다이아몬드 및 레이저: 칩의 열 관리

칩과 컴퓨터를 시원하게 유지하는 방법을 고려할 때 다이아몬드, 레이저 및 석유는 가장 먼저 생각할 수 있는 것이 아닙니다. 그러나 최신 칩 설계가 점점 더 작은 공간에 더 많은 트랜지스터를 포장하고 적층함에 따라 열이 중요한 문제로 대두되었습니다.

이를 해결하기 위해 반도체 업계는 모든 것을 벽에 던지고 있다. 어떤 스틱을 사용하면 AI 데이터 센터뿐만 아니라 가전제품, 통신, 군사 장비 등 다양한 애플리케이션의 확장이 가능해집니다.

선임 편집자 사무엘 K. 무어(Samuel K. Moore)는 근처 2nd Ave Deli에서 차가운 혀 샌드위치를 ​​먹다가 나에게 설명했습니다. IEEE 스펙트럼의 사무실에서는 차세대 노드를 위해서는 더 나은 열 관리가 필수적입니다.

25년 동안 반도체 온오프를 담당해 온 무어는 “3D 칩을 더 많이 만들기 시작하면 열 문제가 훨씬 더 심해진다”고 말했습니다.

이번 호의 특별 보고서를 위해 Moore는 우리의 컴퓨팅 취재를 감독하는 편집장 Dina Genkina와 팀을 이루었습니다. 그들은 IEDM 및 Supercomputing과 같은 IEEE 컨퍼런스에서 기술자들이 어떻게 새롭고 놀라운 방식으로 열을 방출하고 있는지에 대해 이야기했습니다.

“3D 칩을 더 많이 만들기 시작하면 열 문제는 더욱 악화됩니다.” —사무엘 K. 무어

엔지니어링 문제를 해결하는 첫 번째 단계는 문제의 특성을 정확하게 파악하는 것입니다. 영국 케임브리지에 위치한 Imec의 James Myers는 “열이 무어의 법칙 붕괴를 일으킬 것인가?”에서 2030년대에 상업적 생산에 들어가는 트랜지스터가 어떻게 온도를 9°C까지 높이는 전력 밀도를 갖게 될 것인지 설명합니다. 핫 칩이 수백만 개로 뭉쳐져 있는 데이터 센터에서는 이러한 증가로 인해 하드웨어가 종료되거나 영구적인 손상이 발생할 위험이 있습니다.

“차세대 AI에는 액체 냉각이 필요하다”에서 Genkina는 독자들에게 액체로 이 열을 이길 수 있는 4가지 경쟁자에 대해 자세히 설명합니다. 가장 뜨거운 칩에 직접 부착된 순환 물-글리콜 혼합물이 있는 냉각판; 특수한 유전체 유체가 증기로 끓어오르는 기술의 버전입니다. 유전체 오일이 채워진 탱크에 전체 서버를 담그고, 끓는 유전체 유체 탱크에서도 동일한 작업을 수행합니다.

액체 냉각은 잘 작동하지만 “비용이 더 많이 들고 추가적인 실패 지점이 발생합니다”라고 Moore는 경고했습니다. “하지만 그렇게 작은 공간에서 킬로와트와 킬로와트를 소비할 때는 해야 할 일을 하는 것입니다.”

끓는 기름 속의 서버만큼 놀랍게 보일 수도 있지만 이번 호의 다른 두 기사는 훨씬 더 급진적인 냉각 기술에 중점을 두고 있습니다. 하나는 레이저를 사용하여 칩을 냉각시키는 것입니다. 미네소타에 본사를 둔 스타트업 Maxwell Labs의 Jacob Balma와 Alejandro Rodriguez가 개괄한 이 기술에는 포논(열을 운반하는 결정 격자의 진동)을 파이프로 보낼 수 있는 광자로 변환하는 작업이 포함됩니다. 저자들은 그들의 기술이 “레이저 정밀도로 핫스팟이 형성될 때 표적화할 수 있다”고 주장합니다.

한편, 스탠포드의 Srabanti Chowdhury는 열 문제에 대해 포괄적인 접근 방식을 취하여 트랜지스터를 다결정 다이아몬드 필름으로 감쌉니다. 그녀 팀의 기술은 눈에 띄게 빠르게 발전하여 다이아몬드 필름 성장 온도를 1,000°C에서 400°C 미만으로 낮추어 표준 CMOS 제조와 호환되게 만들었습니다.

이러한 솔루션 중 어느 것도 저렴하지 않으므로 칩의 미래는 비싸고 뜨거울 것입니다. 그것은 아마도 엄청난 양의 투자자 현금 더미에 앉아 있는 대형 AI 회사들을 당황하게 하지 않을 것입니다. Moore가 피클을 다듬으면서 지적했듯이, “AI의 칩 수요는 일종의 무제한이므로 이전에는 생각지도 못했던 일을 하고 비용을 삼켜야 합니다.”