삼성전자 파운드리 사업부, 독창적이면서 최적화된 설계 솔루션과 업계 파트너 지원을 통해 증가하는 반도체 수요를 충족하다

지난 20여 년 동안 전 세계 트랜지스터의 숫자는 1,000배 이상 증가했다. 이러한 놀라운 성장은 다양한 기술 분야가 요구하는 계산 능력이 엄청나게 증가했기 때문에 발생한 일이었다. 이는 또한 반도체 산업으로의 엄청난 성장으로 이어져 2021년에 시장 규모가 6,000억 달러까지 증가했다. 이러한 새로운 요구 사항을 충족하려면 막대한 양의 칩이 필요하지만, 더 중요한 것은 이로 인해 촉발된 혁신의 물결이 기술과 제품 제조 방식에 엄청난 도약으로 이어졌다는 사실이다. 새로운 칩의 성능이 향상되고 크기가 급격히 줄어들면서 레티클의 한계에 빠르게 다가가고 있다. 삼성전자 파운드리 사업부는 이에 대한 솔루션으로 성장하는 반도체 산업의 요구 사항을 충족하면서 이를 발전시키기 위한 효과적인 세 가지 방법인 게이트 올 어라운드(GAA) 기술, 멀티 다이 집적화 그리고 원활한 생산을 위한 종합 설계 플랫폼을 도입했다.

GAA로 핀펫(FinFET) 크기와 성능 한계를 뛰어넘다 반도체 업계가 평판(Planar)에서 핀펫(FinFET)으로 진화한지 수십 년이 지난 현재까지 멀티게이트 디바이스(Multigate device)는 여전히 칩 설계의 표준으로 사용되고 있다. 그러나 핀펫의 발전은 채널 폭을 결정하는 핀의 개수에서 이론적 장벽에 부딪쳤다. 크기에 대한 이러한 제한은 성능 제한으로도 이어지지만 GAA 개발을 통해 이 문제를 피해갈 수 있었다. GAA 기술의 적층 설계는 설계 목적에 따라 유연한 적용을 가능하게 한다. 이는 핀펫과는 달리, GAA에서 나노시트 자체가 채널 폭을 결정하여 PPA(Power(소비전력), Performance(성능), Area(면적))를 개선할 수 있는 기회를 열기 때문이다. 삼성 파운드리의 GAA 공정은 다양한 크기의 복합적인 나노시트 구성으로 이용할 수 있다. 3nm 공정의 경우 NSW1에서 NSW4까지 4가지의 나노시트 폭(NSW) 옵션이 있다. 목표하는 주파수 및 전력에 따라 구분되는 이러한 구성은 NSW1 및 NSW2 옵션이 있는 UHD(Ultra High Density) 셀, NSW1부터 NSW3까지의 옵션이 있는 HD(High Density) 셀 및 NSW1부터 NSW4까지 모든 옵션이 있는 HP(High Performance) 셀까지 다양하다. PPA 측면에서는 나노 시트 폭이 한 단계 올라갈 때마다 주파수가 향상되고 소비 전력이 감소한다. NSW의 유연성과 더불어, 직선형 셀을 통해 더 많은 공간을 절약하고 더 나은 실행 흐름을 위해 머신 러닝 기반 전자설계자동화(EDA) 솔루션을 활용하여 이를 개선했다. 이러한 개선점들은 몇 가지 인상적인 결과를 보여주었다. 설계자는 GAA의 성능 및 전력 향상과 함께 삼성전자 파운드리 사업부의 DTCO를 통하여 요구 사항에 가장 적합한 설계를 위한 최적의 PPA 위치를 손쉽게 찾을 수 있다.

고전력 설계 솔루션을 위한 멀티 다이 통합 (Multi-die Integration) 삼성 파운드리는 GAA 외에도 크기 제한을 극복하기 위해 인터포저에서 멀티 다이 집적을 가능하게 하는 2.5D 및 3D 설계 솔루션도 준비했다. 2.5D 솔루션에서 삼성 파운드리는 1uF/mm2 커페시턴스의 통합 스택 커패시터를 사용하여 최대 1kW HPC 애플리케이션, 6.4Gbps 속도에서 최대 8개의 HBM3를 수용할 수 있는 HPC 애플리케이션과 HBB(High Bandwidth Bridge), 직렬 D2D(Die to Die) 및 BOW(Bunch of Wire)와 같은 다양한 칩렛 IP 솔루션을 위한 고전력 설계 솔루션을 제공한다. 또한, 삼성 파운드리에서는 3나노용 칩렛 IP 솔루션을 개발하고 있다. 3D IC 솔루션 개발의 경우, 고밀도 D2D 상호 연결 및 수많은 실리콘 관통 전극(TSV)의 영향을 고려하는 것이 중요하다. 이와 같이, 분산된 TSV를 그룹화함으로써 수동 소자(passive device)를 킵 아웃 존(KOZ)에 배치하여 9TSV 번들을 제공하고, 3D 특정 SRAM 매크로를 제공한다. 이러한 설계 솔루션을 통해 하부 다이를 더욱 효율적으로 설계할 수 있다. 또한, 효율적인 멀티 다이 사인오프를 위한 코너 간소화 방식을 활용해서 소요 시간을 감소시켰다.

에코시스템 파트너와 협업하는 토털 설계 플랫폼 모든 기술 분야에서 지속적인 솔루션을 찾기 위해서는 일회적인 기술 발전 그 이상이 필요하며 여기에는 완전한 지원이 역시 필요하다. 그래서 삼성전자 파운드리 사업부에서는 점점 증가하는 고객의 요구 사항을 충족하기 위해 토털 설계 플랫폼을 개발했다. 이 플랫폼은 공정 및 패키지 솔루션과 결합되어 가장 잘 알려진 방법론과 IP를 내장하고 있다. 이 플랫폼은 모바일, 자동차 및 HPC/AI 분야의 SAFE™(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들이 삼성 파운드리와 함께 설계 인프라를 개발하는 협업 인사이트를 제공한다. 해당 설계 플랫폼의 이점은 이것이 제공하는 실제 이점에 관한 관점에서 가장 잘 설명될 수 있다. 모바일 애플리케이션에서는 전력과 면적을 절약하기 위해 커스텀 플립플롭(flip-flop)과 Vmin을 0.5V 이하로 낮추는 SRAM을 제공한다. 또한, 머신러닝 기반의 P&R 솔루션도 제공한다. 자동차 오토모티브 분야에서는 주행 중 고장을 방지하기 위해 검증된 IP와 설계 솔루션을 안전 조치로 제공하고 있다. 여기에는 첨단 DFT 솔루션과 함께 주파수와 전력, 온도를 실시간으로 모니터링하는 IP가 포함된다. 실제로 이러한 안정적인 구현을 통해 하나의 제품이 10년 동안 하루 24시간 작동될 수 있었다. 마지막으로 HPC의 경우, 삼성 파운드리는 uLVT 셀, UHS S램 및 6.4Gbps HBM3 인터페이스와 같은 고성능 인프라를 제공한다. 32Gbps D2D 인터페이스를 활용함으로써 2개의 로직 다이와 8개의 HBM을 구현할 수 있다. SAFE™는 삼성전자 파운드리 사업부의 열린 에코시스템에 참여하는 새로운 파트너와 함께 매년 성장하고 있다. 현재22개의 EDA 파트너사, 9개의 DSP 파트너사, 10개의 OSAT 파트너사, 9개의 클라우드 파트너사 및 4,000건 이상의 IP 타이틀을 제공하는 56개 IP 파트너사와 협력하고 있다. 이것은 GAA 와 멀티 다이 집적 솔루션의 가능성을 보여주는 시작에 불과하다. 삼성 파운드리는 에코시스템 파트너의 지원을 통해 반도체 산업에서 지속적으로 늘어나는 요구 사항을 충족하도록 설계 인프라를 확장하여 고객의 성공을 최대한 지원하기 위해 계속해서 최선을 다할 것이다.