스스로 온도를 낮추는 3D 칩의 개발

컴퓨터 칩 안에 여러 가지 기능을 하는 프로세서들이 통합되고 있습니다. 점점 집적도가 높아지는 컴퓨터 칩의 경우 마이크로프로세서 내부에서 전력이 필요한 부분에 정확하게 전력을 공급하는 기술이 중요해졌으며, 이 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 분산시키는 기술이 더욱 중요해졌습니다. 개인용 PC를 생각해 보면 예전에는 냉각이 필요하지 않았던 메모리같은 부품들에까지 하나 둘씩 쿨링팬 및 방열판이 장착되고 있으며 시스템 쿨링 장비들을 옵션으로 다는 경우도 많아졌습니다. 최근 IBM에서 컴퓨터 칩을 위로 쌓아올려서 3차원 공간 내에서 서로 연결되도록 디자인한 경우가 있었습니다. 이 경우에도 동일한 문제점들이 더욱 심화되고 있습니다.

IBM의 어느 엔지니어 그룹이 이 두가지 문제를 동시에 해결할 한가지 솔루션을 가지고 있다고 합니다. IBM 스위스 취리히 연구소의 브루노 미쉘 및 그의 팀은 칩 내부에서 전력을 발생시키는 액체 냉각제를 이용할 것을 제안했습니다.

IBM은 이미 3차원으로 쌓은 3D 칩의 냉각 문제에 대한 해답을 가지고 있었습니다. 각 컴포넌트들을 구성하고 있는 실리콘 웨이퍼의 작은 채널들의 층을 식각(etching)시키는 것입니다. 이 채널들 사이로 냉각제를 펌핑해 주입시켜서 여러개가 중첩되어 쌓여있는 칩들 사이로 흐르면서 열을 외부로 신속히 배출시키는 방법을 통해 칩의 정상작동을 유지하는 것입니다.

브루노 미쉘 박사의 제안은 이 냉각 시스템을 칩에 전력을 공급하는 용도로도 사용하자는 것입니다. 이러한 종류의 쌓아놓은 칩들 사이로 구축된 단일 네트워크의 채널 대신에 2중의 네트워크를 구축하자는 것입니다. 각각의 네트워크 채널을 통해 바나듐 이온을 주입시킨 용액이 흐를 것이며, 이는 각 채널 시스템에 각기 다른 산화상태로 흐르기 시작합니다. 장비의 중심에 이르러서는 이 채널들은 전극으로도 전해액으로도 작용하게 되는 촉매와 섞입니다. 용액이 칩 주위로 펌핑되면 바나듐 이온이 전자를 다른 이온에게 건네주는 산화-환원작용이 일어나게 됩니다. 이 작용이 일어나기 위해서는, 전자는 칩 간 연결을 통해 채널 시스템들 사이로 이동이 가능해야 합니다. 이것이 칩에게 전력을 공급하게 되는 회로를 완성하게 되는 것입니다. 이후 전해액은 칩 밖으로 배출되고 이때에 열 역시 함께 배출됩니다. 외부로 나와 냉각된 전해액은 외부에서 공급되는 전류에 의해 초기 이온 상태로 돌아가게 되고, 이는 다시 주입되어 전체 프로세스가 다시 반복됩니다. 이는 양분과 산소를 나르는 인간의 순환계가 우리의 몸을 식혀주기도 하는 생물학의 원리와도 상통합니다.

미쉘 박사는 전체 칩들에게 이 아이디어를 적용하지는 못했습니다. 그는 프로세스 중에서 전력을 발생시키는 부분이 3D 칩에서 흔히 보이는 채널 시스템에서 완벽하게 가동될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 만일 전극이 칩의 나머지 부분에 성공적으로 연결될 수 있다면, 완전히 새로운 종류의 컴퓨터가 탄생하게 됩니다. 플러그 앤 플레이라는 지금의 개념 대신에 성공적인 디자인의 정수는 ‘가득 채우고 달려!’가 될지도 모릅니다.

미쉘 박사가 근무하고 있는 IBM 취리히 연구소에서는 이미 서버에서 나온 뜨거운 냉각제를 2개 빌딩의 난방을 위해 재활용하고 있습니다. 그는 서버에서 나온 냉각제가 뜨거울수록 가치가 있다고 생각하는 사람입니다. 그가 상상하는 것 중 하나는 액체 프레온을 프로세서 위에 직접 분무하여 즉시 증기로 바꾸는 기술입니다. 재활용이 좀더 쉽습니다. 그의 아이디어들은 아주 와일드하지만 그런 식으로 생각함으로 인해 세상을 더 똑똑하게 만드는 새로운 길을 찾을 수도 있을 것입니다.

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