수십 년 동안 GPU 성능 향상은 주로 트랜지스터 스케일링과 공정 노드 발전에 의해 주도되었습니다. 그러나 오늘날의 AI 훈련, 추론 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 워크로드에서 GPU는 새로운 물리적 한계에 접근하고 있으며, 열 관리가 지배적인 제약 조건이 되고 있습니다.
NVIDIA를 선두로 하는 차세대 GPU는 단일 패키지 전력 소비량을 수백 와트에서 700W 이상으로 끌어올렸습니다. 반도체 공정이 계속 발전함에도 불구하고 전력 밀도는 계속 증가하여 단위 면적당 더 많은 열이 발생합니다. 이 규모에서 실리콘 다이에서 열을 효율적으로 추출하는 능력은 더 이상 부차적인 문제가 아니라, 클럭 주파수, 신뢰성 및 시스템 수명을 직접적으로 제한합니다.
이러한 변화는 업계가 종종 간과되는 중요한 구성 요소인 인터포저 재료를 재고하도록 강요합니다.
실리콘 인터포저는 2.5D 통합 및 CoWoS와 같은 첨단 패키징 기술의 중추 역할을 해왔습니다. 이러한 인기는 뛰어난 리소그래피 호환성과 잘 확립된 제조 인프라에서 비롯됩니다.
그러나 실리콘은 극한의 열 환경에 최적화된 적이 없었습니다.
실리콘의 열 전도율(~150 W/m·K)은 로직 장치에는 적합하지만 초고전력 패키지에는 점점 부족합니다.
다이-인터포저 및 인터포저-기판 인터페이스에서 열 병목 현상이 발생하여 국부적인 핫 스팟이 생성됩니다.
전력 밀도가 증가함에 따라 실리콘 인터포저는 열 저항 스태킹에 기여하여 효과적인 열 확산을 제한합니다.
GPU 아키텍처가 칩렛, HBM 스택 및 이종 통합을 통해 확장됨에 따라 인터포저는 더 이상 수동 라우팅 레이어가 아니라 중요한 열 경로가 됩니다.
탄화규소(SiC)는 실리콘과 근본적으로 다릅니다. 원래 고전력 및 고온 전력 전자 장치를 위해 개발되었으며, 고유한 특성이 차세대 GPU 패키징의 열적 요구 사항과 매우 잘 일치합니다.
높은 열 전도율(일반적으로 370–490 W/m·K), 실리콘의 두 배 이상
넓은 밴드갭과 강한 원자 결합으로 고온에서 열적 안정성 확보
특정 전력 장치 아키텍처와의 낮은 열팽창 불일치로 열기계적 응력 감소
이러한 특성으로 인해 SiC는 단순히 열을 더 잘 전달하는 물질이 아니라 설계에 의한 열 관리 재료가 됩니다.
SiC 인터포저가 도입한 개념적 변화는 미묘하지만 심오합니다.
인터포저는 더 이상 단순한 전기적 상호 연결이 아니라 능동적인 열 확산 레이어가 됩니다.
첨단 GPU 패키지에서 SiC 인터포저는 다음을 수행할 수 있습니다.
고전력 로직 다이 및 전압 조정 구성 요소에서 열을 빠르게 전달
전반적인 열 저항을 낮추어 최대 접합 온도를 낮춤
멀티칩 모듈 전체에서 보다 균일한 온도 분포를 가능하게 함
열 사이클링 응력을 완화하여 장기적인 신뢰성 향상
GPU 패키지 내 또는 근처에 통합된 전력 장치(예: 온패키지 전압 조정기)의 경우 이러한 열적 이점이 특히 중요합니다.
GPU 다이 자체가 주요 열원이지만, 전력 공급 구성 요소는 전기적 손실을 줄이기 위해 프로세서에 더 가깝게 통합되는 추세입니다. 이러한 구성 요소는 종종 다음 조건에서 작동합니다.
높은 전류 밀도
높은 스위칭 주파수
지속적인 열 응력
전력 전자 분야에서 SiC의 유산은 여기서 독특하게 적합합니다. SiC 인터포저는 전기적 절연, 기계적 안정성 및 효율적인 열 추출을 동시에 지원하여 보다 열적으로 균형 잡힌 시스템 수준 설계를 만들 수 있습니다.
이러한 의미에서 SiC는 모든 곳에서 실리콘을 “대체”하는 것이 아니라 열 물리학이 제한 요소가 되는 곳에서 실리콘을 보완합니다.
장점에도 불구하고 SiC 인터포저는 즉시 교체할 수 있는 것은 아닙니다.
SiC는 실리콘보다 더 단단하고 부서지기 쉬워 제조 복잡성이 증가합니다.
비아 형성, 연마 및 금속화에는 특수 공정이 필요합니다.
성숙한 실리콘 인터포저 기술에 비해 비용이 여전히 높습니다.
그러나 GPU 전력 환경이 계속 증가함에 따라 열 비효율성은 재료 비용보다 더 비싸집니다. 하이엔드 AI 가속기의 경우 와트당 성능 및 신뢰성 향상이 SiC 기반 솔루션 채택을 점점 더 정당화합니다.
NVIDIA의 차세대 GPU 진화는 더 넓은 업계 트렌드를 강조합니다.
열 설계는 더 이상 사후 고려 사항이 아니라 주요 아키텍처 제약 조건입니다.
SiC 인터포저는 이러한 과제에 대한 재료 수준의 대응책을 나타냅니다. 단순히 더 잘 냉각시키는 것이 아니라, 극한의 전력 밀도 및 이종 통합의 현실에 부합하는 새로운 패키징 전략을 가능하게 합니다.
앞으로 가장 진보된 GPU 시스템은 공정 노드나 트랜지스터 수만으로 정의되지 않을 수 있습니다. 패키지의 모든 레이어에서 열을 얼마나 지능적으로 관리하는지에 따라 정의될 것입니다.
수십 년 동안 GPU 성능 향상은 주로 트랜지스터 스케일링과 공정 노드 발전에 의해 주도되었습니다. 그러나 오늘날의 AI 훈련, 추론 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 워크로드에서 GPU는 새로운 물리적 한계에 접근하고 있으며, 열 관리가 지배적인 제약 조건이 되고 있습니다.
NVIDIA를 선두로 하는 차세대 GPU는 단일 패키지 전력 소비량을 수백 와트에서 700W 이상으로 끌어올렸습니다. 반도체 공정이 계속 발전함에도 불구하고 전력 밀도는 계속 증가하여 단위 면적당 더 많은 열이 발생합니다. 이 규모에서 실리콘 다이에서 열을 효율적으로 추출하는 능력은 더 이상 부차적인 문제가 아니라, 클럭 주파수, 신뢰성 및 시스템 수명을 직접적으로 제한합니다.
이러한 변화는 업계가 종종 간과되는 중요한 구성 요소인 인터포저 재료를 재고하도록 강요합니다.
실리콘 인터포저는 2.5D 통합 및 CoWoS와 같은 첨단 패키징 기술의 중추 역할을 해왔습니다. 이러한 인기는 뛰어난 리소그래피 호환성과 잘 확립된 제조 인프라에서 비롯됩니다.
그러나 실리콘은 극한의 열 환경에 최적화된 적이 없었습니다.
실리콘의 열 전도율(~150 W/m·K)은 로직 장치에는 적합하지만 초고전력 패키지에는 점점 부족합니다.
다이-인터포저 및 인터포저-기판 인터페이스에서 열 병목 현상이 발생하여 국부적인 핫 스팟이 생성됩니다.
전력 밀도가 증가함에 따라 실리콘 인터포저는 열 저항 스태킹에 기여하여 효과적인 열 확산을 제한합니다.
GPU 아키텍처가 칩렛, HBM 스택 및 이종 통합을 통해 확장됨에 따라 인터포저는 더 이상 수동 라우팅 레이어가 아니라 중요한 열 경로가 됩니다.
탄화규소(SiC)는 실리콘과 근본적으로 다릅니다. 원래 고전력 및 고온 전력 전자 장치를 위해 개발되었으며, 고유한 특성이 차세대 GPU 패키징의 열적 요구 사항과 매우 잘 일치합니다.
높은 열 전도율(일반적으로 370–490 W/m·K), 실리콘의 두 배 이상
넓은 밴드갭과 강한 원자 결합으로 고온에서 열적 안정성 확보
특정 전력 장치 아키텍처와의 낮은 열팽창 불일치로 열기계적 응력 감소
이러한 특성으로 인해 SiC는 단순히 열을 더 잘 전달하는 물질이 아니라 설계에 의한 열 관리 재료가 됩니다.
SiC 인터포저가 도입한 개념적 변화는 미묘하지만 심오합니다.
인터포저는 더 이상 단순한 전기적 상호 연결이 아니라 능동적인 열 확산 레이어가 됩니다.
첨단 GPU 패키지에서 SiC 인터포저는 다음을 수행할 수 있습니다.
고전력 로직 다이 및 전압 조정 구성 요소에서 열을 빠르게 전달
전반적인 열 저항을 낮추어 최대 접합 온도를 낮춤
멀티칩 모듈 전체에서 보다 균일한 온도 분포를 가능하게 함
열 사이클링 응력을 완화하여 장기적인 신뢰성 향상
GPU 패키지 내 또는 근처에 통합된 전력 장치(예: 온패키지 전압 조정기)의 경우 이러한 열적 이점이 특히 중요합니다.
GPU 다이 자체가 주요 열원이지만, 전력 공급 구성 요소는 전기적 손실을 줄이기 위해 프로세서에 더 가깝게 통합되는 추세입니다. 이러한 구성 요소는 종종 다음 조건에서 작동합니다.
높은 전류 밀도
높은 스위칭 주파수
지속적인 열 응력
전력 전자 분야에서 SiC의 유산은 여기서 독특하게 적합합니다. SiC 인터포저는 전기적 절연, 기계적 안정성 및 효율적인 열 추출을 동시에 지원하여 보다 열적으로 균형 잡힌 시스템 수준 설계를 만들 수 있습니다.
이러한 의미에서 SiC는 모든 곳에서 실리콘을 “대체”하는 것이 아니라 열 물리학이 제한 요소가 되는 곳에서 실리콘을 보완합니다.
장점에도 불구하고 SiC 인터포저는 즉시 교체할 수 있는 것은 아닙니다.
SiC는 실리콘보다 더 단단하고 부서지기 쉬워 제조 복잡성이 증가합니다.
비아 형성, 연마 및 금속화에는 특수 공정이 필요합니다.
성숙한 실리콘 인터포저 기술에 비해 비용이 여전히 높습니다.
그러나 GPU 전력 환경이 계속 증가함에 따라 열 비효율성은 재료 비용보다 더 비싸집니다. 하이엔드 AI 가속기의 경우 와트당 성능 및 신뢰성 향상이 SiC 기반 솔루션 채택을 점점 더 정당화합니다.
NVIDIA의 차세대 GPU 진화는 더 넓은 업계 트렌드를 강조합니다.
열 설계는 더 이상 사후 고려 사항이 아니라 주요 아키텍처 제약 조건입니다.
SiC 인터포저는 이러한 과제에 대한 재료 수준의 대응책을 나타냅니다. 단순히 더 잘 냉각시키는 것이 아니라, 극한의 전력 밀도 및 이종 통합의 현실에 부합하는 새로운 패키징 전략을 가능하게 합니다.
앞으로 가장 진보된 GPU 시스템은 공정 노드나 트랜지스터 수만으로 정의되지 않을 수 있습니다. 패키지의 모든 레이어에서 열을 얼마나 지능적으로 관리하는지에 따라 정의될 것입니다.
