최신 칩이 발열되는 이유는 무엇일까요?

나노 크기의 트랜지스터가 기가헤르츠 속도로 스위칭될 때, 전자는 회로를 통해 빠르게 이동하며 열로 에너지를 방출합니다. 이는 노트북이나 스마트폰이 불쾌할 정도로 뜨거워질 때 느끼는 열과 같은 원리입니다. 칩에 더 많은 트랜지스터를 집적할수록 열을 방출할 공간이 줄어듭니다. 열이 실리콘 전체에 고르게 퍼지지 않고, 주변보다 수십 도 더 높은 고온 지점에 축적됩니다. 손상과 성능 저하를 방지하기 위해 시스템은 온도가 급격히 상승할 때 CPU와 GPU의 작동 속도를 제한합니다.

열적 과제의 범위

소형화 경쟁으로 시작된 것이 이제 모든 전자 기기에서 발열과의 전쟁으로 변모했습니다. 컴퓨팅 분야에서는 성능 향상으로 전력 밀도가 계속 높아지고 있으며(개별 서버는 수십 킬로와트 수준의 전력을 소모할 수 있음), 통신 분야에서는 디지털 및 아날로그 회로 모두 더 강력한 신호와 빠른 데이터 전송을 위해 더 높은 트랜지스터 전력을 요구합니다. 전력 전자 분야에서는 효율성 향상이 점점 더 열 제약으로 인해 제한받고 있습니다.

다른 전략: 칩 내부에서 열을 분산시키는 것

열이 한 곳에 집중되도록 두는 대신, 유망한 아이디어는 다음과 같습니다.묽게 한칩 자체 내부에서 열을 분산시키는 것은 마치 수영장에 끓는 물 한 컵을 붓는 것과 같습니다. 열이 발생하는 바로 그곳에서 열을 분산시키면 가장 뜨거운 장치는 더 시원하게 유지되고 기존 냉각 장치(방열판, 팬, 액체 냉각 루프)가 더 효율적으로 작동합니다. 이를 위해서는 다음과 같은 것이 필요합니다.높은 열전도율, 전기 절연 재료활성 트랜지스터에서 불과 나노미터 떨어진 곳에 통합하여 트랜지스터의 섬세한 특성을 손상시키지 않는 소자. 이러한 조건을 충족하는 예상치 못한 후보가 있습니다.다이아몬드.

왜 다이아몬드일까요?

다이아몬드는 열전도율이 구리보다 몇 배나 높은 최고의 열전도체 중 하나이며, 동시에 전기 절연체이기도 합니다. 하지만 문제는 집적화입니다. 기존의 성장 방식은 900~1000°C 이상의 고온을 필요로 하는데, 이는 첨단 회로를 손상시킬 수 있습니다. 최근 연구 개발에 따르면 얇은 다이아몬드 성장 방식이 가능해졌습니다.다결정 다이아몬드(두께가 불과 몇 마이크로미터에 불과한) 박막은 다음과 같은 조건에서 성장시킬 수 있습니다.훨씬 낮은 온도완성품에 적합합니다.

오늘날의 쿨러와 그 한계

주류 냉각 기술은 더 나은 방열판, 팬 및 인터페이스 재료에 중점을 둡니다. 연구자들은 또한 미세유체 액체 냉각, 상변화 물질, 심지어 서버를 열전도성이 뛰어나고 전기적으로 절연된 액체에 담그는 기술까지 연구하고 있습니다. 이러한 기술들은 중요한 진전이지만, 부피가 크고 비용이 많이 들거나 새로운 기술과 잘 맞지 않을 수 있습니다.3D 적층칩 아키텍처에서는 여러 개의 실리콘 층이 마치 "고층 빌딩"처럼 작동합니다. 이러한 적층 구조에서는 모든 층이 열을 방출해야 하며, 그렇지 않으면 내부에 과열 지점이 갇히게 됩니다.

기기 친화적인 다이아몬드를 키우는 방법

단결정 다이아몬드는 탁월한 열전도율(약 2200~2400 W m⁻¹ K⁻¹, 구리의 약 6배)을 가지고 있습니다. 제조가 비교적 간단한 다결정 박막도 충분히 두껍게 만들면 이러한 값에 근접할 수 있으며, 더 얇더라도 구리보다 우수한 열전도율을 보입니다. 기존의 화학 기상 증착(CVD) 방식은 고온에서 메탄과 수소를 반응시켜 수직 방향의 다이아몬드 나노기둥을 형성하고, 이 기둥들이 합쳐져 박막을 만듭니다. 하지만 이 과정에서 박막은 두꺼워지고 응력이 누적되어 균열이 발생하기 쉽습니다.
저온 성장에는 다른 제조법이 필요합니다. 단순히 온도를 낮추면 절연성 다이아몬드 대신 전도성 그을음이 생성됩니다. 새로운 방법을 소개합니다.산소비다이아몬드 탄소를 지속적으로 에칭하여 가능하게 합니다.약 400°C에서의 큰 입자 다결정 다이아몬드첨단 집적 회로와 호환되는 온도입니다. 더욱 중요한 것은 이 공정이 수평면뿐만 아니라 다른 표면에도 코팅할 수 있다는 점입니다.측벽이는 본질적으로 3D 기기에 중요한 요소입니다.

열 경계 저항(TBR): 포논 병목 현상

고체에서 열은 다음을 통해 전달됩니다.포논(양자화된 격자 진동). 물질 계면에서 포논은 반사되고 축적되어 생성될 수 있습니다.열 경계 저항(TBR)이는 열 흐름을 방해합니다. 계면 엔지니어링은 TBR을 낮추는 것을 목표로 하지만, 반도체 호환성에 따라 선택의 폭이 제한됩니다. 특정 계면에서는 혼합으로 인해 얇은 막이 형성될 수 있습니다.탄화규소(SiC)양쪽의 포논 스펙트럼과 더 잘 일치하는 층으로, "다리" 역할을 하여 TBR을 감소시키고, 결과적으로 소자에서 다이아몬드로의 열 전달을 개선합니다.

테스트베드: GaN HEMT(무선 주파수 트랜지스터)

질화갈륨 기반의 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 2차원 전자 가스에서 전류를 제어하며, 고주파수, 고출력 동작(X 대역 ≈8–12 GHz 및 W 대역 ≈75–110 GHz 포함)에 매우 적합합니다. 열이 표면 바로 근처에서 발생하기 때문에, HEMT는 소자 내 열 확산층의 효과를 측정하는 데 탁월한 도구입니다. 얇은 다이아몬드 층으로 소자(측벽 포함)를 밀봉하면 채널 온도가 크게 떨어지는 것으로 관찰되었습니다.약 70°C고출력에서 열 여유 공간이 크게 향상되었습니다.

CMOS 및 3D 스택의 다이아몬드

고급 컴퓨팅 분야에서,3D 스태킹집적 밀도와 성능은 향상되지만, 기존의 외부 냉각기가 가장 효과가 떨어지는 부분에서 내부 열 병목 현상이 발생합니다. 실리콘에 다이아몬드를 통합하면 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.SiC 중간층그 결과 고품질의 열 인터페이스가 생성됩니다.
제안된 아키텍처 중 하나는 다음과 같습니다.열 지지대유전체 내 트랜지스터 위에 나노미터 두께의 다이아몬드 시트가 내장되어 있으며, 이들은 다음과 같이 연결되어 있습니다.수직 열 비아("열 기둥")구리 또는 다이아몬드로 만들어진 이 기둥들은 열이 외부 냉각기에 도달할 때까지 층별로 열을 전달합니다. 실제 작업 부하를 사용한 시뮬레이션 결과, 이러한 구조는 최고 온도를 낮출 수 있는 것으로 나타났습니다.최대 한 자릿수까지개념 증명 스택에서.

여전히 어려운 점은 무엇인가

주요 과제에는 다이아몬드의 윗면을 만드는 것이 포함됩니다.원자적으로 평평한상부의 상호 연결부 및 유전체와의 원활한 통합을 위해, 그리고 박막이 하부 회로에 스트레스를 주지 않으면서 우수한 열전도율을 유지할 수 있도록 공정을 개선합니다.

시야

이러한 접근 방식들이 계속해서 발전한다면,칩 내부 다이아몬드 열 확산CMOS, RF 및 전력 전자 장치의 열 제한을 크게 완화하여 일반적인 열 문제 없이 더 높은 성능, 더 뛰어난 신뢰성 및 더 높은 밀도의 3D 통합을 가능하게 할 수 있습니다.