최신 고성능 칩 수백억 달러를 포함하는 공학의 경이로움입니다. 트랜지스터. 문제는 한 번에 모두 사용할 수 없다는 것입니다. 그렇게 하면 태양 표면에서 발견되는 전력 밀도에 가까운 핫스팟(작은 영역에 집중된 고온)을 생성하게 됩니다. 이로 인해 전원을 꺼야 하는 칩의 증가하는 부분을 설명하기 위해 컴퓨터 설계자가 만든 용어인 다크 실리콘(dark Silicon)이라는 실망스러운 역설이 발생했습니다. 칩이 과열되는 것을 방지하려면 최신 칩에 있는 트랜지스터의 최대 80%가 특정 순간에 “어두운” 상태로 유지되어야 합니다. 우리는 실리콘 조각 위에 슈퍼컴퓨터를 구축하고 있지만 그 잠재력의 일부만 사용하고 있습니다. 마치 초고층 건물을 짓고 처음 10층만 사용할 수 있는 것과 같습니다.
수년 동안 업계에서는 더 큰 팬과 더 복잡한 액체 냉각 시스템을 사용하여 이러한 열 한계와 싸워왔습니다. 그러나 이것은 근본적으로 반창고 솔루션입니다. 공기를 사용하든 액체를 사용하든 칩 표면에서 열을 끌어내는 데 의존합니다. 열은 먼저 실리콘을 통해 냉각판으로 전달되어야 하며, 이로 인해 미래 칩의 전력 밀도에서는 극복할 수 없는 열 병목 현상이 발생합니다. 오늘날 칩의 핫스팟은 평방 밀리미터당 수십 와트를 생성하며 계산 중에 서로 다른 시간에 칩의 다양한 위치에 나타납니다. 공기 및 액체 냉각은 핫스팟이 나타나는 시기와 장소에만 노력을 집중하는 데 어려움을 겪습니다. 전체를 한꺼번에 냉각시키려는 노력만 할 수 있습니다.
미네소타주 세인트폴에 본사를 둔 스타트업 Maxwell Labs는 근본적이고 새로운 접근 방식을 제안하고 있습니다. 단순히 열을 이동시키는 대신 열을 사라지게 할 수 있다면 어떨까요? 우리가 광자 냉각이라고 부르는 이 기술은 열을 직접 빛으로 변환하여 칩 내부에서 바깥쪽으로 냉각할 수 있습니다. 그런 다음 에너지는 회수되어 유용한 전력으로 다시 재활용될 수 있습니다. 이 접근 방식을 사용하면 전체 칩을 균일하게 냉각하는 대신 레이저 정밀도로 핫스팟이 형성될 때 이를 목표로 삼을 수 있습니다. 기본적으로 이 기술은 평방 밀리미터당 수천 와트의 핫스팟을 냉각할 수 있으며 오늘날의 칩보다 훨씬 더 잘 냉각됩니다.
빛을 이용한 냉각의 물리학
레이저는 일반적으로 열원으로 간주되며 재료 절단이나 데이터 전송에 가장 일반적으로 사용됩니다. 그러나 적절한 상황에서는 레이저 광이 냉각을 유도할 수 있습니다. 그 비밀은 형광이라고 알려진 발광 과정에 있습니다.
형광은 형광펜, 산호초, 흰색 옷이 블랙 라이트 조명 아래서 익숙한 빛을 내는 현상입니다. 이러한 물질은 일반적으로 자외선에서 고에너지 빛을 흡수하고 가시광선 스펙트럼에서 저에너지 빛을 다시 방출합니다. 방출하는 것보다 더 많은 에너지를 흡수하기 때문에 그 차이로 인해 종종 재료가 가열됩니다. 그러나 특정하고 매우 틈새적인 조건에서는 반대의 현상이 발생할 수 있습니다. 즉, 재료가 저에너지 광자를 흡수하고 고에너지 빛을 방출하여 그 과정에서 냉각될 수 있습니다.
레이저로 컴퓨터 칩을 냉각시키기 위해 Maxwell Labs 팀은 칩 기판 위에 광 냉각판 그리드를 배치할 계획입니다. 데모 설정에서 열화상 카메라는 칩에서 나오는 핫스팟을 감지합니다. 그런 다음 레이저가 핫스팟 옆에 있는 광냉각판에 빛을 비춰 광자 과정을 자극하여 냉각을 초래합니다. 광냉각판 [inset] 플레이트 안팎으로 빛을 안내하는 커플러, 안티 스톡스 형광이 발생하는 추출기, 빛이 컴퓨터 칩으로 들어가는 것을 방지하는 후면 반사기, 핫스팟을 감지하도록 설계된 센서로 구성됩니다.GygInfographics.com
재방출은 들어오는 광자의 에너지를 물질의 결정 격자의 진동인 포논과 결합하기 때문에 더 높은 에너지입니다. 이 현상을 반스토크스 냉각(anti-Stokes Cooling)이라고 하며, 처음으로 발견되었습니다. 시연 1995년 과학자 팀이 레이저 광으로 이테르븀이 첨가된 불화물 유리 샘플을 냉각했을 때 고체 뒷면에서 발생했습니다.
도펀트로서 이테르븀을 선택하는 것은 무작위가 아닙니다. 안티 스톡스 냉각은 신중하게 설계된 조건에서만 작동합니다. 흡수 물질은 거의 모든 흡수된 광자에 대해 더 높은 에너지의 광자가 방출되도록 구조화되어야 합니다. 그렇지 않으면 다른 메커니즘이 작동하여 샘플을 냉각시키는 대신 가열하게 됩니다. 이테르븀 이온과 기타 란탄족 원소는 이 과정을 촉진하는 전자 궤도의 올바른 구조를 가지고 있습니다. 재료에 닿는 좁은 범위의 레이저 파장의 경우 이온은 입사광을 효과적으로 흡수하고 포논을 사용하여 더 높은 에너지의 빛을 방출할 수 있습니다. 이렇게 재방출되고 추출된 열광은 다시 흡수되지 않을 만큼 빨리 재료에서 빠져나와야 합니다. 그렇지 않으면 가열이 발생합니다.
현재까지 실험실 기반 접근 방식은 달성 이테르븀 첨가 실리카 유리의 냉각 전력은 최대 90와트입니다. 그만큼 인상적이지만, 우리가 기대하는 고성능 칩에 대한 혁신적인 효과를 달성하려면 냉각 용량을 몇 배나 늘려야 합니다. 이를 달성하려면 광자 냉각 메커니즘을 박막, 칩 규모 광자 냉각판에 통합해야 합니다. 소형화는 집중된 빔으로 인해 핫스팟의 보다 정확한 공간 타겟팅을 가능하게 할 뿐만 아니라 레이저 냉각의 물리학을 고출력 및 고효율 체제로 추진하는 데 중요한 요소입니다. 또한 층이 얇을수록 빛이 필름을 빠져나가기 전에 재흡수되어 가열을 피할 가능성이 줄어듭니다. 그리고 빛의 파장 규모에 맞춰 재료를 엔지니어링함으로써 들어오는 레이저 빔의 흡수율을 높일 수 있습니다.
광냉각판 기술
우리 연구실에서는 현재와 미래의 CPU 및 GPU의 열을 처리하기 위해 광자 냉각을 활용하는 방법을 개발하고 있습니다. 당사의 광냉각판은 전력 밀도가 증가하는 영역(뜨는 핫스팟)을 감지한 다음 핫스팟을 목표 온도까지 냉각시키는 인근 영역에 빛을 효율적으로 결합하도록 설계되었습니다.
광냉각판에는 여러 구성 요소가 있습니다. 첫 번째는 들어오는 레이저 광을 다른 구성 요소에 연결하는 커플러입니다. 그런 다음 냉각이 실제로 일어나는 미세냉동 영역입니다. 다음으로는 빛이 CPU나 GPU에 직접 닿는 것을 방지하는 후면 반사경입니다. 마지막으로 핫스팟이 형성되는 것을 감지하는 센서가 있습니다.
레이저는 들어오는 레이저 광을 마이크로 냉동 영역에 집중시키는 일종의 렌즈인 커플러를 통해 위에서 대상 영역을 비춥니다. 커플러는 열을 운반하는 인바운드 형광등을 칩 밖으로 동시에 내보내는 역할을 합니다. 우리가 추출기라고 부르는 미세냉동 영역은 진정한 마법이 일어나는 곳입니다. 특수하게 도핑된 얇은 필름이 반스토크스 형광을 받습니다.
들어오는 레이저 광과 형광등이 실제 칩에 들어가 전자 장치를 가열하는 것을 방지하기 위해 포토닉 냉각판에는 후면 반사경이 통합되어 있습니다.
결정적으로 냉각은 레이저가 냉각판에 비추는 경우와 장소에서만 발생합니다. 레이저를 비추는 위치를 선택하면 칩에 나타나는 핫스팟을 타겟팅할 수 있습니다. 냉각판에는 핫스팟을 감지하는 열 센서가 포함되어 있어 레이저를 핫스팟 쪽으로 조종할 수 있습니다.
이 전체 스택을 설계하는 것은 커플러의 정확한 모양, 추출 영역의 재료 및 도핑 수준, 후면 반사경의 레이어 두께 및 수를 포함하여 조정 가능한 많은 매개변수가 있는 복잡하고 상호 연결된 문제입니다. 냉각판을 최적화하기 위해 우리는 다음과 결합된 다중물리 시뮬레이션 모델을 배포하고 있습니다. 역설계 도구 이를 통해 가능한 광범위한 매개변수 세트를 검색할 수 있습니다. 우리는 냉각 전력 밀도를 2배 정도 향상시키기 위해 이러한 도구를 활용하고 있으며, 더 큰 개선을 달성하기 위해 더 큰 규모의 시뮬레이션을 계획하고 있습니다.
우리는 앨버커키에 있는 뉴멕시코 대학, 미네소타 주 세인트 폴에 있는 세인트 토마스 대학, 앨버커키에 있는 샌디아 국립 연구소의 파트너와 협력하여 세인트 폴에 있는 연구실에서 광자 냉각의 시연 버전을 구축하고 있습니다. 우리는 다양한 CPU 위에 타일로 배열된 각각의 크기가 제곱밀리미터인 작은 광냉각판 배열을 조립하고 있습니다. 시연을 위해 외부 열화상 카메라를 사용하여 칩에서 나오는 핫스팟을 감지합니다. 핫스팟이 나타나기 시작하면 레이저가 바로 위에 있는 광냉각판 타일로 향하여 열을 추출합니다. 냉각판의 첫 번째 반복에서는 이터븀 이온 도핑을 사용했지만 지금은 훨씬 더 높은 성능을 달성할 수 있다고 믿는 다양한 다른 도펀트를 실험하고 있습니다.
이 데모의 향후 통합 구현에서 광냉각판은 약 100 x 100 마이크로미터의 더 미세한 타일로 구성됩니다. 자유 공간 레이저 대신 광섬유의 빛이 온칩 포토닉 네트워크를 통해 이러한 타일로 라우팅됩니다. 레이저 광에 의해 활성화되는 타일은 센서가 측정한 핫스팟이 언제 어디서 형성되는지에 따라 달라집니다.
결국 우리는 CPU 및 GPU 제조업체와 협력하여 칩 자체와 동일한 패키지 내에 광냉각판을 통합하여 중요한 추출기 레이어를 핫스팟에 더 가깝게 배치하고 장치의 냉각 용량을 늘릴 수 있기를 바랍니다.
레이저 냉각 칩과 데이터 센터
현재와 미래의 데이터 센터에 대한 광자 냉각 기술의 영향을 이해하기 위해 우리는 공기 및 액체 냉각 접근 방식과 결합된 레이저 냉각의 열역학 분석을 수행하고 이를 비교했습니다. 예비 결과에 따르면 1세대 레이저 냉각 설정이라도 순수한 공기 및 액체 냉각 시스템에 비해 두 배의 전력을 소모할 수 있는 것으로 나타났습니다. 냉각 기능의 이러한 급격한 향상은 미래의 칩 및 데이터 센터 아키텍처에 대한 몇 가지 주요 변경을 가능하게 합니다.
첫째, 레이저 냉각은 다크 실리콘 문제를 제거할 수 있습니다. 핫스팟이 형성되는 동안 열을 충분히 제거함으로써 광자 냉각을 통해 칩에 있는 더 많은 트랜지스터를 동시에 작동할 수 있습니다. 이는 칩의 모든 기능 장치가 병렬로 작동하여 최신 트랜지스터 밀도를 최대한 활용할 수 있음을 의미합니다.
둘째, 레이저 냉각은 현재 가능한 것보다 훨씬 더 높은 클럭킹 주파수를 허용할 수 있습니다. 이 냉각 기술은 칩의 온도를 50°C 미만으로 유지할 수 있습니다. 어디에나, 핫스팟을 목표로 하기 때문입니다. 현재 세대 칩은 일반적으로 90~120°C 범위에서 핫스팟을 경험하며 이는 더욱 악화될 것으로 예상됨. 이러한 병목 현상을 극복할 수 있으면 동일한 칩에서 더 높은 클럭킹 주파수를 허용할 수 있습니다. 이는 트랜지스터 밀도를 직접적으로 높이지 않고도 칩 성능을 향상시킬 수 있는 가능성을 열어 무어의 법칙이 계속 발전하는 데 필요한 여유 공간을 제공합니다.
Maxwell Labs의 데모 설정은 현재 컴퓨터 칩이 레이저로 냉각될 수 있는 방법을 보여줍니다. 광냉각판은 칩 위에 배치됩니다. 열 카메라는 칩에서 나오는 핫스팟을 이미지화하고 레이저는 핫스팟 바로 위의 광냉각판을 향합니다.맥스웰 연구소
셋째, 이 기술을 사용하면 3D 통합을 열적으로 관리할 수 있습니다. 레이저 보조 냉각은 핫스팟을 정확히 찾아내기 때문에 오늘날의 냉각 기술로는 불가능한 방식으로 3D 스택에서 열을 더 쉽게 제거할 수 있습니다. 3D 통합 스택의 각 레이어에 광냉각판을 추가하면 전체 스택을 냉각할 수 있으므로 3D 칩 설계가 훨씬 더 간단해집니다.
넷째, 레이저 냉각은 공기 냉각 시스템보다 효율적입니다. 핫스팟에서 열을 제거함으로써 더욱 흥미로운 결과는 칩을 균일한 온도로 유지하고 대류 냉각 시스템의 전체 전력 소비를 크게 줄일 수 있다는 것입니다. 우리의 계산에 따르면 공기 냉각과 결합하면 현재 세대 칩의 전체 에너지 소비를 50% 이상 줄일 수 있으며 미래 칩에서는 훨씬 더 큰 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
게다가 레이저 냉각을 사용하면 공기 또는 액체 냉각보다 훨씬 더 많은 양의 폐기물 에너지를 회수할 수 있습니다. 뜨거운 액체 재순환 특정 위치와 기후에서는 인근 주택이나 기타 시설을 가열하기 위한 물이나 공기가 가능하지만 이러한 접근 방식의 재활용 효율성은 제한적입니다. 광자 냉각을 사용하면 반스토크스 형광을 통해 방출된 빛을 광섬유 케이블로 다시 수집한 다음 열광전지를 통해 전기로 변환하여 60% 이상의 에너지 회수가 가능합니다.
냉각에 대한 근본적으로 새로운 접근 방식을 통해 우리는 칩과 데이터 센터를 설계하는 규칙을 다시 작성할 수 있습니다. 우리는 이것이 무어의 법칙의 지속을 가능하게 할 뿐만 아니라 오늘날 우리가 보기 시작하는 지능 폭발을 청신호로 삼을 수 있는 데이터 센터 수준의 전력 절감을 가능하게 할 수 있다고 믿습니다.
광자 냉각을 향한 길
우리의 결과는 매우 유망하지만 이 기술이 상업적인 현실이 되기까지는 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 현재 광냉각판에 사용하고 있는 재료는 기본 요구 사항을 충족하지만, 효율성이 더 높은 레이저 냉각 재료의 지속적인 개발을 통해 시스템 성능이 향상되고 경제적으로 점점 더 매력적인 제안이 될 것입니다. 현재까지 소수의 재료만이 연구되었으며 레이저 냉각이 가능할 만큼 순수하게 만들어졌습니다. 우리는 광학 공학 및 박막 재료 처리의 발전에 힘입어 광냉각판의 소형화가 트랜지스터, 태양전지, 레이저와 마찬가지로 이 기술에도 유사한 변형 효과를 가져올 것이라고 믿습니다.
이점을 극대화하려면 프로세서, 패키지 및 냉각 시스템을 공동 설계해야 합니다. 이를 위해서는 전통적으로 단절된 반도체 생태계 전반에 걸쳐 긴밀한 협력이 필요합니다. 우리는 이 공동 설계 프로세스를 촉진하기 위해 업계 파트너와 협력하고 있습니다.
실험실 기반 설정에서 대량 상업 제조로 전환하려면 효율적인 프로세스와 특수 장비를 개발해야 합니다. 업계 전반에 걸쳐 채택하려면 광학 인터페이스, 안전 프로토콜 및 성능 지표에 대한 새로운 표준이 필요합니다.
아직 해야 할 일이 많지만 광자 냉각 기술을 대규모로 채택하는 데 근본적인 장애물은 없습니다. 현재 비전에서는 2027년 이전에 고성능 컴퓨팅 및 AI 교육 클러스터에 이 기술이 조기 채택되어 냉각 와트당 성능이 대폭 향상될 것으로 예상합니다. 그런 다음 2028년에서 2030년 사이에 컴퓨팅 용량을 두 배로 늘리는 동시에 IT 에너지 소비를 40% 줄이는 주류 데이터 센터 배포를 기대하고 있습니다. 마지막으로, 2030년 이후에는 하이퍼스케일에서 엣지까지 유비쿼터스 배포를 통해 열 제약이 아닌 알고리즘 효율성에 의해서만 제한되는 새로운 컴퓨팅 패러다임이 가능해질 것으로 예상됩니다.
20년 넘게 반도체 산업은 다크 실리콘의 다가오는 위협과 씨름해 왔습니다. 광자 냉각은 이러한 과제에 대한 해결책일 뿐만 아니라 성능, 계산 및 에너지 간의 관계를 근본적으로 재구성하는 것입니다. 폐열을 유용한 광자로 직접 변환하고 궁극적으로 다시 전기로 변환함으로써 이 기술은 열 관리를 필요악에서 귀중한 자원으로 전환합니다.
컴퓨팅의 미래는 광자적이고 효율적이며 놀랍도록 멋지다.