반도체 통합 수냉 시스템을 개발 중인 TSMC

 

(Image credit: TSMC)

 현재 사용되는 고성능 프로세서는 막대한 열을 방출합니다. 서버용은 물론 일반 사용자를 위한 CPU나 GPU 가운데서도 이미 수백W의 전력을 소모하는 제품들이 있을 정도입니다. 이에 따라 전통적인 공냉식이나 수냉식 시스템은 물론이고 전기 절연성 액체에 서버를 직접 집어 넣는 액침 냉각 (immersion cooling) 방식도 시도되고 있습니다. 

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 그러나 설령 액침 냉각 방식이라고 해도 가장 큰 문제는 프로세서에서 나오는 열이 바로 제거되지 않는다는 것입니다. 나노미터 크기의 미세 공정으로 제조된 반도체 다이는 매우 약하기 때문에 구리 재질의 보호 케이스인 히트 스프레더(Heat spreader)로 덮고 그 사이 공간에는 열전도율이 높은 물질을 채웁니다. 하지만 튼튼하게 보호 받을수록 열을 제거하기는 힘들어진다는 문제점이 있습니다. 

 

 따라서 반도체 아래나 위에 액체가 흐르는 미세관을 삽입해 반도체를 직접 냉각하려는 통합 수냉 시스템이 이전부터 개발되어 왔습니다. 

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 TSMC는 최근 열린 VLSI 심포지움에서 온 칩 반도체 통합 수냉(On-Chip, Semiconductor-Integrated Watercooling) 기술을 발표했습니다. 최근 각광을 받고 있는 적층 반도체 기술은 필연적으로 아래 층에 있는 다이에서 나오는 열을 쉽게 배출할 수 없다는 단점이 있습니다. 해결책은 샌드위치 식으로 중간에 수냉층을 삽입하는 것입니다. 이 방식으로 500㎟ 이상 면적의 큰 다이에서 TDP 2000W도 감당할 수 있다는 것이 TSMC의 생각입니다. 하지만 미세 수냉 채널을 삽입하고 누수가 없게 순환시키는 일은 기술적 난이도가 매우 높은 방식이라 현재는 초기 연구 단계에 지나지 않습니다. TSMC 역시 언제 상용화가 가능할지는 언급하지 않았습니다. 

 앞으로 3D 적층 방식의 칩 패키징이 점점 늘어나고 칩 크기가 커질수록 발열 제어 문제는 점점 심각해질 것입니다. 반도체에 아예 적층 방식으로 냉각층을 삽입하는 것이 해결책이 될 수 있으나 어떻게 물을 안전하게 순환시킬 수 있을지가 가장 어려운 과제가 될 것 같습니다. 

 참고 

 

https://www.tomshardware.com/news/tsmc-exploring-on-chip-semiconductor-integrated-watercooling