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칩 내장형 수냉식 쿨링 시스템






 (Credit: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)



 반도체는 전기를 이용해서 각종 작업을 수행하는데, 그렇다고 해서 에너지가 데이터로 바뀌는 것은 아닙니다. 전기 에너지는 100% 열 에너지로 변환됩니다. 다시 말해 열 에너지를 식혀줄 방법이 필요하다는 이야기입니다. 전기를 많이 소모하는 CPU나 GPU의 경우 이 열에너지를 식히기 위해 결국 다시 에너지를 투입해야 하는데, 서버처럼 특히 많은 전력을 소모하는 경우 여기에 들어가는 에너지가 만만치 않습니다. 따라서 수많은 서버를 운용하는 데이터 센터는 물론 관련 기업들이 더 효과적인 냉각 방법을 개발하기 위해 많은 연구를 진행 중입니다. 



 더 효과적인 반도체 냉각 기술 중 하나로 주목받는 것이 칩 바로 옆에 미세관을 통해 냉매를 흘려보내 트랜지스터 바로 옆에서 냉각하는 수냉 방식입니다. 기존의 프로세서의 경우 충격에 약한 반도체 칩을 보하기 위해 단단한 보호판인 히트 스프레더를 지니고 있으며 칩과 히트스프레더 사이 공간은 열전도율이 좋은 물질로 채워져 있습니다. 하지만 열 전도율이 아무리 좋아도 결국 쿨러와 상당한 공간을 건너야 하기 때문에 내부 열배출이 효과적으로 이뤄진다고 보긴 어렵습니다. 따라서 아예 반도체 패키징 안에 미세 채널을 만들어 열을 식하는 대안이 제시된 것입니다. 



 이전 포스트: https://blog.naver.com/jjy0501/220507285904



 하지만 약한 반도체 칩 안에 물을 흘려보내는 것은 상당한 위험성이 있습니다. 무엇보다 많은 전류가 흐르는 장소이기 때문에 누전 사고의 위험성이 있습니다. 스위스 로잔 연방공과대학 (EPFL)의 엘리슨 마티올리 교수(Professor Elison Matioli)와 대학원생인 렘코 반 에르프(Remco Van Erp)는 전기가 흐르지 않는 비이온화 냉각수를 이용한 칩 냉각 시스템을 개발했습니다. 



 이 시스템은 트랜지스터 층 바로 아래 미세 채널을 만들고 여기에 냉각수를 흘려보내는 방식으로 기존의 칩 제조 방식과 쉽게 통합될 수 있으며 전류 누설의 위험성도 없다는 것이 연구팀의 설명입니다. 따라서 더 상용화 가능성이 높다는 것인데, 실제 제조사들에 의해 상용화가 가능할지는 좀 더 두고봐야 알 수 있을 것입나다. 



 두꺼운 히트 스프레더와 서멀 그리스를 거치는 대신 열이 나는 트랜지스터 바로 아래에서 칩을 냉각시키는 것이 더 효과적이라는 데 의문을 지닐 사람은 없을 것입니다. 문제는 어떻게 안전하고 효과적으로 냉각수를 흘려보내냐는 것입니다. 여러 가지 어려움이 있지만, 결국 언제가 돌파구가 마련될 것으로 기대합니다. 



 참고 



https://techxplore.com/news/2020-09-transistor-integrated-cooling-powerful-chip.html


Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2666-1 , www.nature.com/articles/s41586-020-2666-1
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