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'1천조분의 1초까지 정확하게' 반도체칩용 클럭 개발

KAIST, 레이저 이용으로 반도체칩 발열 최소화해 성능 향상

'1천조분의 1초까지 정확하게' 반도체칩용 클럭 개발
한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김정원 교수팀이 개발한 광학 기반 클럭 분배 네트워크(CDN)의 구성도와 클럭 발생 원리 및 기존 방식과의 성능 비교. KAIST 제공


[파이낸셜뉴스] 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김정원 교수팀이 레이저를 이용해 반도체 칩 내에서 초저잡음 클럭(clock) 신호를 1천조 분의 1까지 정확하게 생성하고 분배할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술로 클럭 분산과정에서 발생하는 칩 내에서의 발열을 기존 1.2도에서 0.1도로 낮췄다.

기존에는 클럭 신호의 정확성이 통상적으로 1조 분의 1초(피코초) 수준이었으나, 이를 1천배 빠르게 해 3차원 적층칩을 비롯한 반도체 칩의 성능을 향상시킬 수 있다.

김정원 교수는 9일 "현재 아날로그-디지털 변환기와 같은 고속 회로에 매우 낮은 지터의 샘플링 클럭 신호를 공급해 성능을 향상하는 연구를 진행 중"이라며 "3차원 적층 칩과 같은 구조에서 발열을 줄일 수 있을 지에 대한 후속 연구도 계획 중"이라고 말했다.

최근 반도체 칩의 성능이 급격하게 향상돼 보다 정확한 타이밍으로 칩 내의 다양한 회로 블록들의 동작을 동기화시키는 클럭 신호를 공급하는 기술이 중요하다.

고성능의 반도체 칩 내에서 클럭 신호를 분배하기 위해서는 클럭 분배 네트워크(CDN)에 많은 수의 클럭 드라이버들을 사용해야 한다. 이로 인해 발열과 전력 소모가 커질 뿐 아니라 클럭 타이밍도 나빠지게 된다. 칩 내의 클럭 타이밍은 무작위적으로 빠르게 변화하는 '지터'와 칩 내의 서로 다른 지점 간의 클럭 도달 시간 차이에 해당하는 '스큐'에 의하여 결정되는데, 클럭 드라이버들의 개수가 늘어남에 따라 지터와 스큐 모두 통상 수 피코초 이상으로 커지게 된다.

연구진은 이를 해결하기 위해 펨토초 이하의 지터를 가지는 광주파수빗 레이저를 마스터 클럭으로 하는 새로운 방식의 클럭 분배 네트워크 기술을 개발했다. 이는 광주파수빗 레이저에서 발생하는 광 펄스들을 고속 광다이오드를 이용해 광전류 펄스로 바꾼 뒤 반도체 칩 내의 금속 구조 형태로 된 클럭 분배 네트워크를 충전 및 방전하는 과정을 통해 구형파 형태의 클럭 신호를 생성하는 방식이다.

특히 이 기술로 클럭 분배 네트워크의 클럭 드라이버들을 제거한 금속 구조만을 통해 칩 내에서 클럭을 분배할 수 있어, 타이밍 성능을 개선할 수 있을 뿐만아니라 칩 내 발열도 획기적으로 줄였다. 그 결과 지터와 스큐를 기존 대비 100분의 1 수준인 20펨토초 이하로 낮춘 뛰어난 타이밍 성능을 보였다. 또한 칩내 클럭 분산 과정에서의 전력소모 및 발열 역시 기존 방식 대비 100분의 1 수준으로 낮췄다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자