칩은 식혀야 해 반도체 산업...급진적인 냉각 솔루션 모색 Chips Need to Chill Out The semiconductor industry seeks radical cooling solutions

Chips Need to Chill Out

The semiconductor industry seeks radical cooling solutions

Diamonds, lasers, and oil aren’t the first things you may think of when considering ways to keep chips and computers cool. But as modern chip designs pack and stack more transistors into ever smaller spaces, heat has emerged as a critical problem.

To solve it, the semiconductor industry is throwing everything at the wall. What sticks could enable the scaling of not only AI data centers but also a host of applications in consumer electronics, communications, and military equipment.

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3D 칩을 더 많이 생산할수록 열 문제는 훨씬 더 심각

칩과 컴퓨터를 냉각하는 방법을 고려할 때 다이아몬드 , 레이저 , 석유는 가장 먼저 떠오르는 재료는 아닐 것입니다. 하지만 최신 칩 설계가 점점 더 작은 공간에 더 많은 트랜지스터를 집적하고 적층함에 따라 , 열은 심각한 문제로 대두되었습니다.

이 문제를 해결하기 위해 반도체 업계는 모든 것을 벽에 내던지고 있습니다. 벽에 걸린 기술은 AI 데이터 센터 뿐만 아니라 가전제품 , 통신, 군사 장비 등 다양한 분야의 확장을 가능하게 할 수 있습니다.

IEEE Spectrum 사무실 근처의 2번가 델리에서 차가운 샌드위치를 한 입 베어 물고 있던 수석 편집자 Samuel K. Moore가 설명했듯이 , 차세대 노드에는 더 나은 열 관리가 필수적입니다.

" 3D 칩을 더 많이 생산할수록 열 문제는 훨씬 더 심각해집니다." 25년 동안 반도체를 다루어 온 무어의 말이다.

이번 호 특별기사를 위해 무어는 컴퓨팅 분야를 총괄하는 부편집장 디나 겐키나와 협력했습니다. 그들은 IEDM 및 슈퍼컴퓨팅 과 같은 IEEE 컨퍼런스 에서 엔지니어들과 만나 기술자들이 새롭고 놀라운 방식으로 어떻게 열을 발산하고 있는지에 대해 이야기를 나누었습니다.

"3D 칩을 더 많이 생산할수록 열 문제는 훨씬 더 심각해집니다."

—새뮤얼 K. 무어

공학적 문제를 해결하는 첫 번째 단계는 문제의 특성을 정확하게 파악하는 것입니다. 영국 케임브리지 Imec 의 제임스 마이어스는 " 열이 무어의 법칙 붕괴를 초래할 것인가? "라는 논문에서 2030년대에 상업 생산에 진입하는 트랜지스터의 전력 밀도가 온도를 9°C까지 상승시킬 것이라고 설명합니다. 뜨거운 칩들이 수백만 개나 밀집되어 있는 데이터 센터에서 이러한 전력 밀도 상승은 하드웨어의 작동을 중단시키거나 영구적인 손상의 위험을 초래할 수 있습니다.

" 차세대 AI에는 액체 냉각이 필요하다 "에서 겐키나는 액체를 이용해 이 더위를 이길 수 있는 네 가지 경쟁자를 독자들에게 심층적으로 소개합니다. 가장 뜨거운 칩에 직접 부착된 순환하는 물-글리콜 혼합물이 있는 냉각판, 특수 유전체 유체를 끓어 증기로 만드는 기술 버전, 유전체 오일이 채워진 탱크에 전체 서버를 담그는 방식 , 끓는 유전체 유체 탱크에 동일한 작업을 하는 방식입니다.

무어는 액체 냉각 방식이 효과적 이긴 하지만 "비용이 더 많이 들고 고장 발생 가능성도 더 커집니다."라고 경고했습니다. "하지만 이렇게 작은 공간에서 엄청난 전력을 소모한다면 어쩔 수 없이 해야 할 일을 해야 합니다."

끓는 기름 속의 서버는 상상만 해도 놀랍지만, 이번 호의 다른 두 기사는 훨씬 더 혁신적인 냉각 기술에 초점을 맞춥니다. 하나는 레이저를 사용하여 칩을 냉각하는 기술입니다. 미네소타에 본사를 둔 스타트업 맥스웰 랩스의 제이콥 발마와 알레한드로 로드리게스가 제시한 이 기술은 열을 전달하는 결정 격자의 진동인 포논을 파이프를 통해 방출 가능한 광자로 변환하는 것입니다 . 저자들은 이 기술이 "레이저 정밀도로 형성되는 핫스팟을 타겟팅할 수 있다"고 주장합니다.

한편, 스탠퍼드 대학교의 스라반티 초우두리는 트랜지스터를 다결정 다이아몬드 박막으로 감싸는 방식으로 열 문제에 대한 포괄적인 접근 방식을 취하고 있습니다 . 그녀의 연구팀은 다이아몬드 박막 성장 온도를 1,000°C에서 400°C 미만으로 낮추는 등 놀라운 속도로 기술을 발전시켜 표준 CMOS 제조 공정과 호환 가능하게 만들었습니다.

이러한 해결책 중 어느 것도 저렴하지 않기 때문에 칩의 미래는 뜨겁고 비쌀 것입니다. 하지만 이는 투자자들의 막대한 자금으로 무장한 대형 AI 기업들에게는 그다지 큰 문제가 아닐 것입니다. 무어가 피클을 비우며 지적했듯이, "AI 칩에 대한 수요는 거의 무한하기 때문에 이전에는 생각하지도 못했던 일들을 해야 하고, 그 비용을 감수해야 합니다. "

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