[기자칼럼] 무어의 법칙 한계 넘는다… AI 반도체 패권 쥐락펴락하는 ‘첨단 패키징’의 비밀

어플라이드 머티어리얼즈 실적 폭발의 숨은 주역, 레고 블록처럼 칩을 조립하는 3D 적층 기술이 미래 AI 산업을 주도한다

최근 글로벌 반도체 장비 1위 기업인 어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials)가 사상 최대 분기 실적을 발표하며 세상을 놀라게 했다. 이 경이로운 실적을 견인한 핵심 동력은 단연 인공지능(AI) 반도체 수요의 폭발적인 증가이다. 특히 산업계 최전선에서 활동하는 엔지니어들과 전문가들이 이번 실적 발표에서 가장 주목한 부분은 바로 ‘첨단 패키징(Advanced Packaging)’ 기술 장비에 대한 전례 없는 수요 증가이다.

과거 반도체 산업의 경쟁력이 실리콘 웨이퍼 위에 얼마나 얇은 선을 정밀하게 그리느냐(전공정 미세화)에 달려 있었다면, 이제는 완성된 칩들을 어떻게 잘 포장하고 연결하느냐가 전체 칩의 성능을 좌우하는 시대로 완전히 접어들고 있다.

반도체 미세화의 한계, ‘칩렛(Chiplet)’으로 돌파하다

오랜 시간 반도체 산업의 절대적인 규칙으로 여겨졌던 ‘무어의 법칙(Moore’s Law)’이 물리적, 경제적 한계에 직면하고 있다. 반도체 회로 선폭을 3나노미터(nm), 2나노미터 단위로 줄이는 초미세화 작업은 이제 천문학적인 비용이 들 뿐만 아니라 기술적으로도 난이도가 극도로 높아졌다.

이러한 미세화 한계를 극복하기 위해 등장한 구원투수가 바로 첨단 패키징 기술의 핵심 요소인 ‘칩렛(Chiplet)’ 구조이다. 칩렛은 하나의 커다란 반도체 칩(Monolithic)을 통째로 만드는 대신, 특정 기능을 담당하는 여러 개의 작은 칩들을 분리해서 만든 후 이를 레고 블록처럼 정교하게 조립하는 기술이다. 연산을 담당하는 핵심 두뇌(GPU)와 데이터를 보관하는 창고(SRAM 등), 그리고 외부와 통신하는 입출력(I/O) 단자를 각기 가장 효율적이고 저렴한 공정에서 따로 생산한다. 이후 첨단 패키징 기술을 이용해 이들을 하나의 패키지 안에 고밀도로 집적한다. 이를 통해 제조 과정에서 발생하는 불량률을 획기적으로 낮추고, 전체 칩 생산 비용을 크게 절감할 수 있다.

AI 반도체의 핵심 과제, 데이터 병목현상을 잡아라

인공지능 연산, 특히 생성형 AI 모델의 학습과 추론 과정은 엄청난 양의 데이터를 동시에 처리해야 한다. 아무리 연산 속도가 빠른 최첨단 AI 칩이라도, 데이터를 공급해 주는 메모리와의 통신 속도가 느리다면 제 성능을 온전히 발휘할 수 없다. 최고급 스포츠카를 타고 있어도 톨게이트에 차량이 몰려 길이 막히면 제 속도를 낼 수 없는 것과 완벽히 같은 이치이다.

첨단 패키징 기술은 이 치명적인 데이터 병목현상을 근본적으로 해결한다. 최근 각광받는 고대역폭 메모리(HBM; High Bandwidth Memory)와 같은 고성능 메모리를 AI 연산 장치인 GPU와 아주 가까운 거리에 위치시킨다. 나아가 실리콘 관통 전극(TSV) 등의 기술을 활용해 2.5D 또는 3D 형태로 칩을 수직, 수평으로 입체적으로 쌓아 올린다. 칩과 칩 사이의 물리적인 거리가 극단적으로 짧아지면서 데이터 전송 속도는 비약적으로 빨라지고, 전송 과정에서 버려지는 전력 소모는 크게 줄어든다.

어플라이드 머티어리얼즈와 같은 글로벌 재료공학 솔루션 기업들이 이기종 칩들을 물리적, 전기적으로 완벽하게 연결하는 신소재 발굴과 새로운 증착, 식각 장비 개발에 천문학적인 투자를 단행하는 이유가 바로 여기에 있다. 이제 첨단 패키징 생태계를 얼마나 견고하게 구축하느냐가 향후 국가와 기업의 반도체 및 AI 기술 패권을 결정짓는 가장 중요한 척도가 되고 있다.

용어해설

• 무어의 법칙 (Moore’s Law): 마이크로칩에 저장할 수 있는 데이터의 양(트랜지스터의 수)이 18~24개월마다 2배씩 증가한다는 반도체 산업의 경험 법칙이다. 최근에는 회로 선폭이 원자 크기에 가까워지면서 미세화 속도가 둔화되고 있다.
• 첨단 패키징 (Advanced Packaging): 단순히 칩을 보호하고 외부와 연결하는 전통적인 후공정(Packaging)을 넘어, 여러 개의 다이(Die)를 2.5D 혹은 3D 기법으로 밀집시켜 연결함으로써 전체 시스템의 성능과 전력 효율을 극대화하는 차세대 반도체 제조 기술이다.
• 칩렛 (Chiplet): 다양한 기능을 가진 각각의 반도체 다이(Die)를 따로 제조한 뒤, 첨단 패키징 기술을 통해 하나의 기판 위에 연결하여 마치 단일 칩처럼 작동하게 만드는 설계 구조를 뜻한다.
• 고대역폭 메모리 (HBM, High Bandwidth Memory): 여러 개의 D램을 수직으로 쌓아 올린 뒤 미세한 구멍을 뚫어 연결(TSV)함으로써, 기존 D램보다 데이터 전송 속도와 대역폭을 혁신적으로 끌어올린 고성능 메모리 반도체이다.