반도체 칩은 단순히 계산만 하는 것이 아니라 연소합니다.
모든 계산은 열의 흔적을 남기며, 전자의 모든 움직임에는 에너지가 점점 사라집니다.
처음에는 따뜻함이 무해하게 느껴지는데, 시간이 지나면 원하지 않는 부작용으로 느껴지게 됩니다.
하지만 트랜지스터가 증식하고 줄어들면서 그 따뜻함이 무게를 가지게 됩니다.
칩 내부에서는 온도가 속도, 수명, 안정성 등 모든 것을 결정합니다.
세계에서 가장 빠른 회로를 설계할 수는 있지만, 안정적으로 시원함을 유지할 수 없다면 1초도 버티지 못할 것입니다.
열 관리는 더 이상 권장사항이 아닙니다. 생존에 필수적인 것입니다.
열 발생
전류가 움직이는 순간 열의 발생은 시작됩니다.
저항은 에너지를 진동으로 바꾸고 진동은 온도를 높입니다.
수십억 개의 트랜지스터가 함께 스위칭하면 표면 아래에서 폭풍 같은 움직임이 일어납니다.
칩의 온도계는 무질서하게 빛납니다.
엔지니어들은 이러한 핫스팟을 매핑하고 시뮬레이션하며 전류가 더 부드럽게 흐르도록 노력합니다.
전력 관리, 클록 게이팅, 전압 스케일링 등 모든 작은 제약 행위가 있습니다.
하지만 사실 모든 진전이 있으면 열 처리가 더 나빠집니다.
스위칭 속도가 빠르다는 것은 더 날카로운 전이를 의미합니다.
노드가 작을수록 밀도가 높아집니다.
새로운 디자인은 한 가지 문제를 해결하고 다른 문제를 따뜻하게 만듭니다.
열과의 싸움은 실제로 끝나지 않고 모양만 바뀝니다.
열전도율
열이 존재하면 어디론가 가야 합니다.
재료는 그것을 운반하고, 어떤 것은 기꺼이 운반하고, 어떤 것은 그렇지 않습니다.
실리콘은 적당히 잘, 구리는 더 잘, 다이아몬드는 거의 완벽하게 전도합니다.
하지만 재료는 혼자 사는 것이 아니라 서로 공유하는 방법에 동의하지 않는 층으로 접착제를 붙이고, 쌓고, 납땜하여 함께 사용합니다.
열전도율은 서로 다른 것을 원하는 표면 사이의 협상이 됩니다.
부드러운 인터페이스는 여전히 공기를 가둘 수 있고, 완벽한 금속 결합은 여전히 저항할 수 있습니다.
방정식은 간단해 보이지만 현실은 고르지 않게 느껴집니다.
엔지니어들은 화합물을 테스트하고, 열 비아를 만들고, 머리카락보다 얇은 흑연 시트를 추가합니다.
완벽을 추구하는 것이 아니라 열이 자신이 만든 것을 망가뜨리기 전에 빠져나갈 수 있는 길일 뿐입니다.
포장 솔루션
모든 칩의 가장자리에는 내부의 모든 것을 붙잡고 보호하는 마지막 피부인 패키지가 있습니다.
또한 열을 방출할 수 있는 마지막 기회이기도 합니다.
열 패드, 히트 스프레더, 솔더 범프, 마이크로채널 등 각 층은 에너지가 문제를 일으키지 않고 빠져나갈 수 있는 새로운 방법을 추가합니다.
디자인은 성능 뿐만 아니라 내구성에도 달려 있습니다.
일부 패키지는 전도에, 다른 패키지는 대류에, 일부 패키지는 미세한 파이프를 통과하는 액체 냉각에 의존합니다.
고성능 칩의 경우 엔지니어는 온도 센서를 직접 내부에 내장하여 칩이 자체적으로 열을 느끼고 실시간으로 조정할 수 있도록 합니다.
목표는 차갑고 균형 잡힌 상태로 생각할 수 있을 만큼만 따뜻하게 만드는 것입니다.
칩이 열을 처리하는 방식에는 인간적인 무언가가 있습니다.
칩은 한계까지 앞으로 밀고 나갔다가 다시 한 걸음 물러서 숨 쉬는 법을 배웁니다.
모든 솔루션은 다음 힘의 파동이 오기 전에 일시적으로 느껴집니다.
한계와 타협으로 가득 찬 반복적인 작업이지만 여전히 그만한 가치가 있습니다.
냉각은 단순히 열을 제거하는 것이 아니라 움직임을 보호하고 리듬을 유지하는 것이기 때문입니다.
그런 의미에서 칩과 사람은 크게 다르지 않습니다.
둘 다 너무 많은 에너지가 연소하고 너무 적은 에너지가 모든 것을 멈춘다는 것을 알고 계속 작동합니다.
언제나 그렇듯이 그 사이 어딘가에서 우리는 답을 찾을 것입니다.