칩을 어떻게 연결하느냐가 경쟁력입니다: 첨단 패키징이 중요한 이유
반도체 기술 경쟁이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 있습니다.
바로 더 작은 공정입니다.
회로를 더 작게 만들면 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있고, 성능과 전력 효율을 높이는 데 유리합니다.
그래서 오랫동안 반도체 산업에서는 몇 나노미터 공정을 사용하는지가 중요한 경쟁 지표였습니다.
하지만 최근에는 또 하나의 기술이 빠르게 중요해지고 있습니다.
바로 첨단 패키징(Advanced Packaging)입니다.
반도체를 만든 뒤 단순히 보호 케이스에 넣는 기술처럼 보일 수 있지만, 오늘날의 패키징은 훨씬 더 복잡한 역할을 담당합니다.
여러 개의 반도체를 매우 가깝게 연결해 하나의 거대한 시스템처럼 움직이도록 만드는 기술이 되고 있기 때문입니다.
반도체가 커질수록 하나의 칩으로 만들기 어려워집니다
AI 반도체는 점점 더 많은 연산을 처리해야 합니다.
더 높은 성능을 만들려면 더 많은 트랜지스터와 더 복잡한 회로가 필요합니다.
하지만 하나의 칩 크기를 계속 키우는 데에는 한계가 있습니다.
칩이 커질수록 웨이퍼에서 생산할 수 있는 칩의 수가 줄어들고,
일부에 작은 결함이 생겨도 전체 칩을 사용할 수 없게 될 가능성이 높아집니다.
생산 비용 역시 증가할 수 있습니다.
그래서 최근에는 하나의 거대한 칩을 만드는 대신 여러 개의 작은 칩을 만든 뒤 다시 연결하는 방식이 주목받고 있습니다.
이 작은 칩을 칩렛(Chiplet)이라고 부릅니다.
칩렛은 하나의 칩을 여러 조각으로 나누는 방식입니다
칩렛은 복잡한 반도체를 여러 개의 작은 기능 단위로 나누어 만드는 방식입니다.
예를 들어 하나의 거대한 반도체 안에
연산을 담당하는 칩,
입출력을 담당하는 칩,
메모리를 제어하는 칩 등을 모두 넣는 대신
각 기능을 별도의 칩으로 만든 뒤 하나의 패키지 안에서 연결할 수 있습니다.
이 방식에는 여러 장점이 있습니다.
모든 기능을 가장 최신 공정으로 만들 필요가 없다는 것도 그중 하나입니다.
연산 성능이 중요한 부분은 최신 미세공정을 사용하고,
상대적으로 공정 미세화의 효과가 적은 입출력 기능은 검증된 기존 공정을 사용하는 방식으로 구성할 수 있습니다.
필요한 기능에 맞는 공정을 선택할 수 있기 때문에 비용과 설계 효율 측면에서 유리할 수 있습니다.
하지만 여러 개로 나눈 칩이 제대로 작동하려면 새로운 문제가 생깁니다.
칩과 칩 사이를 얼마나 빠르게 연결할 것인가입니다.
그래서 패키징이 성능을 결정하기 시작했습니다
서로 떨어진 두 반도체 사이에서 데이터를 이동시키는 데에는 시간이 필요합니다.
거리가 멀어질수록 신호 전달에 필요한 전력도 증가할 수 있습니다.
따라서 여러 칩을 하나의 시스템으로 사용하려면 칩 사이의 거리를 줄이고, 많은 데이터를 빠르게 주고받을 수 있도록 연결해야 합니다.
첨단 패키징은 바로 이 역할을 담당합니다.
기존의 패키징이 완성된 반도체를 보호하고 외부 기판과 연결하는 역할에 가까웠다면,
첨단 패키징은 여러 반도체를 고속으로 연결해 하나의 시스템으로 만드는 기술에 가까워지고 있습니다.
이 때문에 반도체 성능을 결정하는 기준도 변하고 있습니다.
이제는 개별 칩의 성능뿐 아니라
칩을 얼마나 가깝게 배치하고, 얼마나 빠르게 연결할 수 있는지도 중요합니다.
2.5D 패키징은 여러 칩을 가까이 연결합니다
AI 반도체에서 자주 등장하는 방식 가운데 하나가 2.5D 패키징입니다.
2.5D 패키징에서는 GPU나 AI 가속기, HBM 같은 여러 반도체를 하나의 연결 구조 위에 나란히 배치합니다.
칩들이 일반적인 기판보다 훨씬 가까운 거리에서 데이터를 주고받을 수 있도록 만드는 것입니다.
특히 AI 시스템에서는 GPU와 HBM 사이에서 엄청난 양의 데이터가 이동합니다.
앞선 글에서 살펴본 것처럼 HBM의 장점은 데이터를 매우 빠르게 전달할 수 있다는 점입니다.
하지만 HBM 자체가 빨라도 GPU와의 연결이 느리다면 그 장점을 충분히 활용하기 어렵습니다.
그래서 GPU와 여러 개의 HBM을 하나의 패키지 안에서 고속으로 연결하는 기술이 중요해지고 있습니다.
TSMC의 CoWoS 같은 기술도 이러한 방식으로 로직 칩과 여러 HBM을 하나의 패키지에 통합해 높은 연산 성능과 메모리 대역폭을 구현하는 데 사용됩니다.
3D 패키징은 칩을 위로 쌓습니다
2.5D가 칩을 가까이 나란히 배치하는 방식이라면,
3D 패키징은 여러 개의 칩을 위아래로 쌓는 방식입니다.
칩을 수직으로 배치하면 연결 거리를 더욱 줄일 수 있습니다.
같은 면적에 더 많은 기능을 넣을 수도 있습니다.
특히 칩 사이의 데이터를 빠르게 이동시키면서 전력 소비를 줄이는 데 유리할 수 있습니다.
이미 반도체 업계에서는 여러 종류의 3D 적층 기술이 개발되고 있습니다.
칩과 칩을 매우 촘촘한 연결로 직접 이어 데이터 전송 속도와 전력 효율을 높이는 방식도 등장하고 있습니다.
결국 반도체는 평면 위에서만 커지는 것이 아니라,
위로 쌓이고 옆으로 연결되는 구조로 발전하고 있는 것입니다.
HBM 역시 첨단 패키징과 함께 봐야 합니다
HBM을 이해할 때도 패키징은 빼놓을 수 없습니다.
HBM은 여러 개의 DRAM을 수직으로 쌓아 만든 메모리입니다.
그리고 이렇게 만들어진 HBM을 다시 GPU나 AI 가속기와 매우 가까운 곳에 배치해야 합니다.
즉 AI 반도체 시스템에서는
GPU,
HBM,
칩렛,
연결 구조가 모두 하나의 패키지 안에서 함께 작동해야 합니다.
그래서 HBM 수요가 증가할수록 첨단 패키징 생산 능력 역시 중요해지고 있습니다.
실제로 주요 반도체 기업들은 AI·HPC용 반도체를 위해 2.5D·3D 통합과 고대역폭 메모리를 연결하는 패키징 기술을 계속 확대하고 있습니다.
첨단 패키징은 서로 다른 반도체를 섞을 수 있게 합니다
칩렛과 첨단 패키징이 가져오는 또 하나의 변화는 이종 집적(Heterogeneous Integration)입니다.
쉽게 말하면 서로 다른 종류의 반도체를 하나의 패키지 안에 함께 넣는 것입니다.
연산용 칩,
메모리,
입출력용 반도체,
통신용 반도체처럼 서로 다른 역할을 담당하는 칩을 하나의 시스템으로 구성할 수 있습니다.
필요하다면 서로 다른 제조 공정에서 만들어진 칩도 조합할 수 있습니다.
이렇게 되면 제품마다 필요한 기능을 조합하는 방식도 더욱 유연해질 수 있습니다.
하나의 거대한 칩을 처음부터 다시 설계하는 것이 아니라,
이미 검증된 여러 기능을 조합해 새로운 반도체 시스템을 만드는 방식이 가능해지는 것입니다.
하지만 칩을 많이 연결한다고 끝나는 것은 아닙니다
첨단 패키징에는 해결해야 할 문제도 많습니다.
칩 사이의 연결이 많아질수록 설계와 검증은 복잡해집니다.
여러 개의 고성능 반도체가 좁은 공간에서 작동하기 때문에 발열 관리도 중요합니다.
전력이 안정적으로 공급되어야 하고,
수많은 연결이 오류 없이 작동하는지도 확인해야 합니다.
생산 과정에서 하나의 칩이나 연결에 문제가 생기면 전체 패키지의 품질에 영향을 줄 수도 있습니다.
그래서 첨단 패키징 경쟁에는 단순한 조립 기술뿐 아니라
설계,
제조,
열 관리,
전력 공급,
검사 기술까지 함께 필요합니다.
최근 2.5D·3D 반도체 설계에서도 수율과 신뢰성, 검증, 패키징을 함께 고려해야 한다는 점이 강조되고 있습니다.
반도체 경쟁은 ‘작게 만드는 것’에서 ‘잘 연결하는 것’으로 넓어지고 있습니다
미세공정 경쟁은 앞으로도 중요합니다.
더 작은 공정으로 반도체를 만드는 것은 성능과 전력 효율을 높이는 핵심 기술이기 때문입니다.
하지만 이제 미세공정만으로 반도체 성능을 계속 높이는 데에는 점점 더 많은 비용과 기술적 어려움이 필요합니다.
그래서 반도체 산업은 또 다른 방향을 함께 발전시키고 있습니다.
하나의 거대한 칩을 만드는 대신 작은 칩으로 나누고,
필요한 기능을 조합하고,
HBM 같은 고성능 메모리를 가까이 배치하고,
첨단 패키징으로 이 모든 반도체를 빠르게 연결하는 것입니다.
결국 미래의 반도체 경쟁은
누가 더 작은 칩을 만들 수 있는가만으로 결정되지 않을 가능성이 큽니다.
어떤 칩을 선택하고,
어떻게 배치하고,
얼마나 빠르고 효율적으로 연결할 수 있는가까지 함께 중요해지고 있습니다.
반도체 기술의 중심이
‘칩 하나의 성능’에서 ‘여러 칩이 함께 만드는 시스템의 성능’으로 확장되고 있는 것입니다.
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