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[IT뉴스]폭증하는 AI칩 전력·발열…반도체에 ‘물길’ 내 잡는다

온카뱅크관리자

2026-11-12 07:07:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 삼성·TSMC, 냉각 구조를 반도체 설계·패키징 단계부터 함께 고려 
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 <img alt="마이크로소프트가 개발한 반도체 칩 내부 미세유로 냉각 기술. 실리콘 칩에 새긴 미세 통로로 냉각액을 흘려 열을 제거한다. /마이크로소프트" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/12/chosun/20261112070158540izyh.jpg" data-org-width="1920" dmcf-mid="8P008myOYV" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/12/chosun/20261112070158540izyh.jpg" width="658">
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 마이크로소프트가 개발한 반도체 칩 내부 미세유로 냉각 기술. 실리콘 칩에 새긴 미세 통로로 냉각액을 흘려 열을 제거한다. /마이크로소프트
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 인공지능(AI) 반도체의 발열을 잡기 위해 칩과 패키지 내부에 냉각수가 흐르는 미세한 ‘물길’을 만드는 기술 경쟁이 본격화하고 있다. 칩을 여러 개 붙이거나 수직으로 쌓는 첨단 패키징이 확산하면서 외부 냉각판만으로는 열을 빼내기 어려워지자, 반도체 설계 단계부터 냉각 구조를 집어넣는 방식이 주목받고 있다.
 ◇기존 냉각 방식만으론 발열 효과적 제어 어려워
 11일 반도체 업계에 따르면 세계 최대 파운드리(반도체 위탁 생산) 업체 TSMC는 첨단 패키징에 미세 유로(마이크로채널) 냉각 기술을 적용하기 위한 연구·개발을 추진하고 있다. 여러 연산 칩과 고대역폭 메모리(HBM)를 하나의 패키지에 집적하면서 전력 공급과 방열을 최적화하기 위해서다.
 TSMC는 첨단 패키지의 전력 소모가 2024년 600W(와트)에서 2029년 4100W 수준으로 약 6.8배 증가할 것으로 전망했다. 이에 따라 전력 공급과 냉각 구조를 반도체 설계·패키징 단계부터 함께 고려하는 통합 설계의 중요성도 커지고 있다.
 미세 유로는 칩 등에 머리카락 굵기 안팎의 통로를 새겨 냉매를 흘리는 기술이다. 냉각수가 열이 발생하는 지점에 더 가까이 접근해 열을 흡수하기 때문에 기존 냉각판 방식보다 열 저항을 낮출 수 있다. 이윤종 카이스트 교수(PIM반도체설계연구센터 부센터장)는 “반도체 칩 내부 설계 단계부터 냉각 구조를 반영해 열이 발생하는 지점에서 직접 제거하는 것이 더 효율적”이라고 말했다.
 특히 AI 반도체 시장을 주도하는 엔비디아가 수랭식 냉각 전환의 기준을 제시하고 있다. 엔비디아는 차세대 AI 플랫폼 ‘베라 루빈’에 공랭을 사용하지 않는 100% 액체 냉각 방식을 채택하고, 섭씨 45도의 냉각수를 사용하는 설계를 표준으로 제시했다. 엔비디아가 칩 성능뿐 아니라 냉각 설비의 설계 기준까지 제시하면서 AI 데이터센터 업계 전반의 수랭식 전환에도 속도가 붙고 있다.
 ◇미세 유로 상용화 관건은 비용과 신뢰성
 삼성전자는 지난달 20일 칩 내부에 냉매 통로를 만들고, 열로 증발한 냉매를 모세관 현상으로 다시 순환시키는 기술의 미국 특허를 등록했다. 모세관 현상은 액체가 좁은 틈을 따라 흘러가는 것을 말한다. SK하이닉스는 지난 5월 HBM 패키지 내부에 별도 열 배출 경로를 만들어 열 저항 30% 이상 낮춘 ‘iHBM’을 공개했다. 냉매를 순환시키는 방식은 아니지만, 반도체 내부 구조를 바꿔 발열을 직접 제어한다는 점에서 같은 기술 흐름이다.
 빅테크도 기술 검증에 나섰다. 마이크로소프트는 지난해 스위스 스타트업 코린티스와 반도체 칩을 구성하는 실리콘 뒷면에 잎맥 모양의 미세 통로를 만들어 기존 냉각판보다 최대 3배 높은 열 제거 성능을 확인했다. 독일 레이저 업체 트룸프는 지난 9월 기존 방식보다 가공 속도가 5배 이상 빠른 미세 냉각 통로 가공 기술을 선보였다. 카이스트도 지난 6월 냉각수 순환에 투입되는 에너지 대비 열 제거 효율을 기존보다 약 10배 높인 미세 유로 기술을 개발하고 실험으로 검증했다.
 상용화의 관건은 비용과 신뢰성이다. 미국냉난방공조학회(ASHRAE)는 미세 유로의 높은 제조비와 압력 손실, 이물질에 따른 막힘 등을 한계로 꼽는다. 칩에 통로를 만드는 과정에서 생길 수 있는 손상과 수율 저하도 해결해야 한다.
 반도체 제조사와 냉각 전문 업체 간 협력도 확대될 전망이다. 칩 내부에서 열을 제거하더라도 냉매 순환과 외부 열 배출 설비는 필요하기 때문이다. 이에 따라 칠러(냉각기)·냉각수 분배 장치(CDU) 업체와 반도체·장비 업체 간 공동 기술 개발이 늘어날 것으로 보인다. 김정호 카이스트 전기및전자공학부 교수는 “산업화 과제는 남아 있지만 궁극적으로 칩 내부를 직접 냉각하는 방향으로 발전할 것”이라고 말했다.
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