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도쿄대학이 개발한 반도체칩 상에서 물을 기화시켜 냉각하는 기술, 핵심은 ‘모세관 현상’
AI 인프라를 냉각시켜라! (7)

도쿄대학이 반도체칩 상에 설치된 유로에 냉각수를 흘려 그 물이 증발했을 때의 기화열도 이용해 칩을 냉각시키는 방법을 개발했다. 반도체칩 상에 물을 흘려 냉각하는 것은 대만의 TSMC 등도 개발하고 있는 기술로, 도쿄대학은 기화열도 이용함으로써 냉각 효율을 높였다. 칩 표면에 물이 얇고 광범위하게 퍼지는 구조를 도입, 모세관 현상을 이용해 저전력으로 물의 증발을 촉진할 수 있도록 했다.

이번 연구를 담당한 것은 도쿄대학 생산기술연구소의 노무라(野村) 교수 연구팀. ‘삼차원 마이크로 유로(流路)’라는 이름의 칩 냉각 구조를 개발해 지난 4월에 발표했다.

-- 펌프 없이 기화를 촉진 --
노무라 교수 연구팀이 개발한 시스템은 2개의 실리콘 기판을 조합한 구조를 가지고 있다. 한쪽 기판에는 마이크로 유로라고 부르는 가느다란 유로, 다른 한쪽에는 냉각수를 효율적으로 분배하기 위한 매니폴드(Manifold)라고 불리는 굵은 수로가 형성되어 있다. 이 구조를 냉각수가 통과함으로써 칩으로부터 효율적으로 열을 빼앗는다. 뜨거워진 물은 냉각수의 입구와는 별도의 출구로 배출되기 때문에 냉각수와 섞이지 않는다.

포인트는 마이크로 유로의 측벽 근처에 미세한 기둥을 다수 설치해 모세관(Capillary)을 모방한 구조를 도입한 것. 이를 통해 냉각수가 마이크로 유로로 유도되어 반도체칩을 식히고 이와 동시에 가열된 물의 일부가 증발해 기화할 때에 주위로부터 빼앗는 열(기화열)에 의해서도 칩이 냉각된다.

모세관 구조는 물의 얇은 막을 뜨거운 실리콘에 쉽게 접촉시키기 위한 구조이다. 물이 표면장력에 의해 빨려 올라가는 모세관 현상이라 불리는 현상을 이용. 펌프 등의 전력을 사용하지 않아도 물의 막이 자연스럽게 얇고 광범위하게 퍼져 증발하기 쉬워진다.

칩의 냉각에 기화열을 사용하는 아이디어는 이전부터 있었지만, “물을 흘려서 효율적으로 기화시키는 방법에 과제가 있었다”라고 노무라 교수는 말한다. 노무라 교수 연구팀은 모세관 구조 도입 등을 통해 이를 극복했다. 서버 내에 냉각액을 순환시켜 식히는 '액랭'에 기화열을 사용하는 방식은 2상식(二相式)으로 불리며, 연구팀은 이 발상을 칩의 직접 냉각에 응용했다.

일반적으로 실리콘 기판에 미세한 유로를 만들어 물을 흘려 보내는 것만으로는 반도체 칩을 효율적으로 냉각시킬 수 없다. 물은 어느 정도의 점성을 가지고 있어 미세한 유로 내에서는 원활하게 흐르기 어렵다. 노무라 교수 연구팀이 개발한 시스템은 마이크로 유로와 매니폴드라는 서로 다른 2개의 구조를 조합함으로써 유량과 유속을 적절히 제어할 수 있도록 했다.

반도체칩 상에 물을 흘려 냉각시킨다는 아이디어는 다소 엉뚱하다고 생각될 수 있지만, 요소기술 개발은 국내외에서 활발해지고 있다. 세계 최대 파운드리(반도체수탁제조) 기업인 TSMC는 ‘Si integrated micro cooler(IMC Si)’라고 불리는 기술 개발을 추진하고 있다. 이것은 반도체칩 상에 냉각액을 흐르게 하기 위한 미세한 유로를 형성하고, 칩을 액체로 직접 냉각시키는 기술이다. 노무라 교수 연구팀은 유로의 설계를 고안해 기화열도 이용할 수 있도록 하는 등, 반도체 대기업에 뒤처지지 않는 참신한 아이디어를 추가했다.

-- 높은 열처리 능력을 확인 --
노무라 교수 연구팀이 실시한 실증 실험에서 분당 2g 정도의 물을 유로에 흘려 보낸 결과, 1cm²당 700와트(W)라고 하는 높은 열처리 능력을 확인할 수 있었다. 또한, 기존 설계와 비교해 물 흐름의 저항(압력 강하)을 62% 줄일 수 있었다. 매니폴드 구조로 인해 수로 내부의 유속이 떨어져 물이 흐르는 거리가 짧아진 것에 따른 효과라고 한다.

냉각 효율을 나타내는 ‘성능 계수(COP)’는 최대 20만 정도로 산출되었다. 이것은 다른 연구 그룹이 지금까지 실증해온 수치를 능가하는 것이라고 한다.

실용화를 위해서는 냉각수를 공급하는 튜브 설계 등에 과제가 남아 있다. 이번 실증에 사용된 튜브는 직경이 1mm 정도로, 반도체칩보다도 두꺼워 기판의 측면에서 삽입이 불가능했다. 기판 후면에 금속제 받침대를 설치하는 등의 조치가 필요해 개선의 여지가 있다.

미세한 구조가 설치된 2개의 실리콘 기판을 조합해야 하기 때문에 제조 프로세스의 확립 및 코스트에도 과제가 있다. 하지만, 노무라 교수는 이를 해결할 수 있는 노하우를 반도체 업체들이 많이 가지고 있다고 보고, 반도체 업체와의 공동 연구도 시야에 두고 연구를 진행시켜 나갈 방침이라고 한다.

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