첨단 이종집적화 기술로 한계를 뛰어넘다

첨단 이종집적화(Advanced Heterogeneous Integration)는 개별 생산된 칩 구성 요소를 단일 어셈블리 수준으로 통합하는 프로세스를 간소화하고 개선하는 방법이다. 칩 생산 산업을 개선하는 열쇠가 될 것이 틀림없는 첨단 이종집적화는 생산 공정의 효율성을 높이고 성능을 개선할 수 있다. 2022 삼성 파운드리 포럼(SFF)에서 삼성전자 파운드리 사업부 Business Development팀 강문수 부사장이 설명했듯 삼성전자 파운드리 사업부는 바로 이것을 목표하고 있다. 포럼에서 강 부사장은 키노트 연설을 통해 첨단 이종집적화 솔루션에 대한 삼성전자 파운드리 사업부의 로드맵을 상세하게 제시했다. 삼성의 ‘비욘드 무어(Beyond Moore)’ 접근 방식에 기반한 메시지를 통해 수평 및 수직 집적화의 새로운 혁신을 주도하는 고급 패키지 기술인 I-Cube, H-Cube 및 X-Cube를 철저히 분석했다. 사전 접근 방식: ‘모어 무어(More Moore)’와 ‘모어 댄 무어(More Than Moore)’ 강 부사장은 발표를 시작하며 기존의 칩 개발 시대를 장악했던 집적화 접근 방식인 ‘모어 무어(More Moore)’와 ‘모어 댄 무어(More Than Moore)’ 접근 방식을 다시 논의했다. 이 두 가지 접근 방식은 1965년에 반도체의 트랜지스터 성능이 2년마다 2배가 될 것이라고 했던 엔지니어 고든 무어(Gordon Moore)의 예측이자 이른바 ‘무어의 법칙(Moore’s Law)’에서 그 이름을 가져온 것이다. 강 부사장은 ‘모어 무어(More Moore)’ 접근 방식으로 실리콘과 트랜지스터의 상호 연결을 축소하는 방법을 끈질기게 모색했으며, 이를 통해 컴퓨팅과 전자 공학의 혁명을 가능하게 했다고 설명했다. 그러나 컴퓨터 성능에 대한 요구 사항이 급상승하며 공정에 더 많은 트랜지스터가 필요하게 되면서 ‘모어 무어(More Moore)’ 접근 방식이 한계에 도달하게 되었다. 단일 칩 내에 가능한 한 많은 기능을 넣는 것이 경제적이고 실용적일 수 있다. 그러나 업계는 빛을 사용해서 기판에 소재를 추가하는 포토 공정을 통해 한 번에 식각할 수 있는 레티클 크기의 한계에 도달했기 때문에 고성능 칩을 위한 유일한 솔루션으로 노드 스케일링에만 의존할 수는 없다. 반면에 ‘모어 댄 무어(More Than Moore)’ 접근 방식은 필요한 여러 기능에 가장 적합한 다양한 특화 칩 아키텍처를 구축할 방법을 모색한다. 이는 확실히 효과적이지만 항상 경제적인 것은 아니다. ‘모어 무어(More Moore)’와 ‘모어 댄 무어(More Than Moore)’ 사이에 명백한 차이점이 있음에도 불구하고 두 가지 접근 방식에는 상호 보완적인 잠재력이 있다고 강 부사장은 주장했다. 강 부사장과 삼성전자 파운드리 사업부는 이를 염두에 두고 세 번째 방식인 ‘비욘드 무어(Beyond Moore)’를 추구해 왔다. 이 접근 방식은 두 세계의 장점을 모두 취하고자 하는 것으로 이를 달성하기 위한 핵심은 첨단 이종집적화라고 강 부사장은 설명했다. ‘비욘드 무어(Beyond Moore)’와 첨단 이종집적화의 역할

이종집적화는 ‘비욘드무어(Beyond Moore)’를 통해 개발 비용이 늘어나는 것을 완화하고 성능을 향상시킬 수 있다. 강 부사장은 “우수한 무어식 스케일링에도 불구하고 칩에 더 많은 기능이 추가될수록 다이의 크기는 커지게 된다. 대형 다이를 더 작은 칩렛으로 분할하고 각각의 칩렛을 위해 최적의 공정을 도입함으로써 전반적인 수율을 개선하고 제조 비용을 절감할 수 있길 바란다.”라고 말했다. 또한, 고객들은 칩렛에서 필요한 영역만 재사용 가능한 이점에 대해서도 관심을 가지고있다. 제품에서 대부분의 IP를 칩렛으로 재사용하고 제외된 영역만 재설계한 다음 이종집적화 기술을 사용해서 재결합하면 시간과 비용을 모두 상당히 절감할 수 있다. 성능 개선 범위 또한 연구 단계에 있다. “기존의 2D 설계에서는 설계 블록 사이의 신호 경로에 따라 지연 시간이 밀리미터 단위가 될 수 있지만, 3D 집적화를 사용하면 하나의 칩이 다른 칩 위에 바로 올라가게 된다. 따라서 신호 경로가 마이크로미터 단위로 단축되어 지연 시간이 크게 감소하게 된다. 또한, 3D 집적화에서 상호 연결 피치가 더욱 미세해져 극도로 높은 대역폭을 가능하게 하고, 결국 더 높은 성능으로 이어진다”라고 강 부사장은 설명했다. 파운드리의 미래를 위한 세 가지 큐브 강 부사장은 계속해서 ‘비욘드 무어(Beyond Moore)’ 접근 방식으로 얻은 기술과 이종집적화에 대한 파운드리 연구에 대해 논의했다. 이러한 첨단 패키지 기술, 또는 ‘큐브(Cubes)’는 수직과 수평, 두 가지 집적화를 기반으로 한 I-Cube, H-Cube 및 X-Cube 등 세 가지 종류가 있다.

I-Cube I-Cube는 칩을 인터포저 위에 수평으로 배치하는 2.5D 솔루션이다. 강 부사장은 I-Cube 고객은 더 뛰어난 연산 성능을 제공하는 더 큰 사이즈의 인터포저를 필요로 하고 있다고 설명했다. 이를 해결하기 위해 삼성에서는 두 가지 유형의 I-Cube인 I-CubeS와 I-CubeE를 제공한다. 강 부사장은 “I-CubeS의 최신 버전인 I-CubeS 8은 실리콘 소재의 인터포저를 갖추고 있으며 HBM 8개와 로직 다이 2개를 탑재할 수 있는 3배 크기의 레티클이 특징”이라고 설명했다. 한편, 임베디드 실리콘 브릿지 다이(Embedded Silicon Bridge die)를 의미하는 I-CubeE는 대형 인터포저를 위한 더욱 비용 효율적인 옵션이다. 삼성전자 파운드리 사업부는 또한 2025년 양산을 위해 최대 12개의 HBM을 통합할 수 있도록 I-CubeE의 크기를 확장할 계획이다. H-Cube 또 다른 2.5D 솔루션인 H-Cube는 하이브리드 큐브(Hybrid Cube)를 의미한다. 이 솔루션은 현재 업계에서 직면하고 있는 반도체용 인쇄회로기판(PCB)의 심각한 부족 현상에 대응하여 설계되었다. “대형 ABF 기판을 더 작은 ABF 기판이나 FBGA 기판과 더 큰 HDI 기판과의 조합으로 변환하여 우수한 특성과 낮은 패키지(PKG) 비용 및 손쉬운 PCB 공급망(SCM)을 갖춘 첨단 PCB 솔루션을 고객에게 제공할 수 있다”라고 강 부사장은 설명했다. X-Cube X-Cube는 칩을 수직으로 쌓을 수 있는 완전한 3D 솔루션이다. “X-Cube는 두 가지 형태로 제공되며, 수직으로 쌓은 두 개의 다이는 마이크로 범프 또는 범프리스(Bump-less) Cu-to-Cu 직접 본딩으로 연결된다. 2024년에는 마이크로 범프 타입, 2026년에는 범프리스(Bump-less) 타입 X-Cube 제품 양산을 시작할 계획이다.”라고 강 부사장은 말했다. 강문수 부사장은 삼성전자 파운드리 사업부의 모든 Cube 솔루션 확장 및 추가 개발을 위한 로드맵을 제시했으며, 그 중 일부는 올해 새로운 상용화 버전을 선보일 것이다. “삼성전자 파운드리 사업부의 Cube는 고객의 다양한 요구 사항과 애플리케이션을 충족하는 유연한 아키텍처를 제공할 것”이라고 말했다. 그 밖의 발전과 에코시스템의 원활한 성장

강문수 부사장은 Cube 솔루션 외에도 삼성전자 파운드리 사업부에서 주력하고 있는 다양한 기술 발전과, ISC(Integrated Stack Capacitor) 개발 및 삼성전자 메모리사업부와의 긴밀한 협업에 대해 상세히 설명했다. 삼성전자 메모리사업부와의 협업은 차세대 고성능 컴퓨팅(HPC) 기기를 지원하기 위해 버퍼 다이 없이 로직 다이에 직접 3D로 적층하는 DRAM 신제품에 주력하고 있다. 마지막 주제는 사업에서 그가 가장 중요하게 생각하는 생태계였다. 그는 “삼성전자 파운드리 사업부에서 우리는 파트너와 함께 강력한 파운드리 에코시스템을 구축하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다”고 강조했다. “오늘날 ‘비욘드 무어(Beyond Moore)’를 위한 우리의 에코시스템에는 디자인 솔루션 파트너(DSP), IP 벤더, EDA 파트너, OSAT 및 PCB 공급업체까지 아우르는 수많은 파트너가 포함된다. 에코시스템 파트너와 긴밀하게 협력하여 다양한 사업 모델과 고객 요구 사항을 서포트하고, 매우 유연한 방식으로 원활한 지원을 제공할 것이다.” “우리 반도체 산업은 현재 많은 도전과 한계에 직면해 있다. 그러나 이는 동시에 수많은 변화와 혁신을 가능하게 할 흥미진진한 순간이기도 하다. 삼성 파운드리는 새로운 한계를 향한 흥미로운 여정에서 신뢰할 수 있고 가치 있는 파트너가 될 준비가 되어 있다”라고 말하며 강 부사장은 발표를 마쳤다.