[배진솔의 전자사전]반도체 미세화의 백기사, '패키징'.."전망 밝구나"

AI·자율주행차·IoT 시대 본격화.."미세화만 바라볼 수 없다"
반도체-전자제품 전기적 연결 '패키징'..향후 발전가능성 ↑
삼성전자 'I-큐브4', 연산용 반도체 1 + 메모리 반도체 4 합쳐

[이데일리 배진솔 기자] 지난 수십년간 반도체 업계를 지배해온 ‘무어의 법칙(Moores Law)’을 넘어 ‘More than Moore’를 찾는 반도체 기업들이 늘어나고 있습니다. 무어의 법칙은 반도체 집적회로 성능이 약 2년마다 두 배로 늘어난다는 규칙인데요. 인텔 설립자 고든 무어가 1965년에 처음 주창한 이후 반도체 산업계는 ‘회로 집적도를 얼마나 높일 수 있느냐’에 집중해왔습니다.

이미 미세해질 데로 미세해져 버린 반도체 공정으로 무어의 법칙만 믿어서는 선두를 유지할 수 없게 됐습니다. 특히 고성능의 스마트폰과 인공지능(AI), 자율주행차, 사물인터넷(IoT) 등 시대가 본격화되면서 고도로 ‘통합된’ 시스템 반도체 역할이 더욱 커지고 있는데요. 오늘 ‘배진솔의 전자사전’에서는 초미세의 ‘백기사’로 대두되고 있는 패키징(Packaging) 기술에 대해 알아보겠습니다.

삼성전자, 차세대 반도체 패키지 기술 I-큐브 4 (사진=삼성전자)

반도체-전자제품을 연결하는 ‘패키징’…중요성 대두

반도체 업계의 집적화노력덕분에 이제 반도체 공정은 5나노미터(nm·10억분의 1m) 이하로 까지 접어 들었습니다. 업계는 기존 공정 기술을 능가하기 위해 극자외선(EUV) 공정 기기 도입 등 천문학적인 투자를 집행하게 되는데요. 실제 글로벌 컨설팅 회사인 맥킨지 분석에 따르면 5나노 공정의 반도체를 설계하기 위한 비용은 65나노 대비 약 20여배, 생산 비용은 13배 가까이 증가한다고 합니다.

반도체 업체 입장에서 무조건적으로 집적도 향상에만 목을 맬 수 없는 것이죠. 이에 시스템 통합의 대안으로 주목받는 기술이 등장했는데요. 바로 패키징입니다.

패키징은 반도체와 전자제품의 메인보드의 전기적 연결을 가능하게 하는 기술입니다. 반도체는 그 자체로는 아무런 역할을 할 수 없기 때문에 전자 제품을 구성하는 회로에 연결돼야 비로소 반도체 기능을 수행할 수 있는데요. 이때 패키징으로 반도체와 전자제품의 메인보드를 연결시켜 상호 간 회로 폭 차이를 완충시키고 전기적 연결을 가능하게 합니다.

패키징이 전기적 연결을 가능하게 하니 마이크로 이하 나노 단위의 반도체를 만들어도 패키징하는 기술이 뒷받침되지 못하면 반도체의 전기적 접속이 원활하지 못하겠죠. 실제 우리가 사용하는 고속 전자제품의 전기신호 지연 요인의 50% 이상은 칩과 칩 사이에서 발생하는 패키징 지연에 의해 발생한다고 합니다. 향후 더 많은 전기신호를 요구하는 분야에선 반도체 미세공정의 기술 도약뿐만 아니라 패키징도 중요해질 것으로 예상됩니다.

삼성전자 ‘I-큐브4’, 더 많은 메모리 칩 합쳐 “하나처럼”

이에 최근 반도체 공급 업체들도 패키지 공정 개발에 투자를 늘리며 차별화된 경쟁력을 만들어가고 있는데요.

최근 삼성전자도 차세대 반도체 패키지 기술인 ‘I-큐브 4’를 선보였습니다. 연산용 반도체인 중앙처리장치(CPU) 1개와 데이터 저장과 처리를 맡는 메모리 반도체 4개를 합쳐 하나의 반도체 칩처럼 작동하게 해주는 기술입니다. 복수의 칩을 1개의 패키지 안에 배치해 전송 속도는 높이고 패키지 면적은 줄인 것이죠.

앞서 상용화한 ‘I-큐브 2’ 기술은 1개의 연산용 반도체와 1개의 메모리 반도체를 합치는 것이었는데 이번에는 더 많은 메모리 칩을 합치면서 대량 연산과 데이터 처리를 극대화시켰습니다.

더 많은 반도체가 모여있으니 전기 간섭이나 발열이 증가하진 않을까 걱정될 수 있는데요. 이를 위해 100마이크로미터 수준의 매우 얇은 배선(실리콘 인터포저)를 활용하고 몰드를 사용하지 않는 독자적인 구조를 적용해 열을 효율적으로 방출하도록 했습니다.

삼성전자는 “I-큐브4는 고대역폭 데이터 전송과 고성능 시스템 반도체를 요구하는 고성능 컴퓨팅(HPC), AI, 클라우드 서비스, 데이터센터 등을 중심으로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔습니다.

배진솔 (sincere1@edaily.co.kr)