KAIST, 천조분의 1초까지 정확한 반도체칩용 클럭 개발 > IT/과학기사 | it/science

KAIST는 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 레이저를 이용해 반도체 칩 내에서 초저잡음 클럭 신호를 생성하고 분배할 수 있는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

최근 반도체 칩의 성능이 급격하게 향상되면 보다 정확한 타이밍으로 칩 내의 다양한 회로 블록들의 동작을 동기화synchronization시키는 클럭clock 신호를 공급하는 기술이 중요해지고 있어서다.

개발된 기술을 이용하면 기존 방식보다 월등한 펨토초femtosecond, 10-15초, 천 조 분의 1초 수준의 정확한 타이밍을 가지는 클럭 신호를 칩 내에서 생성하고 분배할 수 있다. 클럭 분산 과정에서 발생하는 칩 내에서의 발열 또한 획기적으로 줄일 수 있다.

고성능의 반도체 칩 내에서 클럭 신호를 분배하기 위해서는 클럭 분배 네트워크clock distribution network, CDN에 많은 수의 클럭 드라이버clock driver들을 사용해야 한다. 이로 인해 발열과 전력 소모가 커질 뿐 아니라 클럭 타이밍도 나빠지게 된다. 칩 내 클럭 타이밍은 무작위적으로 빠르게 변화하는 지터jitter와 칩 내의 서로 다른 지점 간의 클럭 도달 시간 차이에 해당하는 스큐skew에 의하여 결정된다. 클럭 드라이버들의 개수가 늘어남에 따라 지터와 스큐 모두 통상 수 피코초 이상으로 커지게 된다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 펨토초 이하의 지터를 가지는 광주파수빗optical frequency comb 레이저를 마스터 클럭으로 하는 새로운 방식의 클럭 분배 네트워크 기술을 선보였다. 이는 광주파수빗 레이저에서 발생하는 광 펄스들을 고속 광다이오드를 이용해 광전류 펄스photocurrent pulse로 변환한 후 반도체 칩 내의 금속 구조 형태로 된 클럭 분배 네트워크를 충전 및 방전하는 과정을 통해 구형파 형태의 클럭 신호를 생성하는 방식이다.

이 기술을 사용하면 클럭 분배 네트워크의 클럭 드라이버들을 제거한 금속 구조만을 통해 칩 내에서 클럭을 분배할 수 있다. 타이밍 성능을 개선할 수 있을뿐 아니라 칩 내 발열도 획기적으로 줄일 수 있다. 그 결과 지터와 스큐를 기존 대비 100분의 1 수준인 20펨토초 이하로 낮춘 타이밍 성능을 보일 수 있었다. 또 칩내 클럭 분산 과정에서의 전력소모 및 발열 역시 기존 방식 대비 100분의 1 수준으로 낮출 수 있었다.

김정원 교수는 "현재 아날로그-디지털 변환기와 같은 고속 회로에 매우 낮은 지터의 샘플링 클럭 신호를 공급해 성능을 향상하는 연구를 진행 중이다"라며 "3차원 적층 칩과 같은 구조에서 발열을 줄일 수 있을 지에 대한 후속 연구도 계획 중이다?라고 밝혔다.

KAIST 기계공학과 현민지 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 고려대학교 세종캠퍼스 정하연 교수팀과의 공동연구로 이루어진 이번 논문은 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈Nature Communications’ 4월 24일자에 게재됐다.

이번 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.

이광영 기자 gwang0e@chosunbiz.com