자체 냉각 마이크로칩이 해답일까요

더 작은 마이크로칩에 대한 수요가 증가하면서, 이러한 수요를 충족할 수 있는지에 대한 문제는 주로 칩이 발생시키는 열을 방출할 수 있는 능력에 달려 있다. 그러나 칩에 자가 냉각 요소를 추가하는 것이 현재 시험되고 있는 하나의 해결책이다.

“이러한 본질적인 한계는 무어의 법칙을 가로막고 있다. 무어의 법칙은 컴퓨팅 수요와 성능이 증가함에 따라 마이크로칩과 트랜지스터가 계속해서 더 작아질 것이라고 예측한다. 이러한 발열 문제를 극복하지 못한다면, 마이크로칩의 지속적인 소형화는 컴퓨팅에 문제를 일으킬 것이다,” 인버스(Inverse) 웹사이트는 지적한다.

스위스 연구진은 냉각 시스템을 칩 자체에 직접 통합하는 작업을 진행해 왔다. 인버스는 다음과 같이 설명한다. “이 접근 방식은 기존에 제안된 냉각 모델에 비해 효율성에서 몇 자릿수에 달하는 개선 을 가져올 수 있으며, 컴퓨팅을 새로운 혁신의 시대로 이끌 수 있다.”

현재 방열 능력은 하드웨어(반도체)와 패키징 사이의 열 저항에 의해 근본적으로 제한된다. 스위스 연구진은 냉각 요소를 칩에 직접 통합할 수 있는 칩을 개발하고 있다. 이들이 “마이크로유체-전자 공동 설계”라고 부르는 이 방식은 통제된 방열 및 열 관리를 가능하게 할 수 있다.

현재의 냉각 방식은 대량의 물에 의존한다. 1킬로와트시의 에너지를 냉각하는 데 2갤런의 물이 필요하다. 미국 데이터 센터가 730억 킬로와트시를 소비할 것으로 예상되는 만큼, 이들만 해도 올림픽 규격 수영장 22만 개 분량의 물이 필요할 것이라고 인버스는 설명한다.

이전의 자가 냉각 칩 개발 시도는 냉각 요소를 전자 요소와 별도로 제작한 뒤 제작 후에 결합하는 방식으로 이루어졌다. 이러한 방식에는 비용 및 열 응력과 관련된 문제가 있었다.

“전력 전자 기기는 전기 에너지를 다양한 형태로 변환하는 고체 상태 전자 장치로, 컴퓨터에서 배터리 충전기, 에어컨에서 하이브리드 전기차, 심지어 위성에 이르기까지 다양한 일상 응용 분야에서 사용된다. 더 효율적이고 소형화된 전력 전자 기기에 대한 수요가 증가함에 따라, 이러한 장치의 단위 부피당 변환되는 전력량이 크게 증가했다. 이는 다시 장치의 열 유속, 즉 단위 면적당 발생하는 열량을 증가시켰다,” 네이처 매거진(Nature Magazine)은 보도한다.

“[이 연구팀은] [냉각 채널]이 하나의 다이(die) 위에서 칩과 통합되어 함께 제작되는... 시스템을 개발함으로써 획기적인 성과를 이루어냈다,”라고 이 보고서의 저자이자 기계공학자인 티웨이 웨이(Tiwei Wei)는 적고 있다. “이렇게 매립된 채널은 칩의 활성 영역 바로 아래에 위치하게 되어, 냉각제가 열원 바로 아래를 통과하게 된다.”

연구팀은 먼저 매립형 냉각 시스템을 만들고, 마이크로칩의 기판에 폭이 넓어진 냉각제 채널을 추가하는 것으로 작업을 시작했다. 채널은 구리로 밀봉되었고, 나머지 전자 부품들은 칩 바로 위에 제작되었다.

연구팀은 물을 냉각제로 사용해 교류(AC) 전력을 직류(DC)로 변환하는 전자 부품을 설계하고, 매립형 냉각 기능이 없는 유사한 부품과 비교 시험을 진행했다. 그 결과 효율이 상당히 높게 나타났으며, 연구진은 이 시스템의 냉각 성능이 기존 모델보다 최대 50배 더 높을 수 있다고 추정했다.

또한 이 제작 방식이 기존 시스템을 활용하기 때문에, 연구진은 이것이 이미 경제적으로 실현 가능하다고 밝혔다.

웨이가 언급한 주의 사항으로는 시험에 사용된 재료가 다양한 환경에서 장기적인 시험을 거쳐야 한다는 점과, 냉각제로서 물이 장기적으로 적합한 해결책이 아닐 수도 있다는 점이 있다

몇 가지 주의 사항 — 그러나 웨이에 따르면, 이 설계가 완벽한 성공작인 것은 아니다. 웨이는 보고서에서 이 설계와 관련된 몇 가지 구조적 우려 사항을 지적하는데, 특히 기판 표면에 사용된 재료와 제작 과정에서 냉각제 채널을 연결하는 데 사용된 접착제가 그것이다. 이 두 가지 모두, 예를 들어 일반적인 마이크로칩 제조 공정과 관련된 온도 등 다양한 환경에서의 장기적인 안정성과 효과에 대한 우려가 제기된다.

마찬가지로, 전자기기와 물이 일반적으로 잘 어울리지 않는다는 점을 고려하면, 이 시스템의 냉각제로서 물 또한 장기적인 해결책이 아닐 수 있다. “아직 해결해야 할 과제가 남아 있지만, [이] 연구는 전력 전자 기기를 위한 저비용, 초소형, 에너지 효율적인 냉각 시스템을 향한 중요한 진전 이다,”라고 웨이는 덧붙였다.