첨단 패키징과 시스템 레벨 반도체 혁신으로의 전환

컴퓨팅의 각 시대는 이를 가능하게 하는 인프라에 의해 정의되어 왔습니다. 수십 년 동안 반도체 발전은 주로 트랜지스터 스케일링에 의해 주도되었습니다. 더 작은 공정 노드는 성능, 전력 효율, 비용 측면에서 예측 가능한 개선을 제공했습니다.

하지만 AI 시대에 접어들며 이러한 모델은 진화하고 있습니다. 이제 성능은 단일 칩만으로 결정되지 않습니다. 여러 기술이 하나의 통합 시스템으로 얼마나 효과적으로 결합되는지가 성능을 좌우하는 핵심 요소가 되고 있습니다.

AI와 고성능 컴퓨팅, 즉 HPC 워크로드가 빠르게 확대되면서 데이터 이동은 시스템의 주요 병목으로 부상했습니다. 학습 및 추론 플랫폼은 더 높은 메모리 대역폭을 요구하고 있으며, 전력 밀도 증가와 열 제약은 시스템 아키텍처에 추가적인 부담을 주고 있습니다.

이러한 과제는 이종 집적, 즉 특화된 여러 칩을 하나의 패키지 안에 통합해 전체 시스템 성능을 최적화하는 방향으로의 전환을 가속화하고 있습니다.

이에 따라 첨단 패키징은 더 이상 전통적인 후공정 조립 단계에 머무르지 않습니다. 첨단 패키징은 차세대 컴퓨팅 시스템의 설계와 최적화 방식을 결정하는 핵심 아키텍처 계층으로 진화하고 있습니다.

첨단 패키징과 시스템 공동 최적화의 중요성

첨단 패키징의 중요성이 커지고 있는 것은 반도체 성능 확장 방식에 구조적인 변화가 일어나고 있음을 보여줍니다. AI 인프라, HPC 플랫폼, 차량용 컴퓨팅, 첨단 소비자 디바이스는 점점 더 다음과 같은 요구사항을 필요로 하고 있습니다.

• 더 높은 메모리 대역폭과 낮은 지연시간
• 더 효율적이고 안정적인 전력 공급
• 향상된 열 관리
• 대형·복합 설계에 적합한 더 나은 수율 경제성

이제 모놀리식 스케일링만으로는 이러한 요구를 비용 효율적으로 충족하기 어렵습니다. 칩 크기가 커질수록 결함 발생 위험은 증가하고, 열 관리는 더 어려워지며, 설계 유연성도 제한될 수 있습니다. 이종 집적은 이러한 문제에 대한 현실적인 대안입니다. 시스템을 여러 개의 최적화된 다이로 분할하고, 이를 하나의 통합 패키지 안에서 연결함으로써 전체 시스템을 구성할 수 있기 때문입니다.

첨단 패키징은 인터커넥트 거리를 줄이고 컴퓨팅과 메모리를 더 가깝게 배치함으로써 대역폭 활용도, 에너지 효율, 확장성을 크게 개선할 수 있습니다. 동시에 매우 큰 칩에서 발생할 수 있는 수율 리스크를 완화하는 데도 도움이 됩니다. 그 결과, 패키징 관련 의사결정은 이제 칩 설계의 초기 단계부터 시스템 아키텍처에 직접적인 영향을 미치고 있습니다.

이러한 변화는 로직 공정 기술, 메모리 혁신, 패키징 아키텍처 전반에 걸친 새로운 설계 패러다임, 즉 시스템 레벨 공동 최적화를 이끌고 있습니다.

이러한 공동 최적화의 대표적인 예 중 하나가 HBM 베이스 다이입니다. HBM 베이스 다이는 적층된 메모리 다이와 컴퓨팅 디바이스를 연결하는 인터페이스 역할을 합니다. AI 워크로드가 더 높은 메모리 대역폭을 요구함에 따라 컴퓨팅과 메모리 사이의 I/O 채널 수는 계속 증가하고 있으며, 이는 메모리 서브시스템의 I/O 영역에서 소비되는 전력 증가로 이어지고 있습니다.

이를 해결하기 위해 차세대 HBM 아키텍처는 베이스 다이에 첨단 로직 노드를 활용하는 방향으로 발전하고 있습니다. 이를 통해 더 높은 데이터 처리량을 구현하는 동시에 전력 효율을 개선할 수 있습니다. I/O 밀도가 계속 높아지는 상황에서 베이스 다이 최적화는 전체 시스템 효율을 향상시키는 중요한 수단이 되고 있습니다.

첨단 로직 제조, 고대역폭 메모리, 첨단 패키징 플랫폼을 결합함으로써 시스템 설계자는 더 높은 대역폭과 향상된 에너지 효율을 동시에 구현할 수 있습니다. 이는 차세대 AI 및 HPC 시스템에 필수적인 역량입니다.

삼성 Foundry는 첨단 로직, 메모리, 패키징을 하나의 통합 개발 프레임워크 안에서 결합합니다. 이를 통해 보다 긴밀한 시스템 레벨 공동 최적화를 가능하게 하고, 실리콘 혁신을 실제 컴퓨팅 성능으로 구현할 수 있도록 지원합니다.

확장 가능한 통합을 위한 삼성 Foundry의 첨단 패키징 솔루션

시스템 레벨 혁신의 새로운 시대를 지원하기 위해서는 첨단 패키징 플랫폼이 유연한 통합 옵션을 제공해야 합니다. 이를 통해 시스템 아키텍트는 각 워크로드에 맞춰 성능, 대역폭, 전력 효율, 비용을 최적화할 수 있습니다.

삼성 Foundry의 첨단 패키징 기술↗은 이러한 요구를 해결하도록 설계되었습니다. 수평 및 수직 칩 통합을 모두 지원하는 포트폴리오를 통해, 차세대 AI, HPC, 그리고 새로운 응용 분야에 최적화된 다양한 이종 아키텍처를 구현할 수 있습니다.

2.xD Cube 패키징: 수평 이종 집적 확장

삼성 Foundry의 2.xD Cube 패키징, 정식 명칭 2.xD Cube는 여러 칩을 하나의 패키지 안에 이종 집적할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 대역폭을 높이고 지연시간을 줄이며, 에너지 효율을 향상시키는 동시에 유연한 칩렛 기반 시스템 설계를 가능하게 합니다.

이 플랫폼은 삼성의 실리콘 관통 전극, 즉 TSV와 후공정 배선 기술인 BEOL 인터커넥트 기술을 활용해 로직과 고대역폭 메모리를 하나의 패키지 안에서 더 가깝게 연결합니다. 이러한 접근 방식은 최신 컴퓨팅 시스템이 요구하는 성능, 전력, 열 관리 요구사항을 충족하는 데 기여합니다.

삼성 Foundry의 2.xD Cube 패키징 제품군

• 2.5D Cube – S: AI 및 HPC 시스템을 위해 설계된 고대역폭 실리콘 인터포저 아키텍처로, 고성능 및 메모리 통합을 지원합니다.
• 2.3D Cube – E: 임베디드 실리콘 브리지 기반 아키텍처로, 고성능 칩렛 통합과 향상된 확장성을 제공합니다.
• 2.3D Cube – R: RDL 기반 인터포저 솔루션으로, 설계 유연성과 보다 비용 효율적인 이종 집적 방식을 제공합니다.

3D 패키징: 수직 통합

삼성 Foundry의 3D 패키징 기술은 3D IC Cube로 불리우며, 수직 집적을 통해 시스템 성능을 확장합니다. 여러 구성요소를 수직으로 적층함으로써 인터커넥트 경로를 크게 단축하고, 낮은 기생 성분과 함께 초고밀도 인터커넥트를 구현할 수 있습니다.

이 접근 방식은 칩 면적을 줄이는 동시에 대역폭과 전력 효율을 개선합니다. 수직 다이 적층을 가능하게 함으로써 3D 패키징은 확장 가능한 시스템 통합을 지원하고, 초대형 모놀리식 다이에서 발생할 수 있는 수율 리스크를 줄이는 데도 기여합니다. 또한 하이브리드 구리 본딩, 즉 HCB 기술의 발전은 인터커넥트 밀도를 더욱 높이는 동시에 열 성능과 장기 신뢰성을 향상시키고 있습니다.

삼성 Foundry의 3D 패키징 제품군

• 3D Cube – T: 칩-온-웨이퍼, 즉 CoW 적층 기술과 열압착 본딩, TCB를 기반으로 고밀도 집적과 확장 가능한 시스템 성능을 구현합니다.
• 3D Cube – H: 하이브리드 구리 본딩, HCB를 활용한 차세대 본딩 기술로, 더 미세한 인터커넥트 피치, 향상된 레이아웃 유연성, 개선된 전기적 성능을 제공합니다.

앞으로의 전망

AI 인프라, 고성능 컴퓨팅, 차량용 지능형 시스템, 엣지 시스템이 계속 진화함에 따라 첨단 패키징은 반도체 성능을 정의하는 데 점점 더 중심적인 역할을 하게 될 것입니다.

산업이 더욱 복잡한 멀티 다이 시스템으로 이동할수록 시스템 레벨 공동 최적화는 핵심 차별화 요소가 될 것입니다.

삼성 Foundry는 첨단 이종 집적과 시스템 레벨 공동 최적화를 통해 고객이 더 강력하고 효율적이며 확장 가능한 컴퓨팅 플랫폼을 설계할 수 있도록 지원하고 있습니다. 이를 통해 실리콘 혁신이 실제 세계의 컴퓨팅 성능 향상으로 이어질 수 있도록 합니다.

반도체 발전의 다음 시대는 스케일링만으로 정의되지 않을 것입니다. 앞으로의 혁신은 전체 시스템이 얼마나 지능적으로 결합되는가에 의해 정의될 것입니다.