AMD, Intel, NVIDIA, Apple 등이 꽂힌 칩렛

Summary

- 최근 반도체 업계에서는 칩을 잘게 쪼개는 칩렛 방식이 주목받고 있음

- 칩렛 방식을 통해 반도체 미세공정으로 인한 생산비 절감 가능

- FC-BGA 공급난 역시 칩렛 생산 증가 때문으로, 관련 동향 모니터링 필요

 

반도체 업체들이 주목한 ‘칩렛’ 최근 반도체 칩 제조업체들이 ‘칩렛(Chiplet)’에 막대한 투자를 하고 있다. 대표적인 예가 ‘애플 M1 울트라’다. 반도체 성능은 얼마나 많은 트랜지스터를 내장하는지에 따라 비례하는데, 애플은 고성능 칩 2개를 따로 만들어 연결함으로써 두 배 성능의 반도체를 만들었다.

칩렛은 MPU, SoC 기기, GPU, PLD 등 다양한 통합 반도체에 채택되고 있으며, 옴디아는 “칩렛 시장 규모는 2018년 6억 45000만 달러에서 24년 58억 달러로 9배 성장할 것”으로 내다봤다. 지난 3월 인텔과 ASE, TSMC, AMD, Arm, 구글 클라우드, 메타, 마이크로소프트, 삼성, 퀄컴이 ‘칩렛 컨소시움’을 만든 것도 이러한 전략의 일환이라고 판단된다.

 

칩렛의 구조 © UCle

 

미세공정에 따른 비용 상승 대안 AMD의 2020년 자료에 따르면, 250㎜² 크기의 칩을 만든다고 가정했을 때 20nm 공정으로 제조하면 1㎜²당 코스트는 2달러다. 미세공정 수준이 높아져 14nm 코스트 역시 2달러대 초반에 불과하지만, 7nm로 내려오면 생산단가는 3달러 후반, 5nm는 5달러로 급상승한다. 7nm부터 일부 EUV 노광장비가 도입되고, 멀티 패터닝 스텝 수가 늘면서 팹 투자비와 생산 비용이 기하급수적으로 증가하기 때문이다.

 

© AMD VLSI 2020

 

미세공정에 따른 비용 부담이 가중되는 상황에서 생산비를 줄이기 위해 내린 결론이 칩렛 확대이다. 칩렛은 빅 칩을 만드는 대신 반도체 칩을 잘게 쪼갠 제품으로 애플의 M1 울트라처럼 M1 맥스를 두 개 붙이는 방식이다.

 

이렇게 좋은데, 안 쓸 이유가 없네 칩렛 방식은 기존 빅칩 제조 대비 수율을 크게 높여 생산 비용을 절감할 수 있다. 기본적으로 반도체를 생산하는 웨이퍼는 원형이다. 이를 사각형 칩으로 잘라 쓰는데, 가로⋅세로 길이가 길어질수록 버려야 하는 면적이 넓어진다.

또한, 제조업체가 단일 패키지 내에서 서로 다른 유형의 코어를 결합하여 최적화된 프로세서를 만들 수 있게 해준다. 예를 들어, 이기종 모바일 프로세서는 고성능의 전력 집약적인 코어와 저 성능의 전력 효율적 코어를 별도의 칩에 둘 다 가질 수 있다.

새로운 디자인 검증에 따른 부담이 절감되는 것도 칩렛 방식의 장점이다. CPU를 예로 들면, I/O(Input/Output)처럼 여러 제품에 공통적으로 사용될 경우 디자인을 재사용할 수 있다. 신제품 개발 시 모든 기능들을 새로 디자인하는 것과 비교하면 검증 비용을 크게 절감할 수 있다.

이처럼 단일 칩보다 수율과 비용 측면에서 유리하다 보니 반도체 업계는 칩렛 방식 생산을 확대 중이다. AMD는 이미 데스크톱과 서버용 CPU 생산에 칩렛 기술을 도입했다. 최대 8개의 컴퓨팅 칩렛과 1개의 I/O 칩렛을 상호 연결해 하나의 CPU를 구성한다. 인텔은 22년 하반기 출시될 서버용 CPU ‘사파이어 래피즈’에 칩렛 기술을 적용할 예정이다.

 

© 인텔

 

FC-BGA 부족, 꾸준히 동향 살펴야 최근 2.5D 패키지 기술이 부각되고, 2.5D 패키지를 위한 부품인 FC-BGA 공급난이 심해진 것도 칩렛 방식 생산 증가 때문이다. 칩렛으로 분산된 기능들을 상호 연결하는데 MCM⋅3D 패키지 등 다양한 방법이 있지만, FC-BGA를 이용한 2.5D 패키지가 가장 효율적이다.

 

2.5D 패키지의 다양한 예 © Amkor

 

2.5D 패키지는 각 칩렛을 수평 방향으로 배치하면서도 3D 패키지에 맞먹는 대역폭을 구현할 수 있는데, 이를 위해서는 각 칩렛을 연결하는 FC-BGA가 필수다. 인텔의 EMIB나 AMD의 EFB(Elevated Fanout Bridge)도 FC-BGA를 이용한 2.5D 패키지 기술이다. 그에 따라 FC-BGA 기판의 수급 부족 문제가 지속 제기될 것이며 관련 업체들의 동향을 지속적으로 팔로우 해볼 필요가 있다.