칩, 너무 뜨겁다!

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장기간 동안, 칩 통합도 향상 및 크기 축소의 발전 추세에 따라 칩의 기능과 성능이 더욱 강화되고 업그레이드 되었지만, 칩의 전력 소비 및 발열량도 증가하면서 전력 소비와 열 방출 문제가 점점 심각해지고 있습니다.

이전에 "무시되던" 소프트 지표들이 이제 칩 디자인에서 중요한 고려 요소로 자리 잡았습니다. 고온으로 인한 부정적인 영향은 더 이상 무시할 수 없는 문제입니다:

성능 하락: 과도한 온도는 칩의 성능 하락을 유발하며, 심지어 다운 또는 블루 스크린과 같은 결함이 발생할 수 있습니다.

신뢰성 저하: 고온은 전자 부품의 노화를 가속화하여 장비 수명을 단축시킬 수 있습니다.

안전 문제: 극단적 상황에서 과열이 화재 등 안전사고를 유발할 수 있습니다.

에너지 낭비: 과도한 전력 소비는 운영 비용을 증가시키는 것뿐만 아니라 에너지 위기를 악화시키고 있습니다.

높은 온도가 증가하면 칩의 성능과 안정성뿐만 아니라 전체 전자 시스템의 신뢰성에도 위협을 줄 수 있으며 수명을 단축시킬 수 있습니다.

특히 모어의 법칙이 계속해서 밀어주는 가운데, 5G, AI, 자동차 전자 제품 등 신생 시장에서의 연산 능력 수요는 계속해서 증가하고 있으며, 칩의 통합도와 전력 소비량은 계속 상승하고 있습니다.

최근에 심해지는 열 문제에 대한 대응과 칩의 연산 능력, 성능, 통합도 향상을 열망하는 중, 칩의 성능을 유지하면서 효율적으로 열을 해결하는 것이 업계의 주목을 받고 있습니다.

더울수록 뜨거워지는 칩셋을 어떻게 식힐 수 있을까요?

Currently, the most popular cooling solutions in the industry include the use of air cooling, liquid cooling technology, as well as the use and innovation of heat dissipation materials.

현재, 산업에서 가장 인기 있는 냉각 솔루션은 공기 냉각, 액체 냉각 기술, 그리고 열 방출 소재의 사용과 혁신을 포함합니다.

열 배출 재료 측면에서 현재 산업은 주로 열 인터페이스 재료(TIM), 금속 및 세라믹 기반 열전도 재료를 주로 사용하고 있습니다.

열전달 인터페이스 물질(TIM) : 장치 제조 공차와 표면 거칠기 때문에 장치 사이에는 보통 미세한 간격이 존재합니다. 이러한 간격은 공기를 포함하고 있는데, 공기는 열 전도성이 낮은 부적합한 물질이며, 상온에서 열 전도 계수는 0.026W/(m·K)에 불과합니다. 이로 인해 상당한 접촉 열 저항이 발생합니다. 따라서, 열 전달 인터페이스 물질(TIM)은 이러한 간격을 채워주고, 공기를 배출하여 더 좋은 열 전달 경로를 제공하여 인터페이스 열 저항을 감소시키고 열 배출 효율을 향상시킵니다.

열전도 인터페이스 재료(TIM)는 열을 효율적으로 전달하기 위해 냉각 장치와 발열 장치 사이에 도포되는 재료의 총칭입니다.

AI 종단 장치 내 고전력 칩 TIM의 열 배출 경로 도표

AI 단말 장비의 고전력 칩을 예로 들면 일반적으로 역축은장공정으로 열을 분산시킵니다. 칩의 열은 "칩-TIM-패키징-TIM-히트싱크" 경로를 통해 외부로 전달됩니다.

금속 및 세라믹 기성열 소재: 금속 기성열 소재(구리, 알루미늄 등)는 우수한 열전도성으로 인해 극한 환경에서 칩을 냉각하는 데 자주 사용됩니다. 금속의 높은 열전도 계수는 열을 신속히 열원에서 밖으로 전달할 수 있도록 하여 고열량 응용 환경에 적합합니다. 동시에 금속 소재는 높은 기계 강도 및 열 충격 저항력을 가지고 있어, 악조건에서 계속해서 효율적인 냉각을 제공해야 하는 AI 칩과 같은 분야에 널리 사용됩니다.

세라믹 열전도재료(예: 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물)는 우수한 열전도성 뿐만 아니라 전기 절연성을 가지고 있어, 수많은 AI 칩 패키징 및 고출력 응용 분야에서 이상적인 선택입니다. 세라믹 재료의 열전도성은 금속과 전통적인 고분자 재료 사이에 위치하며, 그 열 안정성은 고온이나 부식 환경에서 사용할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 알루미늄 질화물의 열전도율은 170-180 W/(m·K)로, 극한 환경에서의 AI 칩 패키징에 널리 사용됩니다.

열방출 기술은 바람 냉각, 수냉각, 열 파이프, VC 열 균열판, 냉각 팬 등 다양한 해결책을 포함합니다.

풍냉: 현재 칩셋 냉각에 가장 널리 사용되는 방법은 풍냉이며, 풍냉 냉각은 차가운 공기를 냉각기로 불어넣거나 직접 칩셋 표면으로 불어넣어서 칩셋에서 발생한 열을 공기로 옮기는 것입니다.

풍냉 방열의 장점은 시스템 설계가 간단하고 비용이 낮으며 쉽게 설치할 수 있으며 널리 사용될 수 있으며 열관, 3DVC, 냉관과 같은 것과 조합하여 사용할 수 있다는 것입니다. 그러나 풍냉 방열의 효율은 공기의 열전도율이 낮아 고부하 및 밀집된AI칩의 경우 효과가 제한된다.

칩의 전력이 계속 증가함에 따라 300W를 넘으면 전통적인 냉각기를 사용하여 냉각하는 효과가 더이상 명백하지 않습니다. 액체 냉각 기술은 AI 시대의 이상적인 냉각 솔루션이라고 여겨집니다.

액체 냉각: 액체 냉각 기술은 물 또는 냉각액과 같은 액체를 열 전달 매질로 사용하여 칩이 발생시킨 열을 신속히 제거하는 방법입니다. 액체 냉각 시스템은 대개 냉각액 파이프, 냉각판 또는 냉각 팬, 펌프 및 냉각기로 구성되며, 냉각액은 열을 흡수한 후 냉각기로 이송되어 공기 또는 물 냉각 방식을 통해 열을 방출합니다.

액체 냉각은 공기 냉각에 비해 열을 효율적으로 방출하여 데이터 센터와 HPC에서 주로 사용되며, 고출력 AI 칩셋을 지속적으로 지원하기에 더 적합합니다. 그러나 액체 냉각 시스템은 복잡하고 비용이 높으며, 설치와 유지 보수에 요구 사항이 많으며, 물리적 공간을 많이 차지합니다. 또한 시스템이 누설되면 장비 손상의 위험이 있습니다.

TrendForce의 조사 데이터에 따르면, NVIDIA의 Blackwell 새 플랫폼이 4분기에 선적 될 예정이며, 액체 냉각 해결책의 침투율이 현저히 성장하여, 올해 10% 정도에서 2025년에 20%를 넘을 전망입니다. 세계적으로 ESG 의식이 높아지고, CSP가 AI 서버 구축을 가속화함에 따라 냉각 솔루션은 풍냉에서 액체 냉각으로 전환되는데 도움이 됩니다.

열관 : 열관 기술은 위상 변화 원리를 사용하여 효율적인 열전도를 가능하게 합니다. 열관 내부에는 열전도 액체가 포함되어 있으며, 액체는 열원 가까이에서 열을 흡수하여 증발하여 기체가 되고, 기체가 열관을 따라 이동하여 냉단에서 열을 방출하고 액체로 응축됩니다. 액체는 다시 마찰 또는 중력을 통해 열원 쪽으로 순환합니다. 이러한 순환은 열관이 빠르게 열을 전달할 수 있게 합니다.

열관의 작동 원리

열관은 매우 높은 열전도 효율을 가지며 부피가 작고 무게가 가벼워 공간에 제약을 받는 장비에 적합합니다. 그러나 열관은 열전도 효율이 높지만 열의 방출능력은 열관의 수량과 설계에 제약을 받으며, 주로 중간 소비전력이나 공간에 제한이 있는 상황에서 사용되며 고전력 칩에서 독립적으로 사용하기 어렵습니다.

VC 열플레이트: 열파이프의 구조를 기반으로 하는 이차원 균열기술 (VC 열플레이트)과 삼차원 일체형 균열기술 (3D VC 열플레이트)이 점차 개발되고 있습니다. 열플레이트와 열파이프의 원리는 유사합니다. 두 기술 모두 냉각액이 열원의 에너지를 흡수한 후 증발 (흡열) 및 응고 (방열) 과정을 거쳐 열을 외부로 방산하도록 합니다.

평열판은 다양한 열원 배치에 적응할 수 있는 임의의 모양으로 설계될 수 있으며, 2차원 또는 3차원 방식으로 기기의 열을 분산시키는 데 도움을 줍니다. 접촉 면적이 더 넓어 열을 균등하게 분산시킵니다. 열관로와 비교하여 열 전달 효율이 20% ~ 30% 향상됩니다. 동시에 콤팩트한 설계로 소형 장비에 설치하는 데 더 적합합니다.

열관 및 열균열판 원리 구조도 비교 (출처: JONES)

VC 열판의 한계는 제조 비용이 비교적 높다는 것이며, 특히 복잡한 3차원 구조의 설계와 제작에 있어서 더 높은 비용이 필요합니다. 또한, VC 열판의 열 방출 능력은 매우 높은 전력 밀도에서도 제한이 있을 수 있어 일부 높은 열 부하 상황에 독립적으로 대응하기 어려울 수 있으며, 일반적으로 다른 열 배출 기술과 함께 사용해야 합니다.

열방제 : 칩 디자인과 전자 기기 제조에서 열방제는 매우 중요한 역할을 합니다. 열방제의 주요 기능은 효율적인 열 전도 및 방사를 통해 칩 작동 중에 발생하는 열을 주변 환경으로 빠르게 방출하여 칩의 과열을 방지하고 장치의 안정성과 성능을 보장하는 것입니다.

열풍기는 칩에 밀착되어 칩이 발생한 열을 자신으로 전도합니다. 대부분의 열풍기는 고탕도율 금속 재료인 알루미늄이나 구리와 같은 재료로 제작되며, 이러한 재료는 우수한 열전도 성능을 갖추어 칩의 열을 신속하게 흡수할 수 있습니다. 열풍기의 열이 표면적을 증가시키기 위해, 열풍기에는 일반적으로 다수의 열풍판이 디자인되어 있습니다. 이러한 열풍판은 열풍기의 표면적을 크게 증가시키며 주변 공기와의 접촉 면적과 열방출 효율을 향상시킵니다.

냉각기는 공기 대류를 이용하여 열을 방출합니다. 자연 대류와 강제 대류는 주요 냉갩 방식 두 가지입니다. 일부 고성능 응용에서는 냉각기가 열 인터페이스 재료(TIM)와 결합되어 열이 빠르게 냉각기로 전달되도록 보장해야 합니다.

다른 응용프로그램의 요구를 충족시키기 위해 냉각팬의 디자인도 지속적으로 진화하고 혁신하고 있습니다. 최근 몇 년간 수냉 냉각팬과 히트 스프레더 기술이 고급 분야에 널리 사용되고 있습니다. 수냉 냉각팬은 액체 냉각재 순환을 통해 열을 더 효율적으로 제거할 수 있어 극도로 높은 열 배출 성능이 필요한 시나리오에 적합합니다. 한편 히트 스프레더는 냉각팬의 보조 구성품으로 열을 냉각팬 전체 표면에均匀하게 분배하여 냉각 효율을 더욱 향상시킵니다.

실제 상황을 종합적으로 고려할 때, 전통적인 풍냉과 수냉 냉각 방식은 현재 고성능 칩의 냉각 요구를 충족하기에 점점 더 부족한 것으로 보여집니다. 그러므로, 칩 냉각 기술을 최적화하고 현재의 냉각 방식을 혁신적으로 조정하는 것이 전자 칩의 안정적인 작동을 보장하기 위해 매우 중요합니다.

신 개발 시대에 들어가면서 새로운 고효율 전자 칩 냉각 기술 연구 및 개발을 촉박하게 추진해야 합니다.

칩셋 냉각, 혁신 기술 부상

위에 언급된 칩 냉각 및 열 배출 기술 외에도 산업은 새로운 기술을 적극적으로 탐구하고 있으며 많은 진전을 이루고 있습니다.

혁신적인 칩 쿨러 - 루프 히트 파이프 (LHP)

Recently, according to foreign media reports, researchers have drawn inspiration from nature to design innovative chip coolers, which may be applied in artificial intelligence data centers in the future.

최근 외신에 따르면, 연구자들이 자연에서 영감을 받아 혁신적인 칩 냉각기를 디자인했으며, 미래에는 인공지능 데이터 센터에 적용될 수 있습니다.

The bio-inspired ceramic core of Loop Heat Pipe (LHP) is inspired by leaf stomata.

"환로 열관 (LHP)"의 바이오인스피어드 세라믹 코어는 잎의 기공에서 영감을 받았습니다.

Source of the image: University of Science and Technology of China

이 희망적인 솔루션 중 일부는 현재 연구자들이 생물학을 모방하고 자연으로부터 영감을 얻는 바이오미메틱스를 연구하면서, 인공지능 데이터 센터를 근본적으로 변화시킬 수 있는 혁신 기술을 찾고 있습니다.

중국의 양홍 교수가 이끄는 연구팀이 고열관 (LHP)용 혁신적인 생체모방 세라믹 코어를 개발했습니다. 이는 잎의 기공이 자연증발과정에서 영감을 얻었습니다. 그들의 연구는 Langmuir에 발표되었으며, 전통적인 LHP의 한 중요한 제한인 균일한 구멍 크기의 코어 사용으로 인한 증기 차단과 열 저항 증가로 인해 고흡열량에서의 효율 저하를 해결했습니다.

The newly developed bionic heat sink features an asymmetric pore structure, which optimizes heat transfer by overcoming these challenges, providing a more effective solution for cooling high-power chips.

신 개발된 바이오닉 히트 싱크는 비대칭 구조의 구멍을 가지며, 이러한 도전을 극복하여 열전달을 최적화하고, 고출력 칩 냉각에 더 효과적인 솔루션을 제공합니다.

이 설계는 잎의 기공을 모방했으며 직접적인 통로 역할을 하는 구멍은 증기 전달 저항을 크게 줄여 열방출 효과를 향상시킵니다. 이 구조는 높은 열 플럭스를 실현하여 고출력 칩의 냉각을 더 효과적으로 관리할 수 있습니다. 이 램프 코어는 금속 대신 세라믹을 사용하여 내식성과 열적 안정성을 향상시켰으며, 이는 첨단 전자 제품의 장기 성능에 매우 중요합니다.

생산 공정은 상전환 압출 성형 기술을 사용하며, 이 기술은 일반적으로 다공성 세라믹 막을 생산하는 데 사용됩니다. 이 혁신적인 방법은 우선적으로 필요한 다중 척도의 구멍 구조를 한 단계로 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 안정하고 일관된 제품을 생산하는 데 도움이 됩니다.

LHP 시스템에서 생체 모방 코어의 초기 테스트는 우수한 결과를 나타내었습니다. 모방 코어가 흐름체의 전달을 효과적으로 도와 시스템의 열 성능을 향상시키는, 표면장력과 유동저항 사이의 균형을 최적화함으로써 가능합니다. 이러한 진전은 항공우주, 마이크로전자 및 에너지 분야를 포함하여 하드웨어 이외의 분야로 확대될 수 있습니다.

이 혁신적인 방법은 데이터 센터를 인공 지능에 동력을 제공하는 열 관리 전략을 재정의하여 자연을 모방한 보다 효율적이고 지속 가능한 솔루션을 개척하는 데 도움이 될 것입니다. 연구원들은 이러한 생체 구조의 지속적인 발전과 개조가 기존의 도전을 극복하고 다음 세대 전자 제품의 요구를 충족시키는 데 도움이 될 것으로 희망합니다.

칩 상에 직접 작용하는 무수 상태의 냉각 기술

이러한 도전에 대처하기 위해 ZutaCore는 칩 상에 직접 작용하는 무수 두 상의 액체 냉각 기술 인 HyperCool을 개발했으며, 이 기술은 현재 1500W를 초과하는 프로세서를 냉각할 수 있는 것으로 입증되었으며, 각 랙의 효과적인 냉각 용량은 현재 100KW입니다.

ZutaCore의 CEO 인 Erez Freibach은 "물 없이 직접 칩에 작용하는 액체 냉각 기술은 새로운 세대의 GPU의 특정 냉각 요구를 충족하며, 이 기술은 1500W의 고출력 GPU에 특히 적합하며, 동시에 랙 처리 밀도를 300% 높였다"고 지적했습니다. 이 기술은 물 냉각 시스템에서 발생할 수 있는 물 누출 위험과 비용이 많이 드는 수리 비용을 피할 수 있을 뿐 아니라, 기존 전력, 냉각 시스템 등의 기반 인프라를 업그레이드하지 않고도 냉각 능력을 쉽게 향상시킬 수 있어, 인공지능(AI) 및 고성능 컴퓨팅(HPC)의 미래 발전에 혁명적인 의미가 있다."고 설명했습니다.

ZutaCore의 HyperCool 시스템은 혁신적인 폐환 설계를 채택하여 저압 환경에서 프로세서에서 발생하는 열을 효율적으로 서버에서 배출할 수 있습니다. 이 시스템은 새로운 데이터 센터 뿐만 아니라 기존 데이터 센터의 업그레이드에도 적용되며, 계산 성능을 10배 향상시키고 비용을 50% 절감하며 열을 100% 회수할 수 있습니다. 또한 이산화탄소 배출을 줄이면서 녹색 지속 가능한 데이터 센터 운영을 실현할 수 있도록 합니다.

현재 델 기술, 에이수스, 에스크윌, 슈퍼마이크로 등 다수의 유명 서버 제조업체의 제품이 HyperCool 시스템과 호환성 인증을 획득했습니다. 이는 HyperCool을 지원하는 서버 생태계가 점차 형성되고 있다는 것을 나타냅니다.

TSMC 새 특허: 반도체 칩의 열 관리 어려움 해결

현재 세계 반도체 산업이 치열한 경쟁과 기술 변화의 바람 속에서, TSMC가 다시 한번 선도해 나가고 있습니다. 최근에는 "반도체 소자 및 형성 방법"이라는 새로운 특허를 신청했습니다. 이 특허의 주요 혁신점은 반도체 칩 내 열 관리에 대한 심층적 고려에 있어, 이는 반도체 패키징 기술의 더 나은 발전을 상징합니다. 이러한 과정을 통해 우리는 TSMC가 더 효율적인 장치를 위해 노력하고 산업적인 고민을 해결하려는 결연한 의지를 확인할 수 있습니다.

주어진 특허 요약에 따르면, TSMC의 반도체 패키징은 고급 열 모듈 기술을 사용하고 있습니다. 핵심 설계는 기판에 설정된 IC 칩을 열 파이프를 통해 상·하판 사이의 열 모듈에 연결하는 것입니다. 이러한 구조적 설계는 열 전달 경로를 최적화할 뿐만 아니라, 열을 효과적으로 상하판에서 방출하여 반도체 장치가 고로드 상태에서도 낮은 온도로 운영할 수 있게 합니다. 또한 특허에서 언급된 액체 냉각 판의 사용은 고전력 밀도 장치에 대한 효율적인 열 해소 솔루션을 제공합니다.

TSMC가 이 특허를 발표한 것은 기술적인 돌파뿐만 아니라 시장 전략적인 배치라는 데에 역점을 두고 있습니다. 누구나 알다시피, 반도체 산업은 이전에 없던 치열한 경쟁을 겪고 있으며, 특히 AI, 대규모 데이터, 5G 등의 선도 기술이 성장하면서 고성능 칩에 대한 수요가 더욱 증가하고 있습니다. 열 관리 분야에서 돌파함으로써 미래 시장 경쟁에서 TSMC가 더 많은 우위를 확보할 것입니다.

이 특허의 출시는 경쟁자에 대한 간접적인 압박으로도 볼 수 있습니다. 현재의 시장 환경에서 기술 장벽은 특히 중요한데, TSMC는 지속적인 혁신을 통해 열 관리 분야에서 우위를 점하기 위해 노력하고 있습니다. 업계 관계자들은 이 기술을 성공적으로 구현하는 것이 다른 업체들이 연구 및 개발 속도를 가속화하도록 할 수 있어 전체 산업의 기술 발전을 더욱 촉진할 수 있다고 일반적으로 인식하고 있습니다.

Huawei and Xiamen University collaborate on innovative diamond thermal management technology.

아침,
셈날님의 요청을 받았으며 번역 결과는 여기 있습니다:

** 厦门대학교와 화웨이가 협력하여 이 분야에서 중요한 발전을 이루어, 다이아몬드를 기반으로 한 혁신적인 열 관리 기술을 개발했습니다. 본 기술은 다이아몬드를 칩과 유리에 직접 통합하는 이질 통합 방식을 통해 냉각 성능을 현저히 향상하였습니다. 이 연구는 다이아몬드가 열 확산기로서 갖는 엄청난 잠재력을 보여주었을 뿐만 아니라, 미래 고성능 전자 패키징의 냉각 기술에 대한 새로운 솔루션을 제시했습니다. **

도움이 되었기를 바랍니다.

다이아몬드는 매우 높은 상향 열 전도율(약 1500 W/m·K)을 가지고 있어 이상적인 열확산 재료로 인정받았습니다. 지난 몇십 년 동안 과학자들은 다양한 방법을 통해 다이아몬드를 전자 기기의 열 관리에 적용하려 노력해 왔습니다. 예를 들어, 반도체 위에 직접 다결정 다이아몬드를 화학기상증착(CVD)을 통해 성장시키거나 고온 고압 조건에서 다이아몬드와 반도체를 직접 결합하는 등이 있습니다. 이러한 방법들은 어느 정도 효과를 보이지만, 공정 온도가 너무 높아(일반적으로 400℃ 이상)나 열 저항이 크게 증가하여 최신 칩 패키징에서의 널리 활용이 제한되고 있습니다.

이 도전을 극복하기 위해 싼데와 화웨이는 저온 결합 기술을 제안했으며, 나노층 Cu/Au 재결정을 통해 다이아몬드와 실리콘 칩을 결합하여 유리에 통합시켰습니다. 결과적으로 "다이아몬드-칩-유리" 이종 통합 패키지가 형성되었습니다. 이 새로운 패키지 구조는 높은 성능 열 방출을 유지하는 동시에 인터페이스 열 저항을 크게 감소시켜 패키징 열 효율을 향상시켰습니다.

연구팀은 다이아몬드 통합 패키징의 냉각 효율을 기존의 선진 냉각 기술과 비교했습니다. 결과는 다이아몬드 패키징의 냉각 효과가 다양한 기존 기술들보다 우수하다는 것을 보여줍니다. 예를 들어, 나노 은 소결 기술은 고열량 상태에서 온도 감소가 14.1℃인 반면, AuSn 납땜 기술은 온도 감소가 5.2℃에 불과합니다. 그에 비해, 다이아몬드 통합 패키징은 같은 조건에서 더 큰 온도 감소를 달성하여 더 우수한 냉각 성능을 나타냅니다.

비포함된 다이아몬드 재질 포장과 비교하여 다이아몬드가 포함된 포장은 여러 고열 플럭스 가열 조건 하에서, 칩의 최고 온도가 약 24.1℃ 감소하고 열저항이 28.5% 감소했습니다. 이 결과는 다이아몬드의 추가가 포장의 열 분산 성능을 크게 향상시켰음을 보여줍니다.

효율적인 열저항 감소를 통해 이 기술은 현대 전자 기기의 열 관리에 대한 새로운 해결책을 제공하며, 특히 고파워 및 고성능 칩 패키징 분야에서 빛을 발합니다. 미래에는 이 기술이 열전력장치, 마이크로채널 냉각 장치 및 증기실 냉각 장치와 같은 다른 효율적인 냉각 장치로의 통합에 더 확대될 전망입니다.

이 연구는 다이아몬드가 열 관리에 활용되는 과정을 촉진하는데 그치지 않고, 미래 고성능 전자 장치의 열 배출 설계에 중요한 기술적 지원을 제공했습니다. 이 저온 결합 기술을 실제 칩 패키징에 적용함으로써 이종 통합 시스템의 열 관리 문제 해결에 중요한 한 걸음 나아간 것입니다.

xMEMS의 세계 최초 1mm 액티브 냉각 "코어"가 돌파되었습니다.

2024 년 8 월, xMEMS Lab은 "Fan-on-Chip"이라는 고성능 냉각 기술을 공개했으며, xMEMS XMC-2400 µCooling 칩을 발표하여 산업 혁신 혁신을 이루었습니다. 이는 최초로 1mm 두께의 전적 냉각 "칩"을 실현한 최초의 칩으로, 초휴대용 장치 및 차세대 인공 지능(AI) 솔루션을 위해 설계되었습니다.

XMC-2400가 나오기 전까지는 적극적인 냉각 솔루션이 없었습니다. 이 기술은 향후 스마트폰 및 태블릿과 같은 초소형 장치에 중대한 혁신을 가져올 수 있습니다.

XMC-2400의 크기는 단 9.26 x 7.6 x 1.08 밀리미터이며, 무게는 150 밀리그램 미만입니다. 비실리콘 기반의 수동 냉각 대체 솔루션에 비해 96% 더 작고, 96% 더 가벼워요. 전통적인 냉각 솔루션과 비교하여, XMC-2400 µCooling 칩은 매우 조밀한 디자인에서 효율적인 냉각을 성취하여, 초소형 장치의 발열 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

XMC-2400 칩 하나는 1000Pa의 배압 하에 초당 최대 39개의 세제곱센티미터 공기를 이동할 수 있습니다. 이러한 전형적인 실리콘 솔루션은 반도체의 신뢰성, 부품 간의 일관성, 높은 내구성, 충격 강도 및 IP58 방진 방수 등급을 제공합니다.

보고에 따르면, xMEMS는 2025년 제1 분기에 고객에게 XMC-2400 샘플을 제공할 계획이며, 이 제품이 2026년에 실제 장비에 적용될 것으로 예상됩니다.

Purdue University의 Wei Tianwei: 칩 수준 "이중 충격 제트 냉각" 기술로 열 효율성을 100 배 향상시킵니다.

퍼디유니버시티 기계공학 학부의 Wei Tiwei 교수가 이끄는 연구 그룹은 혁신적인 "칩급 직접 이종 충격 스트림 냉각" 솔루션을 개발하고 있습니다. 이 솔루션은 데이터 센터의 전체 열 성능을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 펌프 시스템의 유체 운송력을 낮출 수 있어 데이터 센터 냉각에 새로운 전략을 제공합니다.

열 저항을 줄이는 것은 현재 칩 냉각 기술 분야에서 가장 도전적인 핵심 문제입니다.

현재 전통적인 칩 냉각 기술의 열저항은 0.3K/W 정도로 최소화되며, 이에 비해 이종 이질 순발사 충격 냉각 기술을 적용한 칩 냉각의 열저항 값은 0.0035 K/W로 낮아져 두 단계 수준으로 감소됩니다. 이러한 냉각 효과로 인해 칩의 온도가 매우 낮은 수준으로 낮아져 전통적인 냉각 기술과 비교할 때 냉각 효율이 50배에서 100배 향상되었습니다.

칩 수준의 이중 충격 분사를 통한 직접 냉각 기술 원리 도식(출처: Wei Tiwei)

기술 원칙 측면에서, "이중 충격분사 노실냉각" 기술은 액체가 가득 찬 미세 채널을 직접적으로 마이크로칩 패키지 내부에 구축하는 것을 의미합니다. 칩이 열을 발생시킬 때 액체는 끓게 되어 열을 흡수한 후 증기를 발생시키며 열을 희석시킵니다. 그 다음 증기가 응축되어 다시 순환하며 냉각 과정을 다시 시작합니다.

위테웨이는 말했습니다. "우리가 개발한 이러한 냉각 기술은 간단히 구멍을 뚫을 뿐이 아니라, 다층 마이크로/나노 가공의 미세 구조 디자인이 포함되어 매우 복잡한 다층 기체와 액체 이송 분배 시스템을 형성합니다. 이러한 디자인은 효율적인 냉각뿐만 아니라 액체 흐름 저항을 줄일 수 있습니다. 실제로 이는 칩, 전기, 열 및 기계 구조의 협력 설계가 포함된 매우 복잡한 학제간 엔지니어링입니다."

일반적으로 CPU의 패키지 외부는 금속 재질의 덮개(Lid)로 되어 있으며, 덮개 위에는 열 인터페이스재가 도포되어 있고, 그 후에 냉각기와 연결됩니다. 금속 덮개와 칩 사이에도 열 인터페이스재가 채워져 있습니다. 그러나 다층 열 인터페이스재와 복잡한 열 인터페이스 접촉으로 인해 칩의 총 열 저항이 높아져, 냉각 효과가 미래 고 출력 밀도 데이터 센터의 냉각 요구를 충족시키지 못하는 문제가 있습니다.

"Weite Wei points out that the closer the liquid cooling solution is to the chip, the lower the overall thermal resistance from the chip junction to the fluid, and the better the heat dissipation efficiency. Our cooling solution skips two layers of thermal interface materials, exposing the entire back of the chip, allowing the liquid jet to directly impact the back of the chip, truly achieving chip-level packaging cooling. At the same time, through optimized system flow resistance design, we have also reduced the energy consumption of the cooling system. In other words, we allow the coolant to flow directly inside the chip package for cooling."

"웨이태웨이는 액체 냉각 솔루션이 칩에 가까울수록 칩 연결부터 유체까지의 총 열 저항이 낮아지고 열 배출 효율이 높아진다고 지적했다. 우리의 냉각 솔루션은 두 개의 열 인터페이스 물질을 건너뛰어 칩 뒷면을 완전히 노출시켜 액체 제트가 칩 뒷면에 직접 충격을 가하게하여 칩 수준의 패키징 냉각을 실현했다. 동시에 최적화된 시스템 유동 저항 설계를 통해 냉각 시스템의 에너지 소비도 줄였다. 다시 말해, 우리는 냉각액이 직접 칩 패키지 내부를 흐르면서 냉각되도록 했다."

이 연구 프로젝트의 독특한 점은 다단계 및 다층 차원의 냉각 최적화에 있습니다. 반도체 마이크로칩 및 칩 패키지 수준의 냉각 설계뿐만 아니라 냉각 구성 요소, 랙, 시스템 수준 및 데이터 센터의 배치까지 고려해야합니다. 미시적에서 거시적까지 모든 이러한 측면은 밀접하게 연결되어 효율적인 냉각 및 에너지 절약을 실현하는 데 공헌합니다.

위태영체는 "칩 수준의 이질적 충격 스프레이 냉각" 기술 이외에도 여러 칩 냉각 기술을 병행하여 개발 중이라고 강조했습니다. 그중에는 초고열전도율을 가진 이방성 열 인터페이스 소재도 개발 중입니다. 간단히 말해, 칩의 외부 봉지 금속 덮개에 우리가 개발한 새로운 열 인터페이스 소재를 통합함으로써, 효율적인 액체 냉각 판과 결합하여 더 나은 냉각 효과를 달성할 수 있습니다. 이러한 설계는 냉각 액체가 칩 실리콘 백면에 직접 접촉할 수 있는 신뢰성 위험을 없애줄 수 있습니다."

한편, Wei TeWei 팀은 현재 Intel 및 Meta와 협상 중이며, 더 유연하고 분해 가능한 패키지 수준의 액체 냉각 통합 솔루션에 대한 논의와 탐색 중입니다.

칩이 자가적응하는 마이크로 스트림 냉각 새로운 발전

마이크로 스케일 채널로 냉각 액체를 이동시켜 주요 칩의 열을 신속히 이동시키는 강제 대류 열전달을 통해 새로운 고효율 냉각 수단입니다. 신뢰성 요구를 충족하기 위해, 일반적으로 칩의 극한 고전력을 고려하여 일정한 냉각 전력 임계값을 계산합니다. 하지만 극한 전력 작동 시간은 10%에 미치지 못하기 때문에 냉각 자원이 남아 있고 낭비될 수 있습니다.

따라서 고출력 칩의 소비 전력 특성에 따라 적응적 열 해산 전력 임계값을 설계하는 방법이 시스템 효율을 향상시키는데 중요한 의미를 가집니다.

In April this year, Professor Jiao Binbin's research team at the Chinese Academy of Sciences Institute of Microelectronics made the latest progress in the field of chip adaptive microchannel cooling.

이 연구는 전통적인 고정 임계값 방식 대신 새로운 적응 동적 임계값 방식을 제안합니다. 칩이 극도로 높은 전력 소비 상태에서 작동할 때, 이 방법은 생체 흡수 행동을 활용하여 냉각 매체를 희생하여 추가적인 열 배출 능력을 제공합니다. 이 방법을 사용하여 제작된 실리콘 기반의 마이크로 스트림 냉강판은 고정 임계값을 강제 대류로 구현하는 마이크로 채널 및 동적 임계값을 증발로 구현하여 사용합니다. 기억 합금 온도 감응 밸브 구조를 사용하여 "모공"을 제어하고 혼합물이 증발 영역 내에서 "증발한 수증기"로 조절함으로써 열 배출 전력 임계값을 동적으로 조절합니다.

스웨트 포어를 모방한 생리학적 열 증찬을 위한 도표

전통적인 마이크로유체 냉각 구조와 비교하면, 이 냉각판은 극한 고전력 냉갩 요구를 충족하면서도 일반 전력 상태에서 냉각 자원 소비를 효과적으로 줄일 수 있는데, 또한 셀프 어댑티브 조절 과정에서 소비하는 에너지는 모두 칩 자체에서 발열되어 추가 에너지를 소비하지 않습니다. 실험 결과, 칩의 극한 전력 조건에서 셀프 어댑티브 증발은 냉각 능력을 80% 향상시키고, 접속 온도를 22.3°C 낮출 수 있음을 보여줍니다. 증발 영역의 친수성 조정, 배출액 제어 및 상변 상태 조절 등을 더욱 최적화하여, 칩의 정격 작업 온도에서의 전력 밀도를 208W/cm2까지 향상시킬 수 있습니다.

이 연구 결과는 "전자기기의 바이오닉 땀 구멍을 통한 n 적응형 열 관리 방법"이라는 주제로 "Applied Thermal Engineering"에 발표되었습니다.

상변 냉각 기술, 지속적인 혁신

칩의 전력 밀도가 계속해서 증가함에 따라, 전통적인 냉각 방법 (풍냉 및 수냉과 같은)은 이러한 복잡한 열 관리 요구에 대처하기 어려워졌습니다. 열변환 냉각 기술은 높은 효율의 열 관리 능력으로, 유망한 냉각 솔루션으로 부상하고 있습니다.

상변 냉각 기술은 고출력 칩의 열 관리에 특히 적합하며, 특히 고출력 밀도와 엄격한 열 배출 요구 사항이 있는 응용 분야에서 여러 고출력 칩 냉각 선두 주제에서 확인되었습니다.

예를 들어, 삼성전자는 고성능 칩의 열 설계에서 파라핀 상변재료를 사용합니다. 파라핀은 전형적인 유기 상변재료로, 낮은 녹는점과 높은 열 용량 특성을 가지고 있어서 40-60°C 온도 범위에서 효율적으로 열을 흡수할 수 있습니다. 구체적인 응용에서, 삼성전자는 칩 패키지 구조를 최적화하여 파라핀 재료를 직접 칩 패키지에 통합시켜 열원과 밀접하게 접촉시킵니다.

상이 변하는 재료의 온도 범위

This encapsulation solution not only utilizes the high latent heat characteristics of paraffin material but also ensures efficient heat conduction to the phase change material through precise encapsulation techniques, thereby maintaining temperature stability when the chip operates under high load. Studies have shown that this design reduces the peak temperature of the chip by about 15%, significantly improving the thermal stability and operational lifespan of the chip.

**Translation in Korean:**

이 봉투 솔루션은 파라핀 소재의 높은 잠열 특성을 활용할 뿐만 아니라 정밀한 봉투 기술을 통해 열을 효율적으로 상별 변환하여 칩이 고부하로 작동할 때 온도 안정성을 유지합니다. 연구에 따르면 이 설계는 칩의 최고 온도를 약 15% 낮추어 칩의 열안정성과 작동 수명을 현격히 향상시켰다.

마이크로채널 상변 냉각 시스템: MIT의 나노 입자 강화 PCM: MIT 연구팀은 고출력 밀도 칩의 냉각 요구를 위해 마이크로채널과 나노 입자 강화 상변재료를 결합한 고급 냉각 시스템을 개발했습니다. 이 시스템에서 연구자들은 상변재료에 구리나 알루미늄과 같은 고열전도성 금속 나노 입자를 첨가하여 상변재료의 열전도성능을 현격히 향상시켰습니다. 이 방법을 통해 나노 입자는 상변재료 전체의 열전도성을 향상시킬 뿐만 아니라 상변과정을 가속화하여 냉각 효과를 뚜렷하게 향상시켰습니다.

또한, 연구팀은 마이크로 채널 구조를 디자인하여 상변 재료가 마이크로 채널 안에서 고속으로 흐를 수 있도록 하였으며, 이로써 열 전달과 확산이 더욱 가속화되었습니다. 이러한 디자인은 칩이 고출력 상태에서도 온도를 상대적으로 낮은 수준으로 안정적으로 유지하면서 열 축적 현상을 크게 감소시켰습니다. 실험 결과에 따르면, 이 시스템은 1cm²당 200W의 파워 밀도를 처리할 때 칩 온도를 20°C 이상 감소시킬 수 있어 전통적인 열 방출 방법을 크게 능가합니다.

싸이클링 냉각 시스템과 장기 안정성: 도쿄 대학교의 고열전도 금속 PCM: 일본 도쿄 대학교 연구진은 장기간 안정적인 고출력 장비인 데이터 센터 및 슈퍼 컴퓨터에 적용되는 반복 사용 가능한 상변 냉각 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 실버 합금 또는 인등 합금과 같은 새로운 고열전도 금속 상변 재료를 활용하며, 이러한 재료는 높은 은열과 더불어 우수한 열전도성과 안정적인 상변 온도를 갖추고 있습니다.

이 냉각 시스템의 핵심은 상변 재료의 순환 사용에 있습니다: 상변 재료가 열을 흡수하고 상변이 일어난 후, 액체 냉각 시스템을 통해 열원 지역에서 제거되어 냉각 장치를 통과한 뒤 다시 고체로 固化하여, 열원 지역으로 다시 순환되어 열을 방출합니다. 이과정은 상변 재료의 유동과 상변 과정을 정밀하게 제어하여 칩 온도의 지속적인 안정 제어를 실현합니다. 장기간의 실험 결과, 이 시스템은 연중 무중단 운전시에 칩 온도의 변동이 ±2°C 이내로 제어되었으며, 상변 재료에는 뚜렷한 성능 저하가 나타나지 않았습니다. 이러한 효율적이고 안정적인 냉각 솔루션이 이미 일본 국내의 여러 초고속 컴퓨터 프로젝트에서 적용되고 확인되었습니다.

전체적으로, 위상 변화 냉각 기술은 고출력 칩 열제거에서 탁월한 열 관리, 수동 냉갩과 에너지 효율, 디자인 유연성과 공간 이용 등 다양한 측면에서 독특한 장점을 나타냅니다.

With the maturation of phase change cooling technology, standardized and modular design will drive its widespread application in various industries such as data centers, 5G base stations, consumer electronics, and more. The standardization drive in various industries will help popularize phase change cooling technology and reduce costs.

"phase change cooling technology" -> "상변 냉각 기술"
"5G base stations" -> "5G 기지국"

도전에 직면하고 있지만 지속적인 기술 혁신과 연구 발전을 통해 이 기술은 높은 수준의 응용 분야에서 강력한 잠재력과 가치를 보여줄 것입니다. 과학기술의 지속적인 발전으로 상변 냉각 기술은 미래 전자 장치의 열 관리에 중요한 구성 요소로 자리 잡게될 것이며, 더 효율적이고 신뢰성 있는 전자 장치를 실현하기 위해 견고한 기술 지원을 제공할 것입니다.

SK Hynix: HBM MR-MUF 열 제어 기술

현재, 선도적인 저장장치 제품은 인공지능 시대의 높은 수요를 충족시키기 위해 빠르게 발전하고 있습니다. 그러나 이러한 진보가 다음 세대 제품의 발전을 방해할 수 있는 한 가지 위험요소를 가져왔습니다 - 과열.

이 문제를 해결하기 위해 SK Hynix는 전례 없는 발전을 이루어 "Mass Reflow-Molded Underfill (MR-MUF)"라 불리는 새로운 혁신적인 패키징 기술을 개발하여 칩의 열 특성을 효과적으로 개선하였습니다. 2019년 이후 MR-MUF 기술은 SK하이닉스의 혁신적인 제품 HBM2에 적용되어 회사의 시장 경쟁력을 강화시켰습니다.

MR-MUF 기술을 채용한 유일한 회사로, 이 기술을 적용한 HBM 제품의 열 방출 성능이 고객들로부터 일관된 호평을 받아 SK하이닉스는 의심의 여지 없이 HBM 시장에서 선두 업체가 되었습니다.

SK Hynix의 HBM 제품은 2세대 HBM 제품인 HBM2 이전에는 업계 표준인 열압 및 비전도성 필름(TC-NCF, Thermal Compression Non-Conductive Film) 기술을 사용했습니다. 그러나 HBM 제품의 발전으로 인해 더 얇은 칩이 필요하게 되어 더 많은 칩 층을 수용하기 위해 해당 패키징 기술은 더 많은 열과 압력을 제어해야 합니다.

SK Hynix는 3세대 HBM 제품인 HBM2E를 개발할 때 열 전달 제어를 주요 개선 요소로 삼았습니다. 2019년에 새로운 패키징 기술인 MR-MUF를 선보여 HBM 시장의 미래를 완전히 바꿨습니다.

TC-NCF 기술과 MR-MUF 기술의 열전달 성능의 구조적 차이

MR-MUF 기술은 HBM 제품의 모든 수직 스택 칩을 동시에 가열 및 상호 연결할 수 있으며, 스택 칩 뒤를 채우는 TC-NCF 기술보다 효율적입니다. 또한 TC-NCF 기술과 비교하여 MR-MUF 기술은 효율적인 열 흡수를 위한 열 가상디파 절의 수를 네 배로 늘릴 수 있습니다.

MR-MUF 기술의 또 다른 중요한 특징은 칩 간 간격을 채우기 위해 환옥시 수지 몰딩 복합체(EMC, Epoxy Molding Compound)라 불리는 보호 재료를 사용한다는 것입니다. EMC는 열 경화성 고분자로, 뛰어난 기계적 특성, 전기 절연성, 내열성을 가지고 있어 고환경 신뢰성 및 칩 휘어짐 제어 요구를 충족시킬 수 있습니다. MR-MUF 기술을 적용하여 HBM2E의 열 전달 성능이 이전 세대인 HBM2 대비 36% 향상되었습니다.

이후 MR-MUF 기술은 계속 발전해왔고, 산업 최초로 칩 제어 기술과 열 분산 효과를 개선한 새로운 보호 소재가 도입되었습니다. 이 과정에서 SK하이닉스는 고급 MR-MUF 기술에 적용된 새로운 EMC와 이전 MR-MUF 기술의 EMC를 비교했을 때 열 분산 성능이 1.6배 향상되었습니다. 이를 통해 SK하이닉스는 다시 한 번 소재 혁신을 이루어 냈습니다.

HBM 제품의 개발 및 열 성능 최적화 타임라인.

기해 2024년에 SK하이닉스는 첫 번째 HBM3E를 상용화 한 기업이 되었습니다. HBM3E는 세계 최고 수준의 성능을 자랑하는 최신 세대의 HBM 제품입니다. 선진한 MR-MUF 기술을 적용한 후, 이전 세대의 8층 HBM3과 비교하여 HBM3E는 열 배출 성능이 10% 향상되어 인공 지능 시대에서 인기 있는 저장 장치 제품이 되었습니다.

In the future, the company will continue to maintain its market-leading position in the HBM field and has announced plans to advance the mass production of the next-generation HBM4 products to 2025.

미래에는 이 회사가 HBM 분야에서 시장 선도적 위치를 유지하고 있고, 차세대 HBM4 제품을 2025년으로 조기 양산할 계획을 발표했습니다.

마지막에 쓰세요.

In the future, as AI, 3DIC, advanced packaging, and other emerging technologies continue to advance, the performance and power consumption of chips will face greater challenges.

미래에는 AI, 3DIC, 고급 패키징 및 기타 신흥 기술이 계속해서 발전함에 따라 칩의 성능과 전력 소비가 더 큰 도전에 직면하게 될 것입니다.

반도체 기술의 지속적 발전에 따라 칩의 열 문제를 효과적으로 관리하고 줄이는 것은 산업의 지속가능한 발전에 중요한 과제가 될 것입니다. 이는 계속해서 높아지는 고성능 컴퓨팅 요구를 충족시키기 위해 새로운 혁신적인 냉각 기술과 방법이 나타날 수 있도록 촉진할 것입니다.

해당 내용을 한국어로 옮겨주시겠어요?

조위페이: 산업 기술 혁신

퍼듀 대학 교수 웨이 티웨이는 칩 수준의 "이중 충격 분사 냉각" 기술을 개발하여 열 효율을 100배 향상시킬 것으로 예상되며, 현재 회사 설립을 위해 기술을 상업화하는 데 적극 노력 중입니다.

Carbontech: Huawei and Xiamen University collaborate on innovation for diamond thermal management technology!

"Carbontech" : 화웨이와 시안대학이 다이아몬드 열 관리 기술에 대한 혁신 협력을 합니다!

분체 서클: AI 칩셋의 열 문제 해결: 열 전도 물질이 어떻게 도움이 됩니까?

적용된 열공학

유세 자본: 새로운 세대의 칩셋 냉각 기술의 비밀을 밝혀 성능 안정을 보장합니다.

열 관리 전문가: 고출력 칩 열 배출에 대한 상변 냉각 기술

웨인 윌리엄스: 루프 히트 파이프(LHP)용 바이오닉 세라믹 흡수체는 잎가닥 기공에서 영감을 받았다

Electronics360: 액체 냉각 기술은 NVIDIA의 고급 GPU를 지원하여 지속 가능한 AI를 실현합니다.

끝

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