2D 물질 센서는 온도 변화를 100 나노초 만에 감지할 수 있으며, 기존 설계보다 100배 이상 작습니다.
펜 스테이트 대학교(Penn State) 연구진은 3월 6일 Nature Sensors에 발표된 논문에 따르면, 프로세서 칩에 직접 내장할 수 있을 만큼 작은 미세 온도 센서를 개발했습니다. 새로운 유형의 2차원 물질로 제작된 이 센서는 100나노초 만에 온도 변화를 감지할 수 있습니다. 펜 스테이트의 보도 자료에 따르면, 이는 눈 깜짝할 시간보다 수백만 배 빠른 속도이며, 크기는 단 1제곱 마이크로미터(square micrometer)에 불과하여 하나의 칩에 수천 개를 배치할 수 있습니다.
기존 프로세서는 칩 다이 외부(outside the chip die)에 배치된 온도 센서에 의존해 왔는데, 이는 열 모니터링의 속도와 정밀도를 제한하는 한계가 있었습니다. 이 간극이 중요한 이유는 개별 트랜지스터의 온도가 외부 센서가 감지하는 속도보다 빠르게 급증할 수 있기 때문입니다. 이 때문에 칩은 국소적인 과열 지점(localized hotspots)에 대응하기보다는 전체 코어에 보수적인 열 스로틀링(thermal throttling)을 적용하도록 강제받습니다. 펜 스테이트의 설계는 칩을 통과하는 기존의 전기 전류를 사용하여 센싱을 실리콘 자체에 통합함으로써 이러한 문제를 해결했습니다.
이 센서들은 열 감지에 이전에 사용된 적 없는 2차원 물질인 이금속 티오인산염(bimetallic thiophosphates)으로 제작되었습니다. 이 물질의 핵심 특성은 전기에 노출되어도 이온이 계속 자유롭게 이동한다는 것입니다. 이는 일반적으로 칩 엔지니어가 트랜지스터에서 제거하려고 노력하는 거동이지만, 펜 스테이트 팀은 오히려 이를 역이용했습니다. 즉, 온도 감지를 위한 이온 수송 현상과 열 데이터를 읽기 위한 전자 수송 현상을 결합시킨 것입니다. 그 결과, 연구진은 이 센서가 추가 회로(circuits)나 신호 변환기(signal converters)가 필요하지 않으며, 기존 실리콘 기반 열 센서 대비 최대 80배 적은 전력을 소비한다고 주장합니다.
논문의 교신저자이자 펜 스테이트의 공학과학 및 역학 교수인 사프타르시 다스(Saptarshi Das)는 "산업계에서는 트랜지스터에서 일반적으로 원치 않는 것이 실제로는 열 감지에 아주 좋습니다. 그래서 저희는 디자인에서 이 점을 적극적으로 활용하려고 했습니다"라고 밝혔습니다. 그는 "이 시스템에서 이온들을 제거하려고 하기보다는 이를 우리의 이점으로 사용합니다"라며, 온도 감지를 위한 이온 현상과 열 데이터 판독을 위한 전자를 결합함으로써 팀이 극도로 정확하면서도 소형의 장치를 구현할 수 있었다고 설명했습니다.
다스 교수는 다만 이 연구가 '개념 증명(proof of concept)' 단계에 불과하다는 점을 명확히 했습니다. 비록 이 센서들이 펜 스테이트 소재 연구소 나노 제작 실험실(Materials Research Institute Nanofabrication Laboratory)을 이용하여 실험실에서 제작 및 테스트되었지만, 상업용 칩으로 통합하기 위해서는 칩 제조업체가 이 공정을 대규모로 검증해야 합니다. 그럼에도 불구하고, 입증된 사양(100나노초 응답 시간, 1제곱 마이크로미터 크기, 추가 회로 불필요)은 온다이(on-die) 열 모니터링 기술이 실제 양산 실리콘에 적용되는 것을 가로막았던 여러 제약들을 해소했습니다.
최신 뉴스, 분석 및 리뷰를 피드에서 받아보려면 Google News에서 Tom's Hardware를 팔로우하거나 선호 출처로 추가하세요.
[출처:] https://www.tomshardware.com/tech-industry/penn-state-researchers-build-atom-thin-thermometers