차세대 칩, 다이아몬드로 냉각될 수 있을까?
스탠퍼드 대학교의 한 연구팀은 다이아몬드를 활용하여 RF 트랜지스터가 직면하는 열적 병목 현상(thermal bottleneck)을 처리하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 연구진은 트랜지스터 위에 통합된 다이아몬드 레이어(integrated diamond layer)를 입히는 방식을 통해 실제 환경에서는 칩 온도를 최대 70°C까지, 시뮬레이션 테스트에서는 90%까지 낮출 수 있었습니다.
이번 주 IEEE Spectrum에 발표된 바에 따르면, 이 새로운 다이아몬드 방식 테스트 결과는 전자기기 열 문제를 해결하는 데 있어 매우 유망한 단서를 제시했습니다. 반도체와 프로세서가 지속적으로 고성능화되고 집적도가 높아지면서 트랜지스터의 밀도는 더욱 높아지고 있습니다. 예를 들어, Nvidia의 Blackwell GPU 아키텍처는 단일 GPU에 무려 2,080억 개의 트랜지스터를 담고 있습니다.
이러한 극한의 집적화와 축소는 본질적으로 열적 제약에 부딪히고 있으며, 효율성으로 인한 혁신이 열적 한계에 의해 상쇄되는 상황에 직면하고 있습니다. 이러한 배경 속에서 스탠퍼드 대학의 Srabanti Chowdhury가 이끄는 연구팀은 최소 2022년부터 트랜지스터 제작에 다이아몬드 레이어를 적용하는 연구를 꾸준히 진행해 왔습니다.
- 연구원들은 프로세서에 직접 통합할 수 있는 원자층 두께의 2D 온도계를 개발하고 있습니다.
- 내장형 증기 챔버가 탑재된 열 패드는 일반 열 패보다 50배에서 80배 높은 열전도율을 자랑합니다.
- 빌 게이츠가 투자한 실리콘 포토닉스 스타트업이 기존 기술 대비 10,000배 작은 광학 트랜지스터를 개발했습니다.
다이아몬드가 GaN 트랜지스터와 함께 사용되는 것은 전례 없는 혁신은 아닙니다. 일본 역시 2022년에 이 주제에 대한 연구를 발표했으며, 미국의 DARPA 기금은 2024년에 Raytheon을 고용하여 관련 연구를 진행했습니다. 그러나 Chowdhury 교수 팀이 이번 주 달성한 가장 큰 혁신은 부품을 손상시키지 않을 만큼 낮은 온도에서 반도체 장치 위에 다이아몬드를 직접 성장시킬 수 있는 능력이었습니다. 이 돌파구 이전에 마이크로미터 규모의 다이아몬드 시트는 1,000°C 이상의 고온 환경에서만 성장할 수 있었습니다.
Chowdhury와 팀의 다이아몬드 성장 방식은 "400°C에서 기판 주변에 큰 입자 구조의 다결정 다이아몬드"를 생성할 수 있습니다. 이 인용구의 모든 요소는 그 자체로 큰 의미를 지닙니다. 기존 방법보다 높은 수준으로 산소를 첨가하여 다이아몬드가 아닌 탄소 침전물(non-diamond carbon deposits)을 식각해냄으로써, 전도성을 저해하는 그을음 생성을 방지합니다. 이 400°C라는 온도는 CMOS 장치에 생존 가능한 온도 범위 내에 있으면서도, 그을음이 아닌 다이아몬드를 생성하기에 충분히 고온입니다. 또한, 큰 결정 구조 자체가 이 방법의 핵심적인 장점인데, 이는 여러 개의 짧은 결정층이 나란히 배치되는 경우보다 높은 전도성을 보장하며, 열을 효율적으로 분산시킬 수 있기 때문입니다.
다이아몬드는 믿을 수 없을 정도로 높은 열전도성 때문에 오랫동안 미래 칩의 핵심 소재로 주목받아 왔으며, 단결정 다이아몬드는 구리보다 6배 높은 전도도를 자랑합니다. 다이아몬드 트랜지스터를 조달하고 제작하는 것은 매력적이지만, 현재와 같은 형태로의 공급 자체가 불가능합니다.
대신 다이아몬드는 갈륨 질화물(GaN) 트랜지스터의 새로운 구성 요소로 등장했습니다. 이는 반도체 위에 직접 성장하며 실리콘 카바이드 중간층을 형성함으로써, 트랜지스터 자체에서 혁명적인 수준의 열 방출을 가능하게 합니다. 반도체 위의 일반 히트싱크는 칩 내부의 열을 깊숙이 끌어내는 데 한계가 있습니다.
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