반도체 패키징이란 무엇일까?
삼성전자·SK하이닉스·Micron은 왜 HBM을 놓고 경쟁할까?
반도체를 만드는 과정을 떠올리면 보통 웨이퍼와 EUV부터 생각합니다.
웨이퍼 위에 아주 작은 회로를 그리고,
트랜지스터를 만들고,
수많은 공정을 반복합니다.
그렇게 좋은 반도체 칩을 만들면 모든 일이 끝난 것처럼 느껴집니다.
하지만 실제로는 그렇지 않습니다.
웨이퍼에서 잘라낸 작은 반도체 칩은 그 상태로 컴퓨터에 바로 사용할 수 없습니다.
전기도 공급해야 하고,
다른 반도체와 데이터를 주고받아야 하며,
외부 충격과 열에서도 보호해야 합니다.
그래서 마지막에 반드시 필요한 과정이 있습니다.
바로 반도체 패키징(Semiconductor Packaging)입니다.
과거에는 패키징을 단순히
“완성된 반도체를 포장하는 과정”
정도로 생각하기 쉬웠습니다.
하지만 AI 시대에는 완전히 달라졌습니다.
GPU와 HBM 같은 여러 반도체를 아주 가까이 배치하고,
수많은 초미세 배선으로 연결해야 하기 때문입니다.
이제 패키징은 단순한 포장이 아니라 반도체 성능을 결정하는 핵심 기술이 되고 있습니다.
패키징을 한 문장으로 설명하면?
반도체 패키징은
웨이퍼에서 잘라낸 반도체 칩을 보호하고, 전기와 데이터를 외부 및 다른 칩과 연결해 실제 제품으로 사용할 수 있게 만드는 과정
입니다.
쉽게 말하면
칩을 실제 세상과 연결하는 기술
입니다.
웨이퍼에서 잘라낸 칩은 그대로 사용할 수 있을까?
아닙니다.
앞에서 배운 것처럼 웨이퍼에는 같은 반도체 회로가 여러 개 만들어집니다.
웨이퍼를 검사한 뒤 각각을 잘라냅니다.
이렇게 잘라낸 작은 반도체 조각을 다이(Die)라고 합니다.
그런데 다이는 매우 작고 약합니다.
손으로 잡기도 어렵고,
메인보드에 바로 꽂을 수도 없습니다.
칩에는 수많은 연결이 필요하다
CPU 하나를 생각해보겠습니다.
CPU는 혼자 움직이지 않습니다.
DRAM과 데이터를 주고받습니다.
SSD와도 연결됩니다.
그래픽카드와도 통신합니다.
전원도 받아야 합니다.
즉 칩 안의 회로와 외부 세계를 연결하는 수많은 전기 통로가 필요합니다.
패키징이 바로 이 연결을 만들어줍니다.
스마트폰 케이스와는 완전히 다르다
‘패키징’이라는 말을 들으면 제품 포장상자를 생각하기 쉽습니다.
하지만 반도체 패키징은 단순히 겉을 감싸는 과정이 아닙니다.
물론 칩을 보호하는 역할도 합니다.
하지만 더 중요한 역할은
전기 연결
데이터 연결
열 배출
입니다.
즉 패키징 자체가 하나의 정밀한 전자 시스템입니다.
집을 지었다면 도로도 만들어야 한다
반도체 칩을 하나의 도시라고 생각해보겠습니다.
도시 안에는
집,
학교,
공장,
회사
가 완벽하게 만들어져 있습니다.
그런데 도시 밖으로 나가는 도로가 하나도 없습니다.
전기도 들어오지 않습니다.
수도도 없습니다.
그러면 아무리 좋은 도시라도 사용할 수 없습니다.
반도체도 같습니다.
칩 내부 회로가 아무리 뛰어나도 외부와 연결되지 않으면 실제 제품으로 사용할 수 없습니다.
패키징의 첫 번째 역할: 칩을 보호한다
반도체 다이는 매우 작고 얇습니다.
충격을 받으면 깨질 수 있습니다.
수분이나 먼지 같은 외부 환경도 문제가 될 수 있습니다.
그래서 패키지는 칩을 외부 환경으로부터 보호합니다.
이것이 가장 기본적인 역할입니다.
두 번째 역할: 전기를 공급한다
반도체는 전기가 있어야 작동합니다.
메인보드나 다른 회로에서 들어온 전기를 칩 내부까지 전달해야 합니다.
패키징에는 이 전기를 전달하는 연결구조가 들어갑니다.
세 번째 역할: 데이터를 주고받는다
CPU와 DRAM이 데이터를 주고받고,
GPU와 HBM이 데이터를 주고받고,
칩과 메인보드가 신호를 주고받습니다.
이 모든 데이터가 패키지 안의 배선을 통해 이동합니다.
그래서 패키지의 연결 구조가 좋지 않으면 칩 성능을 제대로 사용할 수 없습니다.
네 번째 역할: 열을 밖으로 빼낸다
반도체가 계산하면 열이 발생합니다.
특히 고성능 CPU나 GPU는 많은 열을 발생시킬 수 있습니다.
이 열을 제대로 밖으로 배출하지 못하면 온도가 올라갑니다.
온도가 너무 올라가면 성능을 낮춰야 할 수도 있고 안정성에도 영향을 줄 수 있습니다.
그래서 패키징은 열 관리에서도 매우 중요합니다.
패키징이 왜 갑자기 중요해졌을까?
예전에는 하나의 큰 칩 안에 많은 기능을 넣는 방식이 중심이었습니다.
CPU 하나를 만들고,
GPU 하나를 만들고,
메모리는 주변에 별도로 배치했습니다.
하지만 반도체가 계속 발전하면서 하나의 칩만 크게 만드는 것이 점점 어려워지고 있습니다.
칩이 커지면 어떤 문제가 생길까?
큰 웨이퍼 위에 아주 큰 칩 하나를 만든다고 생각해보겠습니다.
칩 면적이 커질수록 불량이 하나라도 발생할 가능성이 커질 수 있습니다.
앞에서 배운 수율 문제가 생깁니다.
작은 칩은 정상인데 큰 칩은 일부에 결함이 생겨 전체를 버려야 할 수도 있습니다.
그래서 무조건 큰 칩 하나를 만드는 것이 항상 효율적이지 않습니다.
큰 피자와 작은 피자를 생각해보자
아주 큰 피자 한 판을 만들었습니다.
그런데 가운데가 탔습니다.
전체 상품 가치가 크게 떨어집니다.
반대로 작은 피자를 여러 판 만들면 한 판에 문제가 생겨도 나머지는 사용할 수 있습니다.
반도체에서도 비슷한 생각이 등장합니다.
그래서 여러 작은 칩을 연결한다
하나의 거대한 반도체를 만드는 대신
CPU 기능을 하는 작은 칩,
입출력을 담당하는 작은 칩,
AI 계산을 담당하는 작은 칩
을 각각 만들고 나중에 연결할 수 있습니다.
이런 작은 반도체 조각을 Chiplet(칩렛)이라고 부릅니다.
다음 글에서 자세히 배우게 됩니다.
칩렛 시대에는 패키징이 더 중요해진다
큰 칩 하나를 사용할 때는 칩 내부 배선을 이용하면 됩니다.
하지만 여러 칩렛을 나누면 칩과 칩 사이를 연결해야 합니다.
이 연결이 느리다면 여러 칩을 나눈 장점이 사라질 수 있습니다.
그래서
칩을 잘 만드는 기술
과 함께
칩끼리 빠르게 연결하는 기술
이 중요해졌습니다.
AI 시대에는 왜 더 중요할까?
AI용 GPU를 생각해보겠습니다.
GPU 하나가 혼자 있는 것이 아닙니다.
GPU 주변에는 여러 개의 HBM이 배치될 수 있습니다.
GPU와 HBM 사이에는 엄청난 양의 데이터가 이동합니다.
앞에서 배웠듯이 HBM은 매우 높은 메모리 대역폭을 제공하기 위해 만들어진 메모리입니다.
그런데 GPU와 HBM을 멀리 떨어뜨려 놓으면 어떻게 될까요?
HBM의 장점을 제대로 사용하기 어렵습니다.
천재와 도서관이 멀리 떨어져 있다면?
GPU를 천재 연구원이라고 생각해보겠습니다.
HBM은 초고속 자료실입니다.
그런데 자료실이 건물 반대편 10km 거리에 있습니다.
자료는 많지만 가져오는 데 시간이 걸립니다.
그래서 연구원 바로 옆에 자료실을 붙입니다.
AI 반도체 패키징은 GPU와 HBM을 매우 가까이 배치하는 역할을 합니다.
가까이 놓기만 하면 끝일까?
아닙니다.
GPU와 HBM 사이에는 엄청나게 많은 데이터가 이동해야 합니다.
따라서 단순히 물리적으로 가까운 것만으로는 부족합니다.
수많은 전기 연결통로도 필요합니다.
이때 아주 미세하고 촘촘한 배선을 만드는 패키징 기술이 중요합니다.
일반 메인보드 배선으로 부족할 수 있다
컴퓨터 메인보드에도 많은 배선이 있습니다.
하지만 GPU와 HBM 사이처럼 매우 많은 데이터를 짧은 시간에 전달하려면 더 촘촘한 연결이 필요합니다.
그래서 기존 회로기판보다 훨씬 정밀한 연결 구조가 사용됩니다.
인터포저가 다시 등장한다
앞에서 HBM을 설명하면서 인터포저(Interposer)를 잠깐 배웠습니다.
인터포저는
여러 반도체 사이에 놓여 아주 촘촘한 배선으로 칩들을 연결해주는 중간 연결판
이라고 생각하면 됩니다.
환승역이라고 생각하면 쉽다
GPU라는 도시가 있습니다.
HBM 도시가 여러 개 있습니다.
각 도시가 직접 복잡하게 도로를 만들면 매우 어렵습니다.
중간에 거대한 환승역을 만들고
모든 도시를 연결합니다.
인터포저가 비슷한 역할을 합니다.
실리콘 인터포저란 무엇일까?
인터포저를 만드는 소재로 실리콘을 사용할 수 있습니다.
이를 실리콘 인터포저라고 합니다.
실리콘에서는 반도체 제조기술을 활용해 매우 미세한 배선을 만들 수 있습니다.
그래서 GPU와 HBM 사이처럼 많은 연결이 필요한 곳에 유리합니다.
GPU와 HBM을 한 패키지에 넣어보자
아주 단순하게 구조를 그리면 이렇게 생각할 수 있습니다.
HBM HBM
↓ ↓
GPU
↓
인터포저
↓
패키지 기판
↓
메인보드
실제로는 훨씬 복잡하지만 핵심은
GPU와 HBM을 하나의 작은 공간에 매우 촘촘하게 연결한다
는 것입니다.
2D 패키징이란 무엇일까?
반도체 패키징을 설명할 때
2D,
2.5D,
3D
라는 표현이 등장합니다.
먼저 2D부터 알아보겠습니다.
2D 패키징은 칩을 기판 위에 비교적 평면적으로 배치하는 방식으로 생각하면 됩니다.
칩들이 같은 층에 나란히 놓입니다.
2.5D 패키징은 무엇일까?
2.5D 패키징에서는 여러 칩을 인터포저 위에 매우 가깝게 배치합니다.
GPU와 HBM을 연결할 때 대표적으로 떠올릴 수 있는 구조입니다.
완전히 위아래로 쌓는 3D 구조는 아니지만 일반적인 평면 배치보다 훨씬 촘촘하게 연결할 수 있습니다.
그래서 2.5D라고 부릅니다.
왜 2.5라는 숫자를 쓸까?
쉽게 생각하면
2D처럼 옆에 놓여 있지만,
연결 방식은 일반적인 평면 구조보다 훨씬 입체적이고 정교하기 때문입니다.
정확한 공학적 구조는 제품마다 다르지만 초보자는
2D와 완전한 3D 적층의 중간 단계
정도로 이해하면 됩니다.
3D 패키징은 무엇일까?
3D 패키징은 반도체를 실제로 위아래로 쌓는 방식입니다.
칩 A 위에
칩 B를 올리고,
그 위에 또 다른 칩을 올릴 수 있습니다.
이렇게 하면 칩 사이의 거리를 크게 줄일 수 있습니다.
고층 아파트처럼 칩을 쌓는다
넓은 땅에 건물을 계속 옆으로 지으면 공간이 부족합니다.
그래서 위로 쌓아 고층 건물을 만듭니다.
반도체에서도 비슷한 아이디어를 사용할 수 있습니다.
특히 공간과 연결거리가 중요해질수록 3D 구조가 매력적일 수 있습니다.
HBM 자체도 3D 구조다
앞에서 HBM은 여러 DRAM 다이를 위로 쌓는다고 배웠습니다.
즉 HBM 자체가 이미 3차원 적층 기술을 적극적으로 사용하는 제품입니다.
여러 DRAM을 쌓고 TSV를 통해 연결합니다.
그리고 이 HBM을 GPU 옆에 다시 배치해 하나의 큰 패키지를 만듭니다.
AI 반도체는 이렇게 여러 단계의 패키징 기술이 결합됩니다.
TSV도 패키징 시대에 중요하다
TSV는 Through-Silicon Via의 약자입니다.
칩을 위아래로 관통하는 미세한 전기 통로입니다.
여러 반도체를 수직으로 쌓으려면 층 사이를 연결해야 합니다.
그래서 TSV 같은 기술이 3D 적층에서 중요합니다.
엘리베이터 비유를 다시 떠올려보자
20층 건물에서 사람들이 1층부터 20층까지 이동해야 합니다.
건물 밖으로 나가 계단을 돌아 올라가는 것보다 내부 엘리베이터가 훨씬 빠릅니다.
TSV가 바로 이런 수직 연결 통로입니다.
패키징에서는 범프라는 것도 중요하다
칩과 기판을 연결할 때 아주 작은 금속 접점을 사용할 수 있습니다.
이를 흔히 범프(Bump)라고 합니다.
작은 금속 돌기가 칩과 다른 구조를 전기적으로 연결합니다.
범프를 작은 플러그라고 생각해보자
집 안에 전자제품을 연결하려면 콘센트와 플러그가 필요합니다.
반도체에서도 칩과 기판 사이에 아주 작은 연결점이 필요합니다.
범프가 이런 역할을 합니다.
연결점을 더 작게 만들면 어떤 장점이 있을까?
연결점이 작아지면 같은 면적에 더 많은 연결을 넣을 수 있습니다.
GPU와 HBM 사이에는 엄청나게 많은 데이터 통로가 필요하기 때문에 작은 연결점을 촘촘하게 만드는 것이 중요합니다.
그래서 미세 범프(Micro Bump) 같은 기술이 사용됩니다.
그런데 범프도 계속 작게 만들 수 있을까?
범프 크기를 줄일수록 제조가 어려워집니다.
정렬이 조금만 틀려도 연결에 문제가 생길 수 있습니다.
전기 저항이나 열 문제도 관리해야 합니다.
그래서 더 발전된 방식으로 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding) 같은 기술도 중요해지고 있습니다.
하이브리드 본딩이란 무엇일까?
하이브리드 본딩은 아주 쉽게 설명하면
칩과 칩을 더욱 촘촘하고 직접적으로 붙여 연결하는 차세대 기술
입니다.
기존의 큰 범프를 줄이거나 다른 방식으로 매우 미세한 연결을 만드는 데 활용될 수 있습니다.
레고 블록 사이의 간격을 줄이는 것
레고 블록 두 개를 연결하는데 중간에 커다란 연결부품이 있다고 생각해보겠습니다.
블록 사이가 멀어집니다.
반대로 아주 얇고 정밀하게 직접 연결한다면 블록을 훨씬 가까이 붙일 수 있습니다.
반도체에서도 칩 사이 거리를 줄이면 데이터 이동에 유리할 수 있습니다.
왜 데이터 이동 거리가 중요할까?
데이터는 이동할 때 시간과 전력을 사용합니다.
CPU에서 멀리 떨어진 메모리까지 데이터를 보내는 것보다
바로 옆의 메모리와 데이터를 주고받는 것이 더 효율적일 수 있습니다.
그래서 현대 반도체에서는
계산장치와 메모리를 최대한 가까이 배치하려는 방향
이 중요해지고 있습니다.
패키징은 성능에도 영향을 준다
과거 패키징의 가장 중요한 역할은
칩 보호,
외부 연결
이었습니다.
하지만 현대에는 패키징 구조에 따라
데이터 전달 속도,
전력 효율,
발열,
전체 반도체 크기
가 달라질 수 있습니다.
즉 패키징이 실제 시스템 성능에 직접 영향을 줍니다.
자동차 엔진을 생각해보자
세계 최고의 엔진을 만들었습니다.
그런데
변속기가 좋지 않고,
연료 공급이 느리고,
냉각장치가 부족합니다.
엔진의 최고 성능을 사용할 수 없습니다.
반도체도 같습니다.
칩 자체만 빨라도 연결과 전력, 냉각이 따라오지 못하면 전체 성능이 제한됩니다.
미세공정만으로 성능을 올리기 어려워지고 있다
과거에는 트랜지스터를 계속 작게 만들면서 반도체 성능을 크게 높일 수 있었습니다.
7나노,
5나노,
3나노
처럼 미세공정이 발전했습니다.
하지만 공정이 작아질수록 기술적으로 어려워지고 비용도 커집니다.
그래서 새로운 방법이 중요해졌습니다.
바로 여러 칩을 효율적으로 연결하는 것입니다.
한 명의 천재보다 팀워크가 중요해진다
과거에는
“더 강력한 칩 하나를 만들자.”
라는 생각이 중요했다면
점점
“여러 개의 좋은 칩을 어떻게 하나의 시스템처럼 움직이게 할까?”
가 중요해지고 있습니다.
이때 패키징이 팀워크를 만들어줍니다.
칩렛과 패키징은 한 세트다
칩렛은 큰 칩을 여러 작은 칩으로 나누는 기술입니다.
하지만 작은 칩을 만든 뒤 서로 연결하지 못하면 아무 의미가 없습니다.
따라서
Chiplet
과
Advanced Packaging
은 함께 발전해야 합니다.
왜 칩렛을 사용할까?
큰 칩 하나를 만들 때보다 작은 칩 여러 개를 만들면
수율,
비용,
기능 구성
측면에서 장점이 생길 수 있습니다.
또 필요한 기능마다 다른 공정을 사용할 수도 있습니다.
예를 들어
계산 부분은 최신 공정,
입출력 부분은 조금 오래된 공정
으로 만들 수도 있습니다.
모든 방을 최고급 자재로 만들 필요는 없다
집을 지을 때 화장실 손잡이까지 최고급 대리석으로 만들 필요는 없습니다.
가장 중요한 곳에는 비싼 재료를 쓰고,
덜 중요한 곳에는 적절한 재료를 사용할 수 있습니다.
칩렛도 비슷합니다.
모든 기능을 가장 비싼 첨단공정으로 만들 필요가 없을 수 있습니다.
이것이 비용 경쟁력으로 연결될 수 있다
최신 공정은 비쌉니다.
큰 칩 전체를 최신 공정으로 만들면 비용이 많이 들어갑니다.
하지만 핵심 계산칩만 최신 공정을 사용하고 다른 기능은 성숙 공정을 사용하면 전체 비용을 조절할 수 있습니다.
패키징이 이 서로 다른 칩을 하나로 연결합니다.
AMD CPU에서도 칩렛 개념이 잘 알려져 있다
CPU 분야에서도 큰 칩 하나 대신 여러 작은 다이를 조합하는 구조가 사용됩니다.
이런 방식의 성공은 칩렛과 첨단 패키징이 실제 고성능 반도체에서 얼마나 중요해졌는지를 보여줍니다.
AI에서는 더 복잡하다
AI 가속기는
GPU,
HBM,
입출력 칩,
네트워크 기능
등 여러 요소가 필요합니다.
앞으로 더 다양한 칩렛을 하나의 패키지 안에서 연결하는 구조가 확대될 수 있습니다.
그래서 패키징 기술은 AI 반도체의 핵심 경쟁 분야가 됩니다.
패키징에도 수율이 있다
좋은 GPU를 만들었습니다.
좋은 HBM도 만들었습니다.
그런데 마지막 패키징 과정에서 연결이 잘못되었습니다.
그러면 비싼 GPU와 HBM 전체를 사용할 수 없게 될 수도 있습니다.
따라서 첨단 패키징에서도 수율이 매우 중요합니다.
비싼 부품일수록 마지막 실수가 더 아프다
10원짜리 부품 두 개를 연결하다 실패하는 것과
매우 비싼 GPU와 HBM을 연결하다 실패하는 것은 손실 크기가 다릅니다.
AI용 반도체는 들어가는 부품 자체가 매우 비싸기 때문에 패키징 수율이 경제성에 큰 영향을 줄 수 있습니다.
패키징에서는 검사도 중요하다
어느 연결이 잘못됐는지,
신호가 정상인지,
열 문제는 없는지,
장시간 작동해도 괜찮은지
검사해야 합니다.
그래서 첨단 패키징은
조립 기술
검사 기술
이 함께 필요합니다.
OSAT란 무엇일까?
반도체 산업에서는 패키징과 테스트를 전문으로 하는 기업들이 있습니다.
이를 OSAT라고 부릅니다.
OSAT는
Outsourced Semiconductor Assembly and Test
의 약자입니다.
쉽게 말하면
반도체 조립과 테스트를 전문적으로 대신해주는 회사
입니다.
그런데 파운드리도 패키징을 한다
현대 첨단 패키징에서는 파운드리 기업의 역할도 커지고 있습니다.
고성능 GPU처럼 제조공정과 패키징을 매우 긴밀하게 연결해야 하는 제품이 늘고 있기 때문입니다.
즉 패키징 산업의 경계가 과거보다 복잡해지고 있습니다.
왜 파운드리가 패키징까지 중요하게 볼까?
GPU를 실제 웨이퍼에서 만든 회사가 있습니다.
그 GPU를 HBM과 연결해야 합니다.
이 연결이 최종 성능에 매우 중요합니다.
그렇다면 제조와 패키징을 서로 완전히 따로 관리하는 것보다 함께 최적화하는 것이 유리할 수 있습니다.
그래서 첨단 파운드리 경쟁은 이제
웨이퍼 제조 + 첨단 패키징
까지 넓어지고 있습니다.
CoWoS라는 이름이 등장한다
AI 반도체 기사에서 자주 등장하는 기술이 CoWoS입니다.
CoWoS는 TSMC의 첨단 패키징 기술 계열 중 하나입니다.
GPU와 여러 HBM을 매우 가까이 배치해 고속으로 연결하는 데 중요한 역할을 합니다.
CoWoS는 다음다음 글에서 따로 자세히 배우게 됩니다.
패키징 생산능력도 병목이 될 수 있다
GPU를 충분히 만들었습니다.
HBM도 충분합니다.
그런데 첨단 패키징을 처리할 수 있는 생산라인이 부족합니다.
그러면 최종 AI 가속기를 충분히 만들지 못합니다.
즉 AI 시대에는 패키징 생산능력 자체가 공급망의 병목이 될 수 있습니다.
자동차 조립공장이 부족한 상황
엔진이 100만 개 있습니다.
배터리도 100만 개 있습니다.
타이어도 충분합니다.
그런데 자동차 조립공장에서 연간 30만 대밖에 조립하지 못합니다.
최종 자동차 생산량은 30만 대 수준에 제한됩니다.
AI 반도체에서도 비슷한 일이 생길 수 있습니다.
그래서 패키징 투자가 중요해진다
과거에는 반도체 투자를 이야기하면
웨이퍼 공장,
EUV,
미세공정
을 먼저 생각했습니다.
하지만 AI 시대에는
첨단 패키징 시설,
본딩 장비,
검사장비
등도 중요한 투자 분야가 되고 있습니다.
패키징은 후공정일까?
반도체 제조를 크게 나누면
웨이퍼 위에 회로를 만드는 과정을 전공정,
웨이퍼를 자르고 패키징하고 검사하는 과정을 후공정
이라고 부르기도 합니다.
전통적으로 패키징은 후공정에 속합니다.
하지만 AI 시대에는 ‘후공정’이라는 말 때문에 중요도가 낮다고 오해하면 안 됩니다.
후공정이라고 중요도가 낮은 것은 아니다
축구경기를 생각해보겠습니다.
전반전이 중요하다고 후반전이 덜 중요한 것은 아닙니다.
반도체도 마찬가지입니다.
전공정에서 칩을 아무리 잘 만들어도 후공정에서 제대로 연결하지 못하면 제품이 완성되지 않습니다.
특히 첨단 패키징에서는 후공정 자체가 성능을 결정할 수 있습니다.
앞으로 반도체 경쟁은 세 가지가 함께 간다
미래 반도체 경쟁은 크게 세 축으로 볼 수 있습니다.
첫 번째, 미세공정
더 좋은 트랜지스터를 만듭니다.
두 번째, 칩렛
큰 칩을 여러 작은 칩으로 나눕니다.
세 번째, 첨단 패키징
작은 칩을 매우 빠르게 연결합니다.
이 세 기술이 함께 발전합니다.
레고로 반도체를 만드는 시대
아주 쉽게 표현하면 미래 반도체는 점점 레고와 비슷해질 수 있습니다.
CPU 블록,
GPU 블록,
메모리 블록,
입출력 블록
을 각각 잘 만듭니다.
그리고 필요한 제품에 맞춰 조합합니다.
그런데 레고 블록 사이의 연결이 느리면 하나의 제품처럼 움직일 수 없습니다.
그래서 연결 기술이 핵심입니다.
패키징은 단순히 ‘싸는 기술’이 아니다
오늘 가장 중요한 내용을 다시 강조하겠습니다.
반도체 패키징은
칩을 플라스틱으로 감싸는 기술이 아닙니다.
현대의 첨단 패키징은
여러 반도체를 하나의 시스템으로 만드는 기술
입니다.
AI 시대의 패키징을 한 문장으로 표현하면
GPU는 계산합니다.
HBM은 데이터를 공급합니다.
Chiplet은 기능을 나눕니다.
패키징은 이 모든 칩을 하나의 반도체처럼 움직이게 연결합니다.
그래서 AI 시대에는 칩을 만드는 것만큼 연결하는 것이 중요해졌습니다.
오늘 내용 한눈에 정리하기
오늘은 여덟 가지를 기억하면 됩니다.
첫째, 반도체 패키징은 웨이퍼에서 잘라낸 칩을 보호하고 외부와 전기적으로 연결해 실제 제품으로 만드는 과정입니다.
둘째, 현대 패키징은 단순한 포장이 아니라 데이터 연결·전력 공급·열 관리까지 담당하는 핵심 기술입니다.
셋째, AI GPU와 HBM 사이에는 엄청난 양의 데이터가 이동하기 때문에 두 칩을 가깝고 촘촘하게 연결해야 합니다.
넷째, 인터포저·TSV·미세 범프·하이브리드 본딩 같은 기술이 첨단 패키징에서 중요합니다.
다섯째, 2.5D 패키징은 여러 칩을 인터포저 위에 가깝게 배치하는 방식이며 GPU와 HBM 같은 고성능 시스템에서 중요합니다.
여섯째, 3D 패키징은 칩을 위아래로 쌓아 연결거리를 줄이는 방식입니다.
일곱째, Chiplet이 발전할수록 여러 작은 칩을 하나의 시스템처럼 연결해야 하기 때문에 패키징의 중요성이 더욱 커집니다.
여덟째, 앞으로 반도체 경쟁은 미세공정만이 아니라 칩렛과 첨단 패키징을 얼마나 잘 결합하느냐의 경쟁이 됩니다.
그렇다면 큰 반도체 하나를 왜 여러 개로 나눌까?
여기까지 배우면 다음 질문이 자연스럽게 생깁니다.
최고의 반도체가 필요하다면 그냥 아주 큰 칩 하나를 만들면 되지 않을까요?
왜 굳이 작은 칩 여러 개를 만든 뒤 다시 패키징으로 연결할까요?
이유는
수율,
비용,
미세공정,
설계 유연성
과 관련이 있습니다.
큰 반도체 하나를 만들기 어려워지면서 업계에서는 필요한 기능을 여러 작은 칩으로 나눈 뒤 다시 연결하는 Chiplet이라는 방법을 적극적으로 사용하고 있습니다.
그리고 Chiplet은 미래 반도체 구조를 이해하는 데 매우 중요한 개념입니다.
다음 글에서는
「Chiplet이란 무엇일까?｜큰 반도체 하나 대신 작은 반도체를 합치는 방법」
을 통해 왜 반도체가 점점 레고 블록처럼 변하고 있는지 알아보겠습니다.
첨단 패키징의 성능을 결정하는 요소
| 요소 | 역할 | 주요 과제 |
|---|---|---|
| 칩 간 연결 | 로직·메모리·칩렛 사이의 데이터 이동 | 대역폭·지연·신호 무결성 |
| 전력 공급 | 각 다이에 안정적으로 전력 전달 | 전압 강하와 전력 밀도 |
| 열 관리 | 발생한 열을 외부로 배출 | 적층 구조의 핫스폿 |
| 조립 수율 | 여러 다이를 하나의 제품으로 완성 | 한 부품의 결함이 전체 가치에 미치는 영향 |
첨단 패키징은 칩을 보호하는 마무리 공정만이 아니라, 여러 칩을 하나의 시스템처럼 작동시키는 설계 기술입니다. AI 반도체에서는 연산 칩과 HBM의 연결이 대표적인 사례입니다.
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