AI 데이터 센터는 AI 컴퓨팅 프로세스가 막대한 양의 에너지를 소비하고 끊임없이 열을 발생시키기 때문에 종종 "전력을 굶주리는 괴물"에 비유됩니다. 이 열을 식히기 위해서는 그에 상응하는 양의 전력을 소비하는 냉각 시스템이 필요합니다.
대규모 모델 및 AI 기술의 급속한 발전은 칩 성능의 급증과 집적도 향상을 가져왔고, 그 결과 단위 면적당 발열량이 기하급수적으로 증가했습니다.
하지만 기존의 팬 기반 냉각 방식이나 외부 구리 방열판은 물리적 한계에 도달하여 지속적인 열 방출 요구를 충족할 수 없습니다. 따라서 극도로 높은 열 흐름 밀도를 처리하는 냉각 시스템은 고성능 컴퓨팅 성능 개발을 저해하는 핵심 과제입니다.
실리콘에 직접 통합
이 문제를 해결하기 위해 한국 과학 기술원(KAIST)의 연구팀은 칩 수준의 열 관리 기술 연구에 몰두했습니다.
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데이터센터 서버 마더보드는 불활성 액체에 담가 냉각합니다. 출처: 그린 레볼루션 쿨링. |
이 아이디어는 칩 내부에 직접 내장되는 효율적인 액체 냉각 시스템을 개발하여 완전히 새로운 솔루션을 제공하는 것입니다.
기계공학과 김성진 교수와 인공지능·컴퓨팅과 이익진 교수가 이끄는 학제간 연구팀은 장기간의 연구 끝에 고부하 칩의 열 방출 문제를 해결하는 데 성공했다.
구체적으로, 이 기술의 가장 큰 실질적인 이점은 저온수나 특수 냉각 솔루션에 의존하지 않고 상온의 깨끗한 물을 냉각수로 직접 사용할 수 있어 고부하 상태에서 작동하는 반도체 칩의 온도를 정밀하게 낮출 수 있다는 점입니다.
연구팀에 따르면 핵심은 사람 머리카락보다 훨씬 가는 직경의 미세 채널을 반도체 칩의 실리콘 구조 내부에 직접 삽입하여 일체형 구조를 만드는 것입니다.
실제 테스트 데이터에 따르면 최대 2000W/cm²의 극한 발열 조건에서도 이 냉각 시스템은 안정적으로 작동하여 칩 코어 온도를 100°C 미만으로 유지함으로써 장치가 최대 효율로 작동하도록 보장합니다.
다양한 마이크로채널 구조
기존 냉각 기술과 비교했을 때, 이 연구 혁신의 핵심은 칩 내부에 내장된 마이크로채널 매니폴드(MMC) 아키텍처에 있습니다.
기존의 마이크로채널 냉각 방식에서는 냉각수가 칩의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 지속적으로 흘러야 합니다. 이처럼 지나치게 긴 이동 거리는 유동 저항을 크게 증가시킵니다.
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마이크로채널 매니폴드(MMC) 아키텍처 모델. 이미지 제공: KAIST. |
순환을 유지하기 위해 시스템은 더 많은 펌프 동력을 사용해야 하므로 에너지 소비가 증가하고 전반적인 열 방출 효율이 감소하며 장기적인 운영 비용이 높아집니다.
한편, MMC 유동 구조는 이러한 순환 논리를 완전히 재정의합니다. 냉각수를 여러 개의 분산된 유입구로 분배하고 열 교환 과정을 완료한 다음 여러 배출구를 통해 즉시 회수함으로써, 이 시스템은 매우 짧은 사이클 타임으로 다지점 냉각 네트워크를 구축합니다.
QQ는 이러한 원칙을 물류 네트워크에 비유합니다. 그들에 따르면, 기존 모델은 단일 경로를 통해 장거리 화물 운송을 하는 것과 같으며, 이로 인해 운송 시간이 길어지고 손실이 크게 발생합니다. 반면, MMC는 지역 곳곳에 유통 센터를 구축하여 현장 열 교환을 용이하게 하는 것과 같습니다.
이 설계는 유체 마찰과 펌프 압력을 최소화할 뿐만 아니라 칩 공간 전체에 냉각 유체가 고르게 분산되도록 합니다. 국부적인 불균일한 열 방출이나 과열 현상이 완전히 제거되어 칩 성능 저하 또는 오작동을 방지합니다.
더 나아가 연구진은 도관의 크기를 줄이려고 시도하는 대신, 마이크로채널의 너비, 높이, 개수, 배치 및 유량과 같은 일련의 핵심 매개변수를 지능적으로 최적화했습니다.
최적의 설계를 선별하기 위해 연구팀은 다중 정밀도 최적화 프레임워크를 구축했습니다. 먼저, 과학자들은 고성능 1D 모델을 사용하여 일련의 기본 설계를 신속하게 선별하고 비효율적인 구조를 제거했습니다.
다음으로, 연구팀은 고정밀 3D 시뮬레이션 기술을 사용하여 가장 유망한 옵션들을 세밀하게 조정할 것입니다. 이 시스템은 열 성능, 유체 압력 강하, 칩 전체의 온도 균일성이라는 세 가지 핵심 지표를 동시에 최적화합니다.
그 결과, 연구팀은 이전 전 세계 MMC 연구의 "아킬레스건"이었던 유체 불균일 분포 문제를 완전히 극복했습니다.
시험 과정에서 새로운 냉각 시스템은 106,000 COP(성능 계수)를 달성했는데, 이는 소비된 에너지 단위당 제거된 열량을 나타내는 지표입니다.
연구진에 따르면 이 수치는 2020년 학술지 네이처에 발표된 이전 세계 기록보다 10배 이상 높은 수치입니다. 다시 말해, 이 새로운 혁신 기술은 현재 사용 가능한 최고의 칩 냉각 기술에 필요한 에너지의 1/10만으로 동일한 양의 열을 냉각할 수 있습니다.
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이 새로운 냉각 기술은 이전 세계 기록보다 10배 더 효율적입니다. 사진: KAIST.  외교부는 주베트남 미국 대사의 신임장 사본을 접수했습니다.7월 2일 오후, 외교부 본부에서 레 꽁 둥 국무의전통역국장은 제니퍼 윅스 주베트남 미국 대사로부터 신임장을 접수했습니다.  응우옌 꾸옥 둥 대사가 미국 미네소타를 방문하여 업무를 보고 있다.응우옌 꾸옥 중 주미 베트남 대사는 6월 28일부터 30일까지 미네소타를 방문하여 업무를 보았다.  베트남은 미국 기업들이 첨단 기술 분야에 대한 투자를 확대하도록 장려하고 있습니다.6월 26일 오전, 호꾸옥둥 부총리는 정부 청사에서 코히런트 그룹(미국)의 공급망 담당 이사인 제프 플레이스 씨를 접견했습니다. 이 자리에서 호 부총리는 베트남이 미국 기업들의 투자를 적극적으로 장려하며, 특히 첨단 기술, 혁신 및 반도체 산업 분야에 대한 투자를 확대해 줄 것을 당부했습니다. |
놀랍게도, 이러한 탁월한 성능은 고급 제조 공정이나 값비싼 재료와는 전혀 무관합니다. 통합 마이크로채널의 제조 온도는 350°C 미만이므로 현재의 대규모 반도체(CMOS) 생산 라인과 완벽하게 호환됩니다.
이로써 공장들은 값비싼 기계를 개조하거나 구입할 필요가 없어지고, 즉시 상업화가 가능해집니다.
"AI 칩 성능이 지속적으로 향상되고 첨단 전자 패키징 기술이 발전함에 따라 하드웨어 전력의 한계는 온도에 의해 점점 더 제약받게 될 것입니다."
김성진 교수는 "이 고성능 액체 냉각 기술은 미래 컴퓨팅 시스템의 기반이 되어 컴퓨팅 성능과 에너지 소비 사이의 균형을 깨뜨릴 것"이라고 강조했다.
출처: https://znews.vn/day-la-cong-nghe-lam-mat-chip-hieu-qua-gap-10-lan-post1661387.html
