고성능 서버용 CPU 패키지의 냉각 설계 과제

이 소개 자료는 "Heat Transfer Engineering"에 게재된 "[Challenges in Cooling Design of CPU Packages for High-Performance Servers]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 고성능 서버용 CPU 패키지의 냉각 설계 과제 (Challenges in Cooling Design of CPU Packages for High-Performance Servers)
• 저자: Jie Wei
• 발행 연도: 2008
• 게재 학술지/학회: Heat Transfer Engineering (Taylor & Francis Group)
• 키워드: CPU 냉각, 고성능 서버, 열 관리, 열 계면 물질, 히트 스프레더, 전력 소모, 방열판, 비대칭 열 방출, 패키지 냉각

2. 초록:

고성능 서버 CPU 패키지의 고밀도 및 비대칭 열 방출 문제를 해결하기 위한 냉각 기술에 대해 논의합니다. 산업 응용 관점에서 열 관리 방식과 관련 기술 개발을 검토합니다. 특히 패키지 내 열전도 및 패키지/방열판 모듈에서의 열 제거에 중점을 둡니다. 고성능 마이크로프로세서의 전력 소모 및 패키지 냉각 특성을 분석합니다. 칩/히트 스프레더 조립에서 인듐-은 합금의 열적 및 기계적 성능을 연구한 새로운 금속성 열 계면 기술 개발을 소개합니다. 또한 다이아몬드 복합 방열 재료와 같은 다른 열 관리 재료에 대한 연구도 보고합니다. 히트 파이프 및 베이퍼 챔버의 향상된 열 확산 능력을 설명하기 위해 실제 패키지 설계 사례를 제시합니다.

3. 서론:

고성능 컴퓨터 서버는 상당한 데이터 처리 및 컴퓨팅 능력이 요구되는 첨단 연구, 개발 및 서비스 분야에서 널리 사용됩니다. 이러한 서버는 고속 및 대규모 전송 성능과 더불어 높은 신뢰성, 고효율, 그리고 저전력 소모, 소형화, 저소음 등과 같은 환경 친화적 특성을 요구받습니다. 고성능 마이크로프로세서(CPU)의 전력 소모는 지속적으로 증가하고 있습니다. 또한, 소형화 및 설계 복잡성 심화는 프로세서 내에서 매우 비대칭적인 전력 분포를 야기하여, 일부 국소 영역에서는 칩 평균보다 훨씬 높은 전력 밀도를 발생시키는데, 이를 '핫스팟(hot spot)'이라고 합니다. 이러한 핫스팟은 국소적인 온도 상승과 칩 전체에 걸친 큰 온도 구배를 유발하여 프로세서 성능과 신뢰성에 부정적인 영향을 미치고 냉각 효율을 저하시킵니다. 추가적으로, 고밀도 패키징으로 인한 국소 주변 온도 상승과 신뢰성 확보 및 누설 전류 억제를 위한 접합부 온도 감소 요구로 인해 온도 예산(temperature budget)이 축소되면서 고성능 프로세서 패키지의 열 관리에 어려움이 가중되고 있습니다. 패키지 수준에서의 냉각 능력은 프로세서 아키텍처 및 설계에 매우 중요하며, 서버 제조업체의 주요 연구 개발 초점으로 간주됩니다[1-3]. 일반적인 고성능 프로세서 패키지 구조(그림 1)는 1차 열 계면 물질(TIM-1)을 사용하여 칩에 접착된 통합 히트 스프레더(IHS)를 특징으로 합니다. TIM-1은 칩과 IHS를 열적 및 기계적으로 연결합니다. IHS는 칩에서 발생하는 열을 더 넓은 영역으로 확산시키고 비대칭 전력 분포로 인한 칩 온도 구배를 최소화합니다. 공랭식 방열판은 2차 열 계면 물질(TIM-2)을 사이에 두고 IHS 위에 장착되며, 방열판 핀에서 주변 공기로 열을 방출합니다. 이 연구에서는 프로세서 전력 소모 특성 분석 및 관련 패키지 냉각 기술 검토를 바탕으로 고밀도 및 비대칭 전력 소모 처리의 과제를 논의합니다. 여기에는 칩과 히트 스프레더를 연결하는 새로운 금속성 열 계면 기술의 특성, 복합 방열 재료의 효과 등이 포함됩니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

고성능 서버용 CPU의 전력 소모 증가, 전력 밀도 상승, 특히 비대칭적인 전력 분포(핫스팟)는 심각한 열 관리 과제를 제기합니다. 이러한 과제는 소형화 추세와 허용 작동 온도 범위 축소로 인해 더욱 심화되어 서버 성능, 신뢰성 및 냉각 효율에 영향을 미칩니다. 패키지 수준에서의 효과적인 냉각이 중요합니다.

기존 연구 현황:

고성능 서버 CPU 패키지를 위해 다양한 냉각 기술이 구현되었습니다. 예시는 다음과 같습니다:

• 금속성 TIM-1과 구리/알루미늄 방열판을 사용한 단일 칩 패키지 (예: Fujitsu PRIMEPOWER2500, SunFire-E25K).
• 그리스 TIM을 사용한 직접 칩 부착 (예: NEC SX-8).
• 개별 스프레더와 공통 캡을 사용한 적층 설계(예: IBM POWER4), 열 저항 감소를 위한 소형 갭 기술(SGT, Small Gap Technology) (예: IBM POWER5, z-Server), 또는 이중 계면(예: Hitachi M5800)을 이용한 멀티칩 모듈(MCM) 냉각.
• MCM용 써모사이펀 기반 방열판을 사용한 고급 공랭 (예: Fujitsu GS8900).
• 수냉식 캡에 직접 납땜(예: Hitachi MP6000), MCM에 부착된 수냉식 콜드 플레이트로의 펌프 순환(예: Fujitsu GS8900 Turbo), 액체 분사 충돌(예: Cray Supercomputer)을 포함한 액체 냉각.

연구 목적:

본 연구의 목적은 다음과 같습니다:

• 고성능 서버 CPU 패키지의 고밀도 및 비대칭 열 방출을 해결하는 냉각 기술 논의.
• 산업 응용 관점에서 열 관리 방식 및 관련 기술 검토.
• 고성능 마이크로프로세서의 전력 소모 특성 및 패키지 냉각 특징 분석.
• 금속성 열 계면 기술(특히 In-Ag 합금) 개발 소개.
• 다이아몬드 복합재와 같은 고급 열 관리 재료 연구 보고.
• 패키지 설계에서 히트 파이프 및 베이퍼 챔버의 향상된 열 확산 능력 설명.

핵심 연구:

연구의 핵심 내용은 다음과 같습니다:

1. CPU 전력 소모 분석: 동향(ITRS 로드맵 예측), 평균 대 핫스팟 밀도(그림 4), 비대칭 전력 분포가 칩 온도에 미치는 영향(그림 5), 누설 전력의 중요성 증가 및 온도 의존성(그림 6, 7) 검토.
2. 고급 열 계면 물질(TIM) 조사: 칩-IHS 연결용 TIM-1에 초점, 금속성 In-10Ag 복합재 소개, 땜납 대비 열 성능 평가(그림 9, 표 1). TIM-1 내 공극(void)이 칩 온도 분포에 미치는 영향 시뮬레이션(그림 8, 10, 11, 표 2).
3. 방열 재료 평가: 히트 스프레더의 높은 열 전도율과 일치된 열 팽창 계수(CTE)의 중요성 논의. 수치 시뮬레이션을 통해 기존 재료(AlN, Cu) 대비 복합 재료(다이아몬드-실리콘 카바이드, Al-다이아몬드, Cu-다이아몬드 등)의 성능 조사(그림 12, 13, 표 3).
4. 향상된 방열판 냉각 평가: 방열판 베이스 내부에 히트 파이프 및 베이퍼 챔버를 내장하여 열 확산을 개선함으로써 공랭 한계를 확장하는 방법 탐색, 기존 설계 대비 성능 및 무게를 실험적으로 비교(그림 14, 15, 표 4, 5).

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 논문은 검토 및 분석 접근 방식을 사용합니다. 다양한 서버 제조업체의 실제 사례, 발표된 문헌, 기술 로드맵, 저자가 수행했거나 인용한 특정 기술 조사(모델링, 시뮬레이션, 실험 포함 가능) 정보를 종합합니다. 고성능 서버 CPU 냉각 기술의 과제를 식별하고 발전 사항을 제시하는 데 중점을 둡니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 문헌 검토: 다양한 서버 제조업체(Fujitsu, Sun, NEC, HP, IBM, Hitachi, Cray)의 냉각 솔루션 인용 및 요약.
• 동향 분석: 국제 반도체 기술 로드맵(ITRS) 데이터를 사용하여 전력 밀도 동향 설명(그림 4).
• 모델링 및 시뮬레이션:
  • 전력 맵을 기반으로 칩 온도 분포 예측(그림 5).
  • 모델링 및 테스트 데이터를 기반으로 전력 소비 구성 요소(누설 대 동적) 분석(그림 6, 7).
  • TIM-1의 공극이 칩 온도에 미치는 영향 시뮬레이션(그림 10, 11, 표 2).
  • 다양한 히트 스프레더 재료가 칩 온도 분포에 미치는 영향 시뮬레이션(그림 12, 13).
• 재료 특성 분석/테스트: ASTM 테스트 기반 금속 계면 재료(In-10Ag 대 땜납)의 열 성능 데이터 제시(그림 9, 표 1).
• 실험 테스트: 풍동 설비에서 다양한 프로토타입 방열판(히트 파이프 및 베이퍼 챔버 포함)의 냉각 성능 및 무게 평가 및 비교(그림 15, 표 5).

연구 주제 및 범위:

이 연구는 고성능 서버의 CPU 패키지에 대한 열 관리 과제 및 해결책을 다룹니다. 주요 주제는 다음과 같습니다:

• CPU 전력 소모 특성 (밀도, 비대칭성, 핫스팟, 누설 전류).
• 기존 패키지 냉각 기술 검토 (공랭 및 액체 냉각).
• 고급 열 계면 물질(TIM), 특히 금속성 TIM-1(In-10Ag) 및 공극의 영향.
• 고급 방열 재료(복합재) 및 칩 온도 균일성에 미치는 영향.
• 방열판의 공랭 능력 향상 기술 (히트 파이프, 베이퍼 챔버).
  범위는 주로 산업적 관점에서 패키지 수준의 열 관리에 초점을 맞춥니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• CPU 전력 밀도는 계속 상승하여 평균 50 W/cm²에 근접하고 핫스팟은 잠재적으로 200 W/cm²에 도달할 것으로 예측되어 심각한 열 문제를 야기합니다(그림 4). 비대칭 전력 분포는 칩 내 큰 온도 변화를 초래합니다(그림 5).
• 누설 전력은 총 CPU 전력 소비의 상당 부분을 차지하게 되었으며 온도에 대한 강한 지수적 의존성을 보여 접합부 온도 감소가 중요해졌습니다(그림 6, 7).
• 개발된 In-10Ag 복합재를 사용한 금속성 TIM-1은 기존 Sn-Pb 땜납에 비해 낮은 열 저항을 보이며, 연성 및 넓은 공정 온도 범위와 같은 유리한 특성을 제공합니다(그림 9, 표 1).
• TIM-1 내의 공극, 특히 칩 핫스팟 위의 공극은 열 성능을 크게 저하시켜 국소적인 온도 상승을 유발합니다. 시뮬레이션 결과 직경 2.5mm보다 큰 공극의 경우 10°C 이상의 온도 상승이 예측됩니다(그림 10, 11).
• 다이아몬드 복합재(k ≈ 600 W/m·K)와 같은 고급 히트 스프레더 재료는 기존 금속(Cu, AlN) 또는 다른 복합재에 비해 우수한 열 전도율을 제공하여 더 균일한 칩 온도와 낮은 최고 온도를 가능하게 합니다(그림 12, 13, 표 3).
• 대형 풋프린트 방열판 베이스에 히트 파이프나 베이퍼 챔버를 통합하면 열 확산이 효과적으로 향상되어 고체 금속 베이스에 비해 전체 공랭 성능이 개선(테스트 사례에서 10-20%)되며, 종종 무게 감소 효과도 동반됩니다(그림 15).

그림 이름 목록:

• Figure 1 일반적인 CPU 패키지 및 방열판 모듈 구조.
• Figure 2 Fujitsu GS8900의 공랭식 MCM 패키지.
• Figure 3 Fujitsu GS8900 (Turbo)의 액체 냉각식 MCM 패키지.
• Figure 4 고성능 마이크로프로세서의 전력 밀도.
• Figure 5 테스트 프로세서 칩의 온도 분포.
• Figure 6 UltraSPARC64 V 및 VI 프로세서의 전력 소비.
• Figure 7 UltraSPARC64 V 프로세서의 온도 대 전력 소비.
• Figure 8 In-10Ag TIM-1을 보여주는 패키지 단면.
• Figure 9 여러 금속 계면 재료의 열 성능.
• Figure 10 TIM-1 내 공극이 칩 온도 분포에 미치는 영향.
• Figure 11 TIM-1 내 공극으로 인한 접합부 온도 상승.
• Figure 12 히트 스프레더 재료가 칩 온도 분포에 미치는 영향.
• Figure 13 히트 스프레더 열 전도율에 따른 기준 수준 대비 접합부 온도 상승. (기준 수준은 연구된 칩과 동일한 총 열 방출량을 갖지만 균일한 열 방출 분포를 가진 칩의 온도임.)
• Figure 14 서버 패키지용 공랭식 방열판의 특성.
• Figure 15 다양한 방열판의 냉각 성능 및 무게 비교.

7. 결론:

고성능 서버용 CPU 패키지의 열 관리는 전력 소모 증가, 밀도 상승, 비대칭성(핫스팟), 소형화 및 장치 복잡성 증가로 인해 상당한 과제에 직면해 있습니다. 본 논문은 이러한 과제를 논의하고, CPU 전력 소모 특성을 검토했으며, 고급 열 솔루션에 대한 연구를 제시했습니다. 탐구된 주요 영역에는 고급 열 계면 물질(TIM-1용 금속성 In-10Ag 등), 고전도성 방열 재료(복합재 포함), 공랭식 방열판의 냉각 능력 향상 방법(히트 파이프 및 베이퍼 챔버 사용)이 포함됩니다. 업계는 비용 효율적인 기존 냉각 기술의 한계를 확장하는 동시에 미래 고성능 프로세서의 열 요구 사항을 충족하기 위해 고급 솔루션을 적극적으로 추구해야 하는 중요한 필요성에 직면해 있습니다.

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9. 저작권:

• 이 자료는 "Jie Wei"의 논문입니다. "[Challenges in Cooling Design of CPU Packages for High-Performance Servers]" 논문을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.1080/01457630701686727

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