오늘의 놀라운 컴퓨팅 파워 인간의 지능에서 인공지능으로의 전환을 가능하게 하고 있습니다. 그리고 우리의 기계가 더 많은 성능을 발휘함에 따라 기계는 단순한 도구가 아니라 우리의 미래를 형성하는 의사결정자가 되고 있습니다.
하지만 큰 힘에는 큰…열도 따라옵니다!
나노미터 규모의 트랜지스터가 기가헤르츠 속도로 전환되면 전자가 회로를 통과하면서 에너지를 열로 잃습니다. 이는 노트북이나 휴대폰이 손가락에 닿을 때 느끼는 열입니다. 우리가 그랬듯이 점점 더 많은 트랜지스터를 칩에 집어넣었습니다.우리는 그 열을 효율적으로 방출할 공간을 잃었습니다. 열이 실리콘 전체에 빠르게 확산되어 제거가 훨씬 쉬워지는 대신, 칩의 나머지 부분보다 수십도 더 따뜻할 수 있는 핫스팟이 형성됩니다. 이러한 극심한 열로 인해 시스템은 칩 성능 저하를 방지하기 위해 CPU 및 GPU의 성능을 제한하게 됩니다.
즉, 소형화 추구로 시작된 것이 열에너지와의 싸움으로 바뀌었습니다. 이 과제는 모든 전자 제품에 적용됩니다. 컴퓨팅에서 고성능 프로세서는 계속해서 증가하는 전력 밀도를 요구합니다. (새로운 Nvidia GPU B300 서버는 거의 15킬로와트 통신 시 디지털 및 아날로그 시스템 모두 트랜지스터를 사용하여 더 강력한 신호와 더 빠른 데이터 속도를 위해 더 많은 전력을 공급합니다. 에너지 변환 및 분배에 사용되는 전력 전자 장치에서 효율성 향상은 열적 제약으로 인해 상쇄됩니다.
저온에서 큰 입자의 다결정 다이아몬드를 성장시키는 능력은 트랜지스터의 열에 대처하는 새로운 방법을 제시했습니다. 모하마달리 말라쿠티안
열이 쌓이도록 두는 대신 처음부터 칩 내부로 열을 퍼뜨릴 수 있다면 어떨까요? 수영장에 끓는 물 한 컵을 떨어뜨리듯 희석시키면 어떨까요? 열을 분산시키면 가장 중요한 장치와 회로의 온도가 낮아지고 오랜 시간 테스트를 거친 다른 냉각 기술이 보다 효율적으로 작동할 수 있습니다. 그러기 위해서는 매우 정확하고 민감한 특성을 손상시키지 않으면서 트랜지스터에서 불과 나노미터 떨어진 곳에 열 전도성이 높은 재료를 IC 내부에 도입해야 합니다. 예상치 못한 재료인 다이아몬드를 입력하세요.
어떤 면에서는 다이아몬드가 이상적입니다. 이는 지구상에서 가장 열 전도성이 높은 재료 중 하나이며 구리보다 몇 배 더 효율적이지만 전기 절연성도 갖추고 있습니다. 그러나 이를 칩에 통합하는 것은 까다롭습니다. 최근까지 우리는 1,000°C가 넘는 회로 슬래깅 온도에서만 성장하는 방법을 알고 있었습니다.
하지만 스탠포드 대학의 내 연구 그룹은 불가능해 보이는 일을 해냈습니다. 이제 우리는 고급 칩 내부의 가장 섬세한 상호 연결조차도 살아남을 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도에서 반도체 장치 바로 위에 열을 확산시키는 데 적합한 형태의 다이아몬드를 성장시킬 수 있습니다. 분명히 말하면 이것은 보석에서 볼 수 있는 커다란 단결정 다이아몬드와는 다릅니다. 우리의 다이아몬드는 두께가 몇 마이크로미터를 넘지 않는 다결정 코팅입니다.
잠재적인 이점은 엄청날 수 있습니다. 최초의 질화갈륨 무선 주파수 트랜지스터 중 일부에 다이아몬드를 첨가하면 장치 온도가 50°C 이상 떨어졌습니다. 더 낮은 온도에서 트랜지스터는 X밴드 무선 신호를 이전보다 5배나 증폭했습니다. 우리는 우리의 다이아몬드가 고급 CMOS 칩에 더욱 중요해질 것이라고 생각합니다. 연구원들은 다가오는 칩 제조 기술이 핫스팟을 거의 10°C 더 뜨겁게 만들 수 있다고 예측합니다. [see“미래의 칩은 그 어느 때보다 뜨거워질 것입니다“, 이번 호]. 아마도 이것이 우리의 연구가 Applied Materials, Samsung, TSMC를 포함한 칩 업계로부터 큰 관심을 끌고 있는 이유일 것입니다. 우리의 연구가 지금처럼 계속 성공한다면 열은 CMOS 및 기타 전자 제품에서도 훨씬 덜 부담스러운 제약이 될 것입니다.
칩에서 열이 시작되고 끝나는 곳
다이아몬드와 반도체 사이의 경계에는 탄화규소의 얇은 층이 형성됩니다. 이는 열이 다이아몬드로 흘러들어가는 다리 역할을 합니다. 모하마달리 말라쿠티안
전류 흐름이 저항을 만나면서 트랜지스터와 트랜지스터를 연결하는 상호 연결 내에서 열이 시작됩니다. 이는 대부분이 반도체 기판 표면 근처에서 생성된다는 것을 의미합니다. 거기에서 패키지 아키텍처에 따라 금속 및 절연층을 통해 또는 반도체 자체를 통해 상승합니다. 그런 다음 열은 궁극적으로 방열판, 라디에이터 또는 일종의 장치에 도달하기 전에 확산되도록 설계된 열 인터페이스 재료를 만나게 됩니다. 액체 냉각공기나 유체가 열을 운반하는 곳입니다.
오늘날 지배적인 냉각 전략은 방열판, 팬 및 라디에이터의 발전에 중점을 두고 있습니다. 더 나은 냉각을 추구하기 위해 연구자들은 미세유체 채널을 사용한 액체 냉각과 상변화 물질을 사용하여 열을 제거하는 방법을 연구했습니다. 일부 컴퓨터 클러스터는 서버를 열 전도성, 유전체(전기 절연) 액체에 담그기까지 합니다.
이러한 혁신은 앞으로 나아가는 중요한 단계이지만 여전히 한계가 있습니다. 일부는 너무 비싸서 최고 성능의 칩에만 가치가 있습니다. 다른 것들은 작업에 비해 너무 부피가 큽니다. (귀하의 스마트폰은 기존 팬.) 그리고 여러 층의 칩을 쌓는 실리콘 초고층 건물과 유사한 칩 아키텍처로 이동함에 따라 그 어느 것도 매우 효과적이지 않을 것입니다. 그런 3D 시스템 내부의 모든 층에서 열을 제거하는 능력만큼만 실행 가능합니다.
큰 문제는 칩 소재가 열전도율이 좋지 않아 열이 갇혀 집중되어 칩 내부의 온도가 급상승한다는 점이다. 온도가 높을수록 트랜지스터는 더 많은 전류를 누출하여 전력을 낭비합니다. 나이도 더 빨리 먹습니다.
열 분산기는 열을 측면으로 이동시켜 열을 희석시키고 회로를 냉각시킵니다. 그러나 열이 발생하는 곳에서 상대적으로 멀리 떨어져 있기 때문에 이러한 핫스팟에 거의 도움이 되지 않습니다. 열이 발생하는 곳으로부터 나노미터 안에 존재할 수 있는 열확산 기술이 필요하다. 이것이 바로 우리의 새로운 저온 다이아몬드가 필수적인 곳입니다.
다이아몬드 만드는 방법
내 연구실이 다이아몬드를 열 확산 소재로 개발하기 전에는 다이아몬드를 반도체로 연구하고 있었습니다. 손가락과 같은 단결정 형태에서는 밴드갭이 넓고 막대한 전기장을 견딜 수 있는 능력이 있습니다. 또한 단결정 다이아몬드는 켈빈당 미터당 2,200~2,400와트에 달하는 가장 높은 열전도도를 제공합니다. 이는 구리보다 전도성이 대략 6배 더 높습니다. 만들기 쉬운 재료인 다결정 다이아몬드는 두껍게 성장하면 이러한 값에 접근할 수 있습니다. 이 형태에서도 구리보다 성능이 뛰어납니다.
다이아몬드 트랜지스터가 매력적일 수 있는 만큼, 나는 갈륨 질화물 장치를 연구한 경험을 바탕으로 앞으로의 길이 멀다는 것을 예리하게 알고 있었습니다. 문제는 규모 중 하나입니다. 몇몇 회사에서는 고순도 다이아몬드 기판을 50, 75, 심지어 100mm까지 확장하기 위해 노력하고 있지만 우리가 상업적으로 얻을 수 있는 다이아몬드 기판은 너비가 약 3mm에 불과했습니다.
질화 갈륨 고전자 이동도 트랜지스터는 다이아몬드 냉각을 위한 이상적인 테스트 사례였습니다. 장치는 3D이며 중요한 발열 부분인 2차원 전자 가스가 표면에 가깝습니다. 크리스 필팟
그래서 우리는 상업용 규모의 다이아몬드 기판으로 나아가기 위해 대형 실리콘 웨이퍼에 다이아몬드 필름을 성장시키기로 결정했습니다. 일반적으로 이는 900°C 이상의 고온에서 메탄과 수소를 반응시켜 수행됩니다. 이로 인해 단결정이 아닌 좁은 기둥의 숲이 만들어집니다. 키가 커짐에 따라 나노 기둥은 균일한 필름으로 합쳐지지만 고품질 다결정 다이아몬드를 형성할 때쯤에는 필름이 이미 매우 두꺼워집니다. 이러한 두꺼운 성장은 재료에 응력을 추가하고 종종 균열 및 기타 문제를 유발합니다.
하지만 이 다결정 코팅을 다른 장치의 열 분산기로 사용한다면 어떨까요? 다이아몬드를 트랜지스터의 나노미터 내에서 성장시키고 수직 및 측면으로 열을 확산시키고 칩의 실리콘, 금속 및 유전체와 원활하게 통합할 수 있다면 그 일을 할 수 있을 것입니다.
그것이 효과가 있을 것이라고 생각할 충분한 이유가 있었습니다. 다이아몬드는 전기적으로 절연성이 있으며 유전율이 상대적으로 낮습니다. 즉, 커패시터 성능이 떨어지므로 다이아몬드로 뒤덮인 상호 연결을 통해 전송된 신호의 품질이 크게 저하되지 않을 수 있습니다. 따라서 다이아몬드는 전기적으로 절연되지만 열적으로 전도성이 있는 “열 유전체” 역할을 할 수 있습니다.
다결정 다이아몬드는 3D 칩 내부의 온도를 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다. 다이아몬드 열 비아는 마이크로미터 깊이의 구멍 내부에서 성장하므로 열이 한 칩에서 그 위에 쌓인 다른 칩의 다이아몬드 열 분산기로 수직으로 흐를 수 있습니다. 데니스 리치
우리의 계획이 성공하려면 다이아몬드를 다르게 재배하는 방법을 배워야 했습니다. 우리는 칩 내부에 두꺼운 필름을 성장시킬 공간이 없다는 것을 알고 있었습니다. 우리는 또한 성장 과정의 첫 번째 부분에서 만들어진 좁고 뾰족한 수정 기둥이 측면으로 열을 잘 전달하지 못한다는 것을 알고 있었기 때문에 열이 수평으로 이동하도록 처음부터 큰 입자의 결정을 성장시켜야 했습니다. 세 번째 문제는 기존 다이아몬드 필름이 본질적으로 3D 장치에 중요한 장치 측면에 코팅을 형성하지 못했다는 것입니다. 그러나 가장 큰 장애물은 다이아몬드 필름을 성장시키는 데 필요한 높은 온도였으며, 이로 인해 IC 회로가 파괴되지는 않더라도 손상을 입을 수 있었습니다. 우리는 성장 온도를 최소한 절반으로 줄여야 했습니다.
온도를 낮추는 것만으로는 효과가 없습니다. (우리는 시도했습니다. 기본적으로 전기 전도성인 그을음으로 마무리합니다. 이는 필요한 것과 반대입니다.) 혼합물에 산소를 추가하면 다이아몬드가 아닌 탄소 침전물을 지속적으로 에칭하기 때문에 도움이 된다는 것을 발견했습니다. 그리고 그것을 통해 광범위한 실험우리는 CMOS 회로 및 기타 장치의 생존 가능 온도인 400°C에서 장치 전체에 큰 입자의 다결정 다이아몬드 코팅을 생성하는 공식을 찾을 수 있었습니다.
열 경계 저항
우리는 올바른 종류의 다이아몬드 코팅을 성장시키는 방법을 찾았지만 또 다른 중요한 과제, 즉 열 경계 저항(TBR)이라고도 알려진 포논 병목 현상에 직면했습니다. 광자가 전자기 에너지 패킷인 것처럼 포논은 열 에너지 패킷입니다. 구체적으로 말하면 결정 격자 진동의 양자화된 버전입니다. 이러한 포논은 재료 사이의 경계에 쌓여 열 흐름에 저항할 수 있습니다. TBR을 줄이는 것은 오랫동안 열 인터페이스 엔지니어링의 목표였으며 경계에 다른 재료를 도입하여 수행되는 경우가 많습니다. 그러나 반도체는 특정 재료와만 호환되므로 선택이 제한됩니다.
열 발판은 한 칩의 열 확산 다결정 다이아몬드 층을 3D 적층 실리콘의 다른 칩 층과 연결합니다. 열 기둥은 각 칩의 인터커넥트와 유전체 재료를 가로질러 스택을 통해 열을 수직으로 이동시킵니다. 스라반티 차우두리
결국 우리는 운이 좋았습니다. 질화규소로 덮인 GaN에서 다이아몬드를 성장시키는 동안 우리는 예상치 못한 것을 관찰했습니다. 측정된 TBR은 이전 보고서보다 훨씬 낮아서 우리가 예상했던 것보다 훨씬 낮았습니다.. (낮은 TBR은 처음에 독립적으로 측정되었습니다. 마틴 쿠볼 영국 브리스톨 대학교에서, 그리고 나중에 사무엘 그레이엄 주니어., 그 다음에는 Georgia Tech에서 여러 논문의 공동 저자이자 공동 작업자였습니다.)
인터페이스 과학 및 엔지니어링에 대한 추가 조사를 통해 조경주 텍사스 대학교 달라스에서 우리는 TBR이 낮아지는 원인을 확인했습니다. 인터페이스에서의 혼합 다이아몬드와 질화규소 사이의 형성으로 이어졌습니다. 포논을 위한 일종의 브리지 역할을 하는 탄화규소를 사용하여 보다 효율적인 열 전달이 가능합니다. 이는 과학적 발견으로 시작되었지만 기술적 영향은 즉각적이었습니다. 탄화규소 인터페이스를 사용하면 장치의 열 성능이 크게 향상되었습니다.
GaN HEMT: 첫 번째 테스트 사례
우리는 질화갈륨 HEMT(고전자 이동도 트랜지스터)에서 새로운 낮은 TBR 다이아몬드 코팅을 테스트하기 시작했습니다. 이 장치는 채널 내에 형성되는 2차원 전자 가스를 통해 전류를 제어하여 RF 신호를 증폭합니다. 우리는 HEMT에 대한 선구적인 연구를 활용했습니다. 우메쉬 미슈라제가 대학원생이었던 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 연구실에서요. Mishra 연구소는 N-극 갈륨 질화물이라는 특정 형태의 재료를 발명했습니다. N극 GaN HEMT는 고주파수, 특히 마이크로파 스펙트럼의 75~110기가헤르츠 부분인 W 대역에서 탁월한 전력 밀도를 보여줍니다.
이러한 HEMT를 훌륭한 테스트 사례로 만든 이유는 장치의 특징 중 하나입니다. 장치를 통한 전류 흐름을 제어하는 게이트는 트랜지스터 채널의 수십 나노미터 내에 있습니다. 이는 장치 표면에 매우 가까운 곳에서 열이 발생하고 다이아몬드 코팅으로 인해 발생할 수 있는 모든 간섭이 장치 작동에 빠르게 나타난다는 것을 의미합니다.
우리는 HEMT를 측면에서도 완전히 둘러싸도록 다이아몬드 레이어를 도입했습니다. 성장 온도를 400°C 미만으로 유지함으로써 핵심 장치 기능을 보존하기를 바랐습니다. 고주파수 성능이 약간 저하되는 것을 확인했지만 열적 이점은 상당했습니다.채널 온도가 무려 70°C나 떨어졌습니다.. 이 획기적인 솔루션은 RF 시스템을 이전보다 더 높은 전력에서 작동할 수 있도록 하는 혁신적인 솔루션이 될 수 있습니다.
CMOS의 다이아몬드
우리는 다이아몬드 층이 고전력 CMOS 칩에서도 작동할 수 있는지 궁금했습니다. 스탠포드에 있는 동료들, H.-S. 필립 웡 그리고 수바시시 미트라오랫동안 3D 스택 칩 아키텍처를 옹호해 왔습니다. CMOS 컴퓨팅 칩에서 3D 스태킹은 집적 밀도를 높이고 성능을 개선하며 기존 트랜지스터 스케일링의 한계를 극복하기 위한 가장 실행 가능한 방법으로 보입니다. 이는 이미 다음과 같은 일부 고급 AI 칩에 사용되었습니다. AMD의 MI300 시리즈. 그리고 이는 Nvidia GPU 및 기타 AI 프로세서를 통해 데이터를 펌핑하는 고대역폭 메모리 칩에 구축되었습니다. 이러한 3D 스택의 여러 실리콘 층은 대부분 미세한 솔더 볼로 연결되거나 일부 고급 사례에서는 구리 단자만으로 연결됩니다. 이러한 스택에서 신호와 전력을 얻으려면 실리콘을 뚫고 칩 패키지의 기판에 도달하는 수직 구리 링크가 필요합니다.
토론 중 하나에서 Mitra는 3D 스택 칩의 중요한 문제는 스택 내에 형성되는 열 병목 현상이라고 지적했습니다. 3D 아키텍처에서는 2D 칩에 사용되는 기존 방열판 및 기타 기술로는 충분하지 않습니다. 각 층에서 열을 추출하는 것이 필수적입니다.
우리의 연구는 산업 전반에 걸쳐 열 관리를 재정의할 수 있습니다.
GaN의 열 경계 저항에 대한 우리의 실험은 유사한 접근 방식이 실리콘에서도 작동할 것이라고 제안했습니다. 그리고 다이아몬드와 실리콘을 통합했을 때 그 결과는 놀라웠습니다. 탄화규소 중간층이 형성되어 탁월한 열 인터페이스를 갖춘 다이아몬드가 탄생했습니다.
우리의 노력으로 열 발판이라는 개념이 도입되었습니다. 이 방식에서는 나노미터 두께의 다결정 다이아몬드 층이 트랜지스터 위의 유전체 층 내에 통합되어 열을 확산시킵니다. 그런 다음 이러한 층은 구리 또는 그 이상의 다이아몬드로 만들어진 열 기둥이라고 불리는 수직 열 전도체로 연결됩니다. 이러한 기둥은 다른 방열판에 연결되고, 이는 다시 3D 스택의 다음 칩에 있는 열 기둥에 연결되는 방식으로 열이 방열판이나 기타 냉각 장치에 도달할 때까지 계속됩니다.
3D 칩의 컴퓨팅 실리콘 계층이 많을수록 열 비계의 차이가 커집니다. 5개 이상의 계층으로 구성된 AI 가속기는 비계를 사용하지 않는 한 일반적인 온도 제한을 훨씬 초과합니다. 스라반티 차우두리
Mitra와의 협력을 통해 실제 컴퓨팅 작업 부하에서 발생하는 열 시뮬레이션을 사용하여 개념 증명 구조를 운영했습니다. 이 구조는 다이아몬드 방열판 및 구리 열 기둥과 함께 2칩 스택의 핫스팟을 모방하는 더미 히터로 구성되었습니다. 이를 이용하여 우리는 온도를 10분의 1로 낮췄다 비계 없이도 그 가치를 알 수 있습니다.
아직 극복해야 할 장애물이 있습니다. 특히, 우리는 다이아몬드 코팅의 상단을 원자적으로 평평하게 만드는 방법을 찾아야 합니다. 그러나 우리는 업계 파트너 및 연구자들과 협력하여 해당 문제와 기타 과학 및 기술 문제를 체계적으로 연구하고 있습니다. 우리와 파트너들은 이 연구가 열 관리를 위한 파괴적인 새로운 길을 제시하고 미래에도 고성능 컴퓨팅을 유지하기 위한 중요한 단계를 제공할 수 있다고 생각합니다.
다이아몬드 열 솔루션 개발
이제 우리는 산업 통합을 향해 나아갈 계획입니다. 예를 들어, 우리는 국방고등연구계획국 스레드 장치 수준의 열 관리를 사용하여 현재 장치보다 6~8배 효율적인 전력 밀도를 갖춘 매우 효율적이고 안정적인 X-밴드 전력 증폭기를 개발하는 것을 목표로 하는 프로그램입니다. 이 프로그램은 처음에 구상하고 운영한 프로그램이다. 톰 카지오르는 GaN HEMT 제조에서 저온 다이아몬드 통합의 사용을 검증하기 위한 중요한 플랫폼입니다. 이를 통해 당사와 파트너의 프로세스를 모두 보호하면서 업계 팀과 긴밀하게 협력할 수 있었습니다. 국방 애플리케이션은 뛰어난 신뢰성을 요구하며 당사의 다이아몬드 통합 HEMT는 업계 파트너와 엄격한 테스트를 거치고 있습니다. 초기 결과는 유망하며 향후 2년 동안 파트너와 함께 만들 성장 프로세스 및 통합 기술의 개선을 안내합니다.
그러나 우리의 비전은 GaN HEMT를 넘어 기타 재료 특히 실리콘 계산 칩이 그렇습니다. 후자의 경우, 우리는 TSMC와 확고한 협력 관계를 맺고 있으며, Applied Materials, Micron, Samsung 등과의 새로운 기회를 확장하고 있습니다. 스탠포드 SystemX 얼라이언스 그리고 반도체연구소 이는 치열한 경쟁사 간의 놀라운 수준의 협력입니다. 그러나 열은 칩 제조에서 보편적인 문제이며 모든 사람은 최상의 솔루션을 찾으려는 동기를 갖습니다.
성공한다면 우리의 연구가 산업 전반에 걸쳐 열 관리를 재정의할 수 있을 것입니다. 질화 갈륨 장치에 대한 작업에서 나는 이러한 전환과 같은 한때 급진적인 아이디어가 어떻게 산업 표준이 되었는지 직접 확인했으며, 다이아몬드 기반 열 추출이 동일한 궤적을 따르며 더 이상 열의 방해를 받지 않는 전자 제품 세대의 중요한 원동력이 될 것이라고 믿습니다.