내장형 액체 냉각
데이터 센터급 프로세서의 발열량이 높아지면서 기업들은 이를 냉각하기 위해 더욱 창의적인 방법을 고안하고 있습니다. 엔비디아(Nvidia)와 그 파트너사들은 차세대 AI GPU를 위해 새로운 콜드 플레이트(cold plates) 및 침지 냉각(immersion cooling) 기술을 실험 중인 것으로 알려졌습니다. 반면, 마이크로소프트(Microsoft)는 실제 칩의 뒷면에 미세 유체 채널(microfluidic channels)을 에칭하여 최고 온도를 최대 65%까지 낮출 수 있는 방안을 제안했는데, 이는 콜드 플레이트 방식보다 최대 3배 높은 효율을 자랑합니다.
마이크로소프트는 실리콘 다이(silicon die) 뒷면에 에칭된 미세 채널을 통해 냉각수를 직접 순환시키는 냉각 시스템을 개발했다고 밝혔습니다. 이 시스템은 냉각수를 칩 내부의 고열 영역으로 직접 안내합니다. 액체가 칩 내부를 흐르게 하면 전체 시스템 효율이 크게 개선되는데, 이는 액체가 프로세서 내부의 '핫 스팟(hot spots)'에 거의 직접적으로 접촉할 수 있기 때문입니다. 이와 달리 기존의 액체 냉각이나 침지 냉각 방식의 경우, 열이 냉각수와 몇 개 층의 거리를 두고 발생합니다.
열 전달 경로를 최적화하기 위해 마이크로소프트는 스위스 스타트업 코린티스(Corintis)와 협력했으며, 코린티스는 인공지능(AI)을 활용하여 채널 구조를 정교화했습니다. 최종 레이아웃은 단순한 직선 형태가 아니라, 잎맥이나 나비 날개처럼 자연에서 발견되는 패턴을 모방하여 유체가 더욱 효율적으로 흐르도록 설계되었습니다. 또한, 미세 채널은 효과적인 작동을 위해 충분히 작으면서도, 실리콘을 약화시켜 기계적 고장을 유발할 정도로 너무 깊지는 않아야 합니다.
[참고 정보]
- 중국의 AI 인프라 구축 경쟁은 액체 냉각으로의 급격한 전환을 강제하고 있습니다.
- 중국 연구진은 수 초 만에 온도를 50도 이상 낮출 수 있는 새로운 염분 냉각 솔루션을 발견했습니다.
- 3D 프린팅 방식의 팬/펌프 무동력 액체 냉각기는 데이터 센터에 600와트의 냉각 성능을 제공할 수 있습니다.
다만, 미세 유체 채널 에칭은 칩 제조 공정 중 별도의 순서로만 수행할 수 있어 추가 공정 단계와 비용이 수반된다는 단점이 있습니다. 이에 마이크로소프트는 특허에 따라 미세 유체 열전달 구조를 별도로 제작한 뒤, 이 구조를 활용하여 칩 한두 개를 냉각하는 방식을 대안으로 제시했습니다. 이러한 통합을 실현하려면 냉각수 누출을 방지하고 내구성을 유지하기 위한 새로운 패키징 기술이 필수적입니다.
현재 마이크로소프트는 적절한 냉각수 유체를 확보했고, 정밀 에칭 기술을 개발했으며, 이를 칩 생산 공정에 성공적으로 통합했습니다. 따라서 마이크로소프트는 이 기술이 자사의 칩 개발 파이프라인 내에서 대규모 생산 준비를 마쳤다고 판단합니다. 제3자 고객은 마이크로소프트 테크놀로지 라이선싱(Microsoft Technology Licensing, LLC)을 통해 해당 기술을 라이선스할 수 있습니다.
마이크로소프트의 클라우드 운영 및 혁신 부문 부사장 겸 최고 기술 책임자(CTO)인 주디 프리스트(Judy Priest)는 "미세 유체 기술은 고객이 필요로 하는 다양한 기능을 구현하고, 더 작은 공간에서 더 나은 성능을 제공하는 고전력 밀도 설계를 가능하게 할 것입니다"라고 말했습니다. 이어 "저희는 이 기술과 설계가 실제로 작동한다는 것을 입증해야 했으며, 가장 먼저 테스트한 것이 신뢰성이었습니다"라고 덧붙였습니다.
마이크로소프트는 가상화된 팀즈(Teams) 워크로드를 실행하는 서버에 이 냉각 솔루션을 테스트하고 있습니다. 이 시뮬레이션 환경은 여러 서비스에 걸쳐 발생하는 불균일한 열 부하를 효율적으로 처리하여, 피크 로드 시간대(정각 또는 30분)에 사용되지 않아 유휴 상태였던 서버의 수를 줄이는 데 도움이 되는 높은 버스트 성능(burst performance)을 구현할 수 있도록 합니다.
실험실 테스트 결과, 이 새로운 기술은 특정 칩과 사용 환경에 따라 피크 실리콘 온도를 최대 65%까지 낮출 수 있는 것으로 나타났습니다. 냉각 성능 향상 정도는 워크로드와 설정에 따라 차이가 있으나, 콜드 플레이트 대비 최대 3배까지 성능이 향상되었습니다. 또한 마이크로소프트는 이 방식이 초저온 냉각수 온도에 의존하지 않고도 냉각이 가능해, 냉각을 위해 필요한 에너지를 절약할 수 있다는 점을 강조했습니다.
마이크로소프트는 수년 동안 마이크로유체 채널 액체 냉각 기술을 실험해 왔으며, 2022년에 첫 번째 프로토타입을 선보이며 충분한 실험실 경험을 쌓았습니다. 그러나 칩이나 칩 패키지 내부에 임베디드 냉각수 채널을 제작하는 방법을 개발한 유일한 기업은 아닙니다. IBM 역시 관련 특허를 보유하고 있습니다.
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