AI 연산 능력이 지속적으로 향상되는 가운데, 칩 방열은 성능 발휘를 제약하는 중요한 병목 요인으로 대두되고 있다. GPU가 더 높은 연산 능력과 더 높은 전력 소비로 진화함에 따라, 기존의 구리, 알루미늄 등 방열 소재는 점차 성능 한계에 다다르고 있으며, 초고열전도율을 지닌 다이아몬드가 첨단 소재에서 AI 칩 열 관리 산업 사슬로 진입하기 시작했다.
후이보 지능 투연이 발표한 심층 보고서에 따르면, 다이아몬드는 자연계에서 종합적인 방열 성능이 가장 뛰어난 소재 중 하나로, 단결정 다이아몬드의 실온 열전도율은 2000~2200W/(m·K)에 달하며, 이는 구리의 약 5~6배에 해당한다. 또한 낮은 열팽창 계수와 높은 전기 절연성 등의 특징을 갖추고 있어, 고전력 칩의 패키징 요구 사항과 높은 호환성을 보인다.
연산 능력이 강해질수록 방열은 ‘물리적 한계’에 가까워진다
다이아몬드 방열 수요는 급속히 증가하고 있으며, 그 핵심 동인은 AI 칩의 전력 소모가 지속적으로 증가하고 있기 때문이다.
보고서에 따르면, 엔비디아 GPU 단일 칩의 전력 소비량은 2020년 A100의 400W에서 2024년 Blackwell의 1000W로 증가했으며, 향후 칩 전력 소비량은 더욱 상승할 추세를 보이고 있다. 이와 동시에 CoWoS, SoIC 등 2.5D/3D 첨단 패키징 기술이 칩 적층 밀도를 지속적으로 높임에 따라 열 경로가 길어지고 열 저항이 누적되어, 국부적 열점의 방열 난이도가 더욱 높아지고 있다.
이는 AI 방열의 과제가 변화하고 있음을 의미한다. 과거에는 주로 “열을 어떻게 배출할 것인가”를 해결하는 데 초점을 두었다면, 앞으로는 우선 “칩의 국부적 열점을 어떻게 신속하게 분산시킬 것인가”를 해결해야 한다. 다이아몬드는 매우 높은 열전도율 덕분에 칩의 접합면 근처에서 열을 빠르게 가로로 균일하게 분산시킨 후, 액체 냉각 등 외부 시스템으로 열을 전달할 수 있으므로, 기존 액체 냉각 시스템의 중요한 소재 업그레이드 방향으로 주목받고 있다.
세 가지 기술 경로가 병행되며, 다이아몬드-구리 복합재가 가장 먼저 상용화됨
현재 다이아몬드 방열 기술은 주로 다이아몬드-구리 복합재, 다결정 다이아몬드, 단결정 다이아몬드라는 세 가지 기술 경로로 형성되어 있다.
이 중 다이아몬드-구리 복합 소재는 열전도율이 600~800W/m·K에 달하며, 비용은 순수 다이아몬드의 10%~20%에 불과해 성능, 가공성, 경제성을 모두 갖추고 있어 산업화 성숙도가 상대적으로 가장 높다. 다결정 다이아몬드 히트 싱크는 성능이 더 뛰어나지만, 대형 치수 제작, 뒤틀림, 이종 접합 등의 난제에 직면해 있다. MPCVD 단결정 다이아몬드 방열판의 열전도율은 최대 2000W/m·K에 달하며, 장기적으로 잠재력이 큰 기술 경로로 평가되지만, 현 단계에서는 대형 웨이퍼의 양산과 비용이 여전히 주요 제약 요인으로 작용하고 있다.
산업 체인 관점에서 볼 때, 상류 부문은 주로 다이아몬드 원료 및 MPCVD 장비를 포함하며, 중류 부문은 히트 싱크, 다이아몬드-구리 복합 재료 및 정밀 가공을 다루고, 하류 부문은 칩 패키징 및 방열 모듈로 이어진다. 보고서는 중류 부문인 히트 싱크 및 복합 재료가 산업 체인 가치의 50%~60%를 차지하며, 현재 산업 체인의 핵심 가치 고리라고 분석한다.
