[ET시론]AI 근간이 되는 첨단 반도체

세계 경제를 재편하는 엄청난 기술 트렌드는 반도체를 기반으로 한다. 오늘날 기술 트렌드에 따라 반도체 성능과 에너지 효율 향상은 물론 생산 용량 증대가 요구된다. 반도체 로드맵을 뒷받침하는 주요 변곡점을 실현하려면 반도체 로드맵 구현의 복잡성을 해결하고 새로운 반도체 기술 개발 및 출시를 위해 고객과 더 빠르고 폭넓게 협업해야 한다.

◇ AI 데이터센터 지원하는 첨단 반도체 4개 핵심 기술

많은 산업 전문가들은 세계 반도체 시장 규모가 2023년 5000억달러에서 10년 후 1조달러로 약 두 배 성장할 것으로 예상한다. 이 성장의 주요 요인은 인공지능(AI)과 사물인터넷(IoT)의 부상이다.

AI, IoT를 비롯해 자동화, 자율주행 전기차, 청정에너지 등 기술의 구조적 변화는 향후 수십년간 거의 모든 경제 영역을 변화시킬 것이다. 모두 반도체를 기반으로 한다는 공통점이 있다. 이러한 신기술 도입은 반도체 생태계 전반에 성장과 혁신을 가져온다. AI는 그 영향과 규모를 고려했을 때 우리 삶에서 가장 큰 기술 변혁이고, AI 기술 중심에는 매우 정교한 최첨단 반도체가 있다.

AI 데이터센터는 향후 몇 년 내 PC와 스마트폰 시장을 추월, 반도체 위탁생산(파운드리) 로직과 D램 웨이퍼 생산을 이끄는 가장 큰 요인이 될 것으로 전망된다. AI 데이터센터를 지원하는 첨단 반도체는 △첨단 로직(게이트올어라운드 트랜지스터) △컴퓨팅 메모리(고성능 D램) △고대역폭메모리(HBM) △로직과 메모리 반도체를 연결하는 '시스템 인 패키지(SiP)' 첨단 패키징 등 4개 핵심 기술로 구현된다.

◇GAA·고성능D램·HBM

GAA 트랜지스터를 사용하는 첫번째 노드는 이제 대량 생산 체제로 전환 중이다. 이 새로운 트랜지스터 프로세스는 복잡성이 크게 증가해 기존 핀펫(FinFET) 아키텍처보다 약 30% 많은 공정 단계가 필요하다. 장비 측면에서는 새롭고 혁신적인 단위 공정 기술이 요구된다. 첨단 로직은 어플라이드가 트랜지스터와 인터커넥트에 대한 재료 공학 공정에서 오랫동안 경쟁력을 유지한 분야기도 하다.

D램에서 메모리 제조업체가 성능과 전력 소비를 개선하기 위해 사용하는 주요 접근 방식 중 하나는 주변 회로에 로직 기술을 구현하는 것이다. 어플라이드는 로직에 대한 심층적 역량과 D램 패터닝 분야의 강력한 입지, 커패시터 스케일링을 위한 고유하고 최적화된 하드마스크 솔루션을 결합해 현재 D램 공정 장비 분야의 리더이자 미래 성장을 위한 최고의 입지를 확보하고 있다.

오늘날 최첨단 AI 챗봇을 구동하는 대규모 언어 모델(LLM)에는 파라미터가 1조개가 넘을 것으로 추정된다. 파라미터는 시스템 성능을 최적화하기 위해 조정할 수 있는 기능이다. 향후 모델에는 이보다 훨씬 더 많은 파라미터가 사용될 것으로 예상된다. 이 같은 LLM을 지원하고 보다 에너지 효율적인 AI 학습 및 추론을 위해서는 대량의 HBM가 필요하다.

고성능 AI에서 HBM의 필요성은 웨이퍼 팹 장비 시장에도 영향을 미친다. HBM은 지난해 D램 생산량에서 차지하는 비중이 미미했지만 향후 몇 년간 연평균 50% 성장률을 보일 것으로 예상된다.

D램 칩 혁신이 중요한 반면, HBM의 밀도와 대역폭은 첨단 3차원(3D) 패키징을 통해 실현된다. HBM 제조 공정은 기존 D램을 만드는 데 필요한 기존 700여 공정 단계에 약 19개 재료 엔지니어링 단계가 추가된다. 이 단계의 약 75%가 어플라이드 장비로 처리된다.

고대역폭메모리(HBM)에서 재료 공정 단계가 점차 증가하고 있다.(사진=어플라이드 머티어리얼즈)

HBM에 사용되는 마이크로 범프, 실리콘관통전극(TSV) 등의 핵심 다이 적층 분야에서도 강력한 리더십도 필요하다. TSV는 적층된 칩을 전기적으로 연결하는 데 사용되는 수직 와이어다.

어플라이드는 TSV 개발의 선구자로 약 15년 전 유럽 최대 반도체 연구 기관 IMEC과 협력해 업계 최초의 TSV 공정 흐름 및 통합 체계를 수립했다. 이 협업을 통해 오늘날 HBM에 사용되는 TSV 표준이 만들어졌다.

이후 어플라이드는 TSV 및 기타 HBM 패키징 단계를 위한 몇 가지 고유한 솔루션을 추가로 개발했다. 이는 HBM 스택을 구축하는 데 필요한 백엔드 패키징 단계를 향상시킨다.

◇ 첨단 패키징… 시스템 온 칩에서 시스템 인 패키지로

AI에 필요한 모든 트랜지스터와 온 칩 메모리를 확보하는 방법은 시스템 온 칩에서 시스템 인 패키지로의 전환이다. 또한 첨단 패키징 로드맵의 세 가지 주요 동인으로 더 많은 칩을 수직으로 쌓고, 칩 사이 인터커넥트를 축소하고, 패널이라는 더 큰 기판에 더 많은 칩을 수용하는 것을 들 수 있다.

반도체 제조사들은 최첨단 패키지에 여러 칩렛을 통합하는 이종 접합(HI) 제조 기술을 적극 채택하고 있다. HI는 반도체 회사가 다양한 기능, 기술 노드, 크기의 칩렛을 최신 패키지로 결합해 단일 제품처럼 작동하도록 지원한다.

이종 접합 칩 제조를 위한 어플라이드 신기술 (사진=어플라이드 머티어리얼즈)

고성능 컴퓨팅, AI 같은 분야에서 트랜지스터 필요성은 기하급수로 증가하는 반면, 기존 2차원(2D) 스케일링을 통해 트랜지스터를 축소하는 방식은 느리고 더 많은 비용이 소요된다. HI는 반도체 제조업체가 새로운 방식으로 칩의 전력·성능·크기·비용·시장출시기간(PPACt)을 개선하도록 지원한다.

칩 투 웨이퍼, 웨이퍼 투 웨이퍼 하이브리드 본딩은 현재 가장 발전된 HI 기술로 꼽히며 직접 구리-구리 결합을 사용해 칩을 연결함으로써 결합된 소자가 단일 제품의 성능을 내도록 한다. 더 작은 공간에 더 많은 배선을 집적하고 신호가 이동하는 거리를 줄임으로써 처리량과 전력을 개선한다.

◇ AI 부상과 한국의 기회

AI 데이터센터는 차세대 반도체를 뒷받침하는 주요 변곡점을 어플라이드가 어떻게 구현하는지 보여주는 하나의 예시에 불과하다. 반도체 산업 로드맵에서 재료 과학·공학의 중요성은 계속 커지고 있다. 어플라이드는 AI 고성능 컴퓨팅에서 IoT·통신·오토모티브·전력·센서(ICAPS) 엣지 컴퓨팅에 이르기까지 반도체의 주요 변곡점을 실현하는 재료 공학 솔루션 포트폴리오 개발에 투자해왔다.

AI의 부상은 한국에도 좋은 기회다. 한국 기업들은 앞서 언급한 AI 데이터센터의 핵심 반도체 기술인 첨단 로직, 고성능 D램, HBM, 첨단 패키징 분야 세계 리더들 가운데 하나다. AI 첨단 기술에 대한 활기찬 생태계가 형성돼 있으며 여기에는 재능 넘치는 인력, 강한 기업가 정신, 세계적 수준의 연구 및 제조 역량이 포함된다. 어플라이드는 한국의 주요 고객 및 파트너들과 폭넓게 협력하며 IoT와 AI 분야 기술 로드맵을 가속화하는 데 필요한 혁신적 제품과 서비스를 제공하고 있다.

박광선 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표 gwang_sun_park@amat.com

박광선 어플라이드머티어리얼즈 코리아 사장

〈필자〉박광선 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표는 1994년 어플라이드에 입사해 기술 지원, 영업 분야에서 경력을 쌓으며 탁월한 성과를 발휘해왔다. 이후 2016년부터 삼성 사업부를 총괄하며 비즈니스를 성공적으로 이끌어왔던 그는 2022년 10월 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표 겸 지역 총괄자로 선임됐다. 박 대표는 반도체 업계에서 쌓아온 풍부한 경험과 고객에 대한 헌신을 바탕으로 한국에서의 어플라이드 비즈니스를 더욱 발전시키고, 고객이 칩의 성능·전력·크기·비용·시장출시기간(PPACt)을 개선하도록 지원하는 데 주력하고 있다.