일부만 사용하고 있습니다. 마치 마천루를 짓고 처음 10개 층만 사용할 수 있는 것과 같습니다.
수년간 업계는 더 큰 팬과 더 복잡한 액체 냉각 시스템을 통해 이러한 열 한계와 싸워 왔습니다. 하지만 이러한 냉각 시스템은 근본적으로 임시방편에 불과합니다. 공기든 액체든, 이러한 냉각 시스템은 칩 표면에서 열을 끌어내는 데 의존합니다. 열은 먼저 실리콘을 통해 냉각판으로 전달되어야 하므로, 미래 칩의 전력 밀도로는 극복할 수 없는 열 병목 현상이 발생합니다. 오늘날 칩의 핫스팟은 제곱밀리미터당 수십 와트의 전력을 발생시키며, 연산 중 칩의 여러 곳에서 다양한 시점에 나타납니다. 공랭식과 액체 냉각 방식은 핫스팟이 발생하는 시점과 위치에만 집중하는 데 어려움을 겪습니다. 칩 전체를 한꺼번에 냉각하는 것이 유일한 방법입니다.
미네소타주 세인트폴에 위치한 스타트업 맥스웰 랩스(Maxwell Labs)는 혁신적인 새로운 접근법을 제안합니다. 단순히 열을 이동시키는 것이 아니라, 열을 사라지게 할 수 있다면 어떨까요? 광자 냉각(photonic cooling)이라고 불리는 이 기술은 열을 직접 빛으로 변환하여 칩 내부부터 냉각할 수 있습니다. 이렇게 생성된 에너지는 회수되어 유용한 전력 으로 재활용될 수 있습니다. 이 접근법을 사용하면 칩 전체를 균일하게 냉각하는 대신, 레이저 정밀도로 핫스팟이 형성되는 순간을 정확하게 타겟팅할 수 있습니다. 근본적으로 이 기술은 제곱밀리미터당 수천 와트의 열점을 냉각할 수 있으며, 이는 오늘날의 칩 냉각 방식보다 훨씬 뛰어납니다.
레이저는 일반적으로 열원으로 여겨지는데, 그럴 만한 이유가 있습니다. 레이저는 재료를 절단하거나 데이터를 전송하는 데 가장 많이 사용되기 때문입니다. 하지만 적절한 조건에서는 레이저 빛이 냉각을 유도할 수 있습니다. 그 비밀은 형광 이라고 하는 발광 과정에 있습니다 .
형광은 형광펜 마커, 산호초 , 그리고 흰색 옷이 블랙라이트 조명 아래에서 보이는 익숙한 빛 현상입니다 . 이러한 물질들은 고에너지 빛(보통 자외선)을 흡수하고 저에너지 빛(보통 가시광선)을 다시 방출합니다. 방출하는 에너지보다 흡수하는 에너지가 더 크기 때문에, 이러한 차이로 인해 물질이 가열되는 경우가 많습니다. 그러나 특정하고 매우 특수한 조건에서는 그 반대의 현상이 일어날 수 있습니다. 물질은 저에너지 광자를 흡수하고 고에너지 빛을 방출하며, 그 과정에서 온도가 낮아질 수 있습니다.
여러 겹의 정육면체 위에 정사각형을 쌓아 놓고, 위에서부터 정사각형을 가리키는 화살표를 그립니다. 맥스웰 랩스(Maxwell Labs) 연구팀은 레이저를 이용하여 컴퓨터 칩을 냉각하기 위해 칩 기판 위에 광자 냉각판 그리드를 배치할 계획입니다. 데모 설정에서 열화상 카메라는 칩에서 발생하는 열점을 감지합니다. 그런 다음 열점 옆에 있는 광자 냉각판에 레이저를 비추면 냉각을 유발하는 광자 과정이 활성화됩니다. 광자 냉각판[삽입 그림]은 빛을 냉각판 안팎으로 유도하는 커플러, 반스토크스 형광이 발생하는 추출기, 컴퓨터 칩으로 빛이 유입되는 것을 차단하는 후면 반사기, 그리고 열점을 감지하도록 설계된 센서로 구성됩니다. GygInfographics.com
재방출은 입사 광자 에너지와 재료 결정 격자의 진동인 포논 에너지를 결합하기 때문에 더 높은 에너지를 갖습니다. 이 현상을 반스토크스 냉각이라고 하며, 1995년 과학자 팀이 이터븀이 도핑된 불소 유리 샘플을 레이저 광으로 냉각하여 고체 백킹에서 처음 입증 되었습니다.
이터븀을 도펀트로 선택한 것은 우연이 아니었습니다. 반스토크스 냉각은 신중하게 설계된 조건에서만 작동합니다. 흡수 재료는 거의 모든 흡수된 광자에 대해 더 높은 에너지의 광자가 방출되도록 구조화되어야 합니다. 그렇지 않으면 다른 메커니즘이 작용하여 시료를 냉각하는 대신 가열하게 됩니다. 이터븀 이온과 다른 란타넘족 원소들은 이 과정을 촉진하는 데 적합한 전자 궤도 구조를 가지고 있습니다. 재료에 조사되는 좁은 범위의 레이저 파장에 대해, 이온은 입사광을 효과적으로 흡수하고 포논을 사용하여 더 높은 에너지의 빛을 방출할 수 있습니다. 이렇게 재방출되고 추출된 열광은 재료에서 충분히 빠르게 빠져나가야 다시 흡수되지 않으며, 그렇지 않으면 가열을 유발합니다.
현재까지 실험실 기반 접근법은 이터븀 도핑 실리카 유리에서 최대 90와트의 냉각 전력을 달성했습니다 . 이는 인상적이지만, 고성능 칩에 대한 혁신적인 효과를 기대하기 위해서는 냉각 용량을 수십 배나 높여야 합니다. 이를 위해서는 광자 냉각 메커니즘을 박막 칩 크기의 광자 냉각판에 통합해야 합니다. 소형화는 빔의 집속을 정밀하게 하여 핫스팟을 더욱 정밀하게 공간적으로 타겟팅할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 냉각 의 물리 법칙을 고출력 및 고효율 영역으로 끌어올리는 데 중요한 요소입니다. 또한, 층이 얇아짐에 따라 빛이 필름을 빠져나가기 전에 재흡수될 가능성이 낮아져 가열이 방지됩니다. 또한, 빛의 파장 크기에 맞춰 재료를 설계함으로써 입사 레이저 빔 의 흡수율을 높일 수 있습니다 .
저희 연구실에서는 광자 냉각을 활용하여 현재와 미래의 CPU 및 GPU 에서 발생하는 열을 처리하는 방법을 개발하고 있습니다. 저희의 광자 냉각판은 전력 밀도가 증가하는 영역 (새로운 핫스팟)을 감지하고, 근처 영역에 빛을 효율적으로 연결하여 핫스팟을 목표 온도까지 냉각하도록 설계되었습니다 .
광자 냉각판은 여러 구성 요소로 이루어져 있습니다. 먼저, 들어오는 레이저 빛을 다른 구성 요소에 결합하는 커플러, 실제로 냉각이 일어나는 마이크로냉각 영역, 다음으로 빛이 CPU나 GPU에 직접 닿지 않도록 하는 후면 반사기, 마지막으로 핫스팟이 형성될 때 이를 감지하는 센서가 있습니다.
레이저는 커플러를 통해 위에서 목표 영역에 빛을 비춥니다. 커플러는 들어오는 레이저 빛을 미세 냉각 영역에 집중시키는 일종의 렌즈입니다. 커플러는 동시에 칩 밖으로 열을 전달하는 형광등을 방출합니다. 우리가 추출기라고 부르는 미세 냉각 영역에서 진정한 마법이 일어납니다. 특수 도핑된 박막이 반스토크스 형광을 냅니다.
들어오는 레이저 빛과 형광등이 실제 칩에 들어와 전자 장치를 가열하는 것을 방지하기 위해 광자 냉각판에는 후면 반사기가 통합되어 있습니다.
중요한 것은 냉각은 레이저가 냉각판에 비출 때와 위치에서만 발생한다는 것입니다. 레이저를 비출 위치를 선택함으로써 칩에 나타나는 핫스팟을 정확하게 타겟팅할 수 있습니다. 냉각판에는 핫스팟을 감지하는 열 센서가 내장되어 있어 레이저를 해당 지점으로 향하게 할 수 있습니다.
이 전체 스택을 설계하는 것은 커플러의 정확한 형상, 추출 영역의 재료 및 도핑 수준, 후면 반사판의 두께와 층 수를 포함하여 여러 가지 조정 가능한 매개변수를 필요로 하는 복잡하고 상호 연결된 문제입니다. 냉각판을 최적화하기 위해, 저희는 다중물리 시뮬레이션 모델과 역설계 도구를 결합하여 방대한 가능한 매개변수 집합을 탐색하고 있습니다. 저희는 이러한 도구를 활용하여 냉각 전력 밀도를 두 자릿수(zero)까지 향상시키고자 하며, 더 큰 개선을 달성하기 위해 더 큰 규모의 시뮬레이션을 계획하고 있습니다.
앨버커키에 있는 뉴 멕시코 대학교 , 미네소타주 세인트폴에 있는 세인트토마스 대학교, 그리고 앨버커키에 있는 샌디아 국립연구소 의 파트너들과 협력하여 세인트폴에 있는 저희 연구실에서 광자 냉각 시연 버전을 구축하고 있습니다. 저희는 각기 1제곱밀리미터 크기의 작은 광자 냉각판들을 다양한 CPU 위에 타일로 얹어 조립하고 있습니다. 시연을 위해 외부 열화상 카메라를 사용하여 칩에서 발생하는 열점을 감지합니다. 열점이 나타나기 시작하면 레이저를 그 바로 위에 있는 광자 냉각판 타일에 조사하여 열을 추출합니다. 저희가 개발한 첫 번째 냉각판에서는 이터븀 이온 도핑을 사용했지만, 현재는 훨씬 더 높은 성능을 달성할 수 있다고 생각되는 다양한 다른 도펀트들을 실험하고 있습니다.
이 데모의 향후 통합 구현에서 광자 냉각판은 약 100 x 100 마이크로미터 크기의 더 미세한 타일로 구성될 것입니다. 자유 공간 레이저 대신, 광섬유에서 나오는 빛이 온칩 광자 네트워크를 통해 이 타일들로 전달됩니다. 레이저 빛에 의해 어떤 타일이 활성화될지는 센서로 측정된 핫스팟이 언제, 어디서 형성되는지에 따라 달라집니다.
궁극적으로 우리는 CPU 및 GPU 제조업체와 협력하여 칩 자체와 동일한 패키지에 광자 냉각판을 통합하여 중요한 추출 층을 핫스팟에 더 가깝게 배치하고 장치의 냉각 용량을 늘리고자 합니다
현재 및 미래 데이터 센터 에 미치는 광자 냉각 기술의 영향을 파악하기 위해 , 레이저 냉각의 열역학을 공기 및 액체 냉각 방식과 결합하여 비교 분석했습니다 . 예비 결과에 따르면, 1세대 레이저 냉각 시스템조차도 순수 공기 및 액체 냉각 시스템보다 두 배의 전력을 소모할 수 있습니다. 이러한 냉각 성능의 획기적인 향상은 미래의 칩 및 데이터 센터 아키텍처에 몇 가지 중요한 변화를 가져올 것입니다.
첫째, 레이저 냉각은 다크 실리콘 문제를 해결할 수 있습니다. 광자 냉각은 핫스팟이 형성되는 과정에서 열을 충분히 제거함으로써 칩 내 더 많은 트랜지스터를 동시에 작동시킬 수 있게 합니다. 즉, 칩 내 모든 기능 단위가 병렬로 작동하여 현대 트랜지스터 밀도의 장점을 최대한 활용할 수 있게 됩니다.
둘째, 레이저 냉각은 현재 가능한 것보다 훨씬 더 높은 클러킹 주파수를 가능하게 합니다. 이 냉각 기술은 핫스팟을 공략하기 때문에 칩의 모든 온도를 50°C 미만으로 유지할 수 있습니다. 현재 세대 칩은 일반적으로 90~120°C 범위에서 핫스팟을 경험하며, 이는 더욱 악화될 것으로 예상 됩니다 . 이러한 병목 현상을 극복할 수 있다면 동일한 칩에서 더 높은 클러킹 주파수를 구현할 수 있습니다. 이는 트랜지스터 밀도를 직접적으로 증가시키지 않고도 칩 성능을 향상시킬 수 있는 가능성을 열어주며, 무어의 법칙이 계속 발전할 수 있는 여지를 제공합니다.
광학 장치와 칩이 달린 검은색 상자, 그리고 상자 위에 다채로운 얼룩을 보여주는 카메라. 맥스웰 랩스의 데모 시스템은 레이저를 이용한 현재 컴퓨터 칩 냉각 방식을 보여줍니다. 칩 위에 광자 냉각판을 놓습니다. 열화상 카메라가 칩에서 발생하는 열점을 촬영하고, 열점 바로 위의 광자 냉각판에 레이저를 조사합니다. 맥스웰 랩스
셋째, 이 기술은 3D 집적 공정 의 열 관리성을 높여줍니다. 레이저 보조 냉각은 열점을 정확히 찾아내기 때문에 오늘날의 냉각 기술로는 불가능한 방식으로 3D 스택에서 열을 더욱 쉽게 제거할 수 있습니다. 3D 집적 스택의 각 층에 광자 냉각판을 추가하면 전체 스택을 냉각할 수 있어 3D 칩 설계가 훨씬 더 간편해집니다.
넷째, 레이저 냉각은 공랭 시스템보다 효율적입니다. 핫스팟에서 열을 제거함으로써 얻을 수 있는 더욱 매력적인 결과는 칩의 온도를 균일하게 유지하고 대류 냉각 시스템의 전체 전력 소비를 크게 줄일 수 있다는 것입니다. 저희의 계산에 따르면, 공랭과 결합하면 현재 세대 칩의 전체 에너지 소비를 50% 이상 절감할 수 있으며, 향후 칩에서는 훨씬 더 큰 절감 효과를 얻을 수 있을 것입니다.
더욱이 레이저 냉각은 공기나 액체 냉각보다 훨씬 더 많은 양의 폐에너지를 회수할 수 있습니다. 특정 지역이나 기후에서는 뜨거운 액체나 공기를 재순환시켜 인근 주택이나 기타 시설을 난방하는 것이 가능하지만, 이러한 접근 방식의 재활용 효율은 제한적입니다. 광자 냉각을 사용하면 반스토크스 형광을 통해 방출된 빛을 광섬유 케이블 로 다시 수집한 후 열광전지를 통해 전기로 변환하여 60% 이상의 에너지 회수가 가능합니다.
냉각에 대한 이처럼 근본적으로 새로운 접근 방식을 통해 칩과 데이터 센터의 설계 규칙을 새롭게 정의할 수 있습니다. 이를 통해 무어의 법칙이 지속될 수 있을 뿐만 아니라, 오늘날 우리가 목격하고 있는 지능화의 폭발적인 발전에 불을 지필 데이터 센터 수준의 전력 절감 효과도 기대할 수 있습니다.
광자 냉각으로 가는 길
저희의 연구 결과는 매우 유망하지만, 이 기술이 상업적으로 실현되기까지는 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 현재 광자 냉각판에 사용하고 있는 재료는 기본적인 요건을 충족하지만, 고효율 레이저 냉각 재료의 지속적인 개발을 통해 시스템 성능을 향상시키고 경제적으로 더욱 매력적인 대안이 될 것입니다. 현재까지 연구되고 레이저 냉각이 가능할 만큼 순수하게 만들어진 재료는 극소수에 불과합니다. 저희는 광학 공학 및 박막 재료 가공 기술의 발전에 힘입어 광자 냉각판의 소형화가 트랜지스터, 태양 전지, 레이저와 마찬가지로 이 기술에도 획기적인 변화를 가져올 것이라고 믿습니다.
이점을 극대화하기 위해 프로세서 , 패키지, 냉각 시스템을 공동 설계해야 합니다 . 이를 위해서는 기존에 분리되어 있던 반도체 생태계 전반에서 긴밀한 협력이 필요합니다. 업계 파트너들과 협력하여 이러한 공동 설계 프로세스를 원활하게 진행하기 위해 노력하고 있습니다.
실험실 기반 설비에서 대량 상업 생산으로 전환하려면 효율적인 공정과 특수 장비 개발이 필요합니다. 업계 전반의 도입을 위해서는 광학 인터페이스, 안전 프로토콜 및 성능 지표에 대한 새로운 표준이 필요합니다.
아직 해야 할 일이 많지만, 광자 냉각 기술의 대규모 도입에 근본적인 장애물은 현재로서는 없다고 판단합니다. 현재 비전에 따르면, 2027년 이전에 고성능 컴퓨팅 및 AI 학습 클러스터에 이 기술이 조기에 도입되어 냉각 와트당 성능이 획기적으로 향상될 것으로 예상합니다. 2028년에서 2030년 사이에는 주류 데이터센터 구축을 통해 IT 에너지 소비를 40% 절감하고 컴퓨팅 용량을 두 배로 늘리는 것을 목표로 합니다. 마지막으로, 2030년 이후에는 하이퍼스케일에서 엣지까지 유비쿼터스 구축을 통해 열적 제약이 아닌 알고리즘 효율성에만 의존하는 새로운 컴퓨팅 패러다임을 실현할 것으로 예상합니다.
20년 넘게 반도체 산업은 다크 실리콘이라는 위협에 맞서 싸워 왔습니다. 광자 냉각은 이러한 과제에 대한 해결책을 제시할 뿐만 아니라 성능, 연산 능력, 그리고 에너지 간의 관계를 근본적으로 재구성합니다. 폐열을 유용한 광자로 직접 변환하고 궁극적으로는 다시 전기로 전환함으로써, 이 기술은 열 관리를 필수불가결한 요소에서 귀중한 자원으로 탈바꿈시킵니다.
컴퓨팅의 미래는 광자적이고 효율적이며 매우 멋진 것입니다.
![[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)
댓글 없음:
댓글 쓰기