KAIST 김정원 교수팀 연구
초저잡음 클럭신호 생성 기술
정확성 1000조분의 1초 껑충
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 김정원 기계공학과 교수팀이 레이저로 반도체 칩 내 초저잡음 클럭신호를 생성·분배할 수 있는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
최근 반도체 칩 성능이 급격하게 향상되면서 정확한 타이밍으로 칩 내 다양한 회로 블록 동작을 동기화하는 클럭신호 공급 기술이 중요해지고 있다.
기존 클럭신호 정확성은 통상 피코초(1조분의 1초) 수준이었으나, 개발 기술을 이용하면 펨토초(1000조분의 1초) 수준의 클럭신호를 칩 내 생성·분배할 수 있다. 발열 또한 획기적으로 줄일 수 있다.
고성능 반도체 칩 내에서 클럭 신호를 분배하려면 클럭 분배 네트워크(CDN)에 많은 클럭 드라이버를 사용해야 하는데, 발열과 전력 소모가 커지고 클럭 타이밍도 나빠진다.
칩 내 클럭 타이밍은 무작위로 빠르게 변하는 ‘지터’와 칩 내 서로 다른 지점 간 클럭 도달시간 차이인 ‘스큐’로 결정된다. 클럭 드라이버 개수가 늘어나면서 지터와 스큐 모두 통상 수 피코초 이상으로 커진다.
연구팀은 펨토초 이하 지터를 가지는 광주파수빗 레이저를 이용한 새로운 클럭 분배 네트워크 기술을 선보였다.
광주파수빗 레이저에서 발생하는 광 펄스들을 고속 광다이오드를 이용해 광전류 펄스로 변환한 후, 반도체 칩 내 클럭 분배 네트워크를 충·방전하는 과정을 거쳐 구형파 형태 클럭 신호를 생성하는 방식이다.
이 결과 지터와 스큐를 기존 대비 100분의 1 수준인 20펨토초 이하로 낮춘 뛰어난 타이밍 성능을 보일 수 있었으며, 전력소모 및 발열 역시 기존 대비 100분의 1로 낮출 수 있었다.
김정원 교수는 “현재 아날로그-디지털 변환기와 같은 고속 회로에 매우 낮은 지터 샘플링 클럭 신호를 공급해 성능을 향상하는 연구를 진행 중”이라며 “3차원 적층 칩 구조 관련 후속 연구도 계획하고 있다”고 밝혔다.
한편 현민지 KAIST 기계공학과 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 정하연 고려대 세종캠퍼스 교수팀 공동연구로 이뤄진 이번 논문은 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈 4월 24일자에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
