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3차원 집적 회로(3D IC)의 수직 적층 기술에 대한 최신 혁신으로 인해, 3차원 집적 회로 내에서 심각한 열 문제들이 발생하고 있다. 기존의 공기 냉각 또는 액체 냉각 솔루션은 이 문제를 해결하기에 부족하다. 마이크로플루이딕 냉각(Microfluidic cooling)은 실리콘 인터포저(Silicone interposers) 또는 패키지 기판(package substrates) 내부에 미세한 냉각 채널을 통합함으로써, 냉각 작용을 동작 중인 트랜지스터 근처에서 직접 수행할 수 있게 한다. 이 방식은 전통적인 히트싱크 솔루션과 비교하여 열 저항을 약 40% 개선한다. 제트 임피진지먼트(Jet impingement)는 더욱 극단적인 기술이다. 이 기법은 칩 내부의 개별 핫스팟(특히 고밀도 로직 또는 입출력 다이)에 고속 유체 흐름을 직접 조사함으로써 열을 전달하는 원리에 기반한다. 이 기법은 1cm²당 300와트 이상의 열을 제거할 수 있다. 이러한 냉각 기법들을 가장 복잡한 2.5D 및 3D 칩 패키지에 적용할 경우, 온도 변화로 인한 기계적 하중의 영향을 완화하고, 팬아웃(Fan-out) 및 하이브리드 본딩(Hybrid bonding)과 같은 최신 패키징 기술에서 계층 간 분리 현상을 방지할 수 있다.
이상 액체 냉각 방식은 500 W/cm² 이상의 열유속을 확산시킬 수 있는 능력을 제공합니다.
냉각액인 노벡 649(Novec 649) 또는 FC-72는 고온 표면과 접촉할 때 기화됩니다. 이 냉각제는 높은 열 흡수 용량을 지녀 단상 냉각 방식의 흡수 용량을 초과합니다. 이러한 냉각 방식은 500 W/cm²를 넘는 열유속에 대해 최적의 해결책으로 입증되었으며, 일반적인 전도성 또는 대류 냉각 방식으로는 달성할 수 없습니다. 실제 적용 사례에서, 2 kW급 고성능 칩(예: 엑사스케일 성능을 구현하는 슈퍼컴퓨터 내 AI 프로세서)을 냉각할 경우, 기화 냉각 시스템은 냉각 대상 표면의 온도를 85°C로 유지합니다. 냉각액이 열을 흡수한 후 생성된 증기상은 외부에 설치된 콜드 플레이트 또는 응축기의 소형 덕트로 유입됩니다. 이를 통해 열 회로(루프)가 완성됩니다. 따라서 이 냉각 시스템은 특히 칩 후면 냉각 및 대규모 서버 랙에 매우 유리하며, 냉각제 재보충이 필요하지 않습니다.
자주 묻는 질문
마이크로유체 냉각 및 제트 충격 냉각이란 무엇인가요?
마이크로유체 냉각은 실리콘 기판 내부의 미세한 채널을 이용해 보다 효율적인 냉각을 달성하는 반면, 제트 충격 냉각은 칩 상의 특정 핫스팟에 빠르게 움직이는 액체 흐름을 직접 충돌시켜 냉각합니다.
왜 이중상 액체 냉각이 이렇게 우수한가요?
이중상 냉각은 단순히 냉각제를 고온 부품에서 기화시키기 때문에, 기존의 어떤 냉각 방식보다 훨씬 높은 500W/cm² 이상의 열 제거 능력을 확보할 수 있습니다.
이러한 냉각 방식을 대규모 응용 분야에 적용할 수 있나요?
네, 마이크로유체 냉각과 이중상 냉각은 AI 프로세서 및 슈퍼컴퓨터 등에 특히 적합하며, 대규모 서버 랙 및 다이렉트 칩 냉각에 매우 실용적으로 적용 가능합니다.