반도체칩 발열 100분의 1로 줄여...펨토초 수준 신호 생성기 개발

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김정원 KAIST 기계공학과 교수. KAIST 제공

국내 연구팀이 레이저를 이용해 반도체 내에서 ‘클럭’ 신호를 정확한 타이밍에 생성하고 분배할 수 있는 기술을 개발했다. 클럭 신호는 칩 내 회로들의 동작을 동기화시키는 신호로 반도체 칩 성능과 직결된다.

김정원 KAIST 기계공학과 교수 연구팀은 펨토초(1000조 분의 1초)까지 정확한 반도체 칩용 클럭을 개발했다고 9일 밝혔다. 연구팀에 따르면 클럭 신호의 정확성은 기존에 피코초(1조 분의 1초) 수준이었다.

고성능 반도체 칩 내에서 클럭 신호를 분배하기 위해선 클럭 분배 네트워크에 많은 수의 클럭 드라이버들을 사용해야 한다. 이로 인해 발열이 생기고 전력 소모가 커지며 클럭 신호 타이밍도 나빠진다. 클럭 신호 타이밍은 무작위적으로 빠르게 변화하는 ‘지터’와 칩 내의 서로 다른 지점 간의 클럭 도달 시간 차이에 해당하는 ‘스큐’에 의해 결정된다. 클럭 드라이버들의 개수가 늘어나며 지터와 스큐 모두 피코초 이상 커지게 된다.

연구팀은 이 문제를 해결했다. 레이저를 활용해 지터가 펨토초 이하로 발생하도록 했다. 연구팀은 “레이저에서 발생하는 광 펄스들을 고속 광다이오드를 이용해 광전류 펄스로 변환한 후 반도체 칩 내 금속 구조 형태로 된 클럭 분배 네트워크를 충전하고 방전한다”며 “이 과정을 통해 구형파 형태의 클럭 신호를 생성한다”고 설명했다.

칩 내 발열도 줄어든다. 클럭 분배 네트워크의 클럭 드라이버들을 제거한 금속 구조만을 통해 칩 내에서 클럭을 분배할 수 있기 때문이다. 기존 대비 100분 1 수준으로 발열이 줄은 것으로 나타났다.

김 교수는 “현재 아날로그-디지털 변환기와 같은 고속 회로에 매우 낮은 지터의 샘플링 클럭 신호를 공급해 성능을 향상하는 연구를 진행 중”이라며 “3차원(3D) 적층 칩과 같은 구조에서 발열을 줄일 수 있을 지에 대한 후속 연구도 계획 중”이라고 밝혔다.
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]