반도체에 '활력'을 불어넣는 패키징 공정

잠재력 커진 3D 반도체 'HBM'...시장 언제 활짝 열릴까

응답속도·용량·전력효율 개선 효과 크고 패키지 소형화도 데이터센터·서버 데이터 처리량 급증으로 수요 점차 확대 인텔, 관련 CPU 내년 상반기 출시...시장 확대 기폭제 될듯

SK하이닉스가 개발한 4세대 HBM D램 'HBM3' [사진: SK하이닉스]

데이터센터와 서버의 데이터 처리량이 급증하면서 고대역폭메모리(HBM:High Bandwidth Memory)에 관심이 쏠리고 있다.

HBM은 여러 개 D램을 수직으로 연결한 3D 형태의 메모리 반도체다. 실리콘 관통 전극(TSV)방식을 사용해 D램 다이(die·웨이퍼에서 절단한 낱개의 반도체 칩)간 전기적 연결 통로를 이었다. 수직으로 쌓은 D램 다이에 미세한 구멍을 뚫고, 그 속을 구리로 채워 전극을 만드는 원리다.

HBM은 수직 연결로 집적도를 높여 응답속도와 용량, 전력 효율 등이 대폭 높아졌다. 수직 적층인만큼 패키지 소형화도 가능하다. HBM은 이러한 특성으로 D램이 가지고 있는 낮은 대역폭 해결과 미세공정의 물리적 한계를 극복할 고성능 메모리로 주목을 받고 있다.

하지만 기존 시장에서 HBM 채택 비율은 높지 않다. 기존 D램 가격보다 3~5배 이상 비싸기 때문이다. HBM은 높은 기술적 난이도에 따른 수율 상승의 어려움, 기존 기판보다 비싼 실리콘 인터포저 사용으로 가격이 비싸다. 이로 인해 고성능이 필수인 대규모 데이터센터나 슈퍼컴퓨터 등 사용처가 한정된 편이다.

반도체 업계에서는 HBM 수요가 점차 늘어날 것으로 기대하고 있다. AI와 딥러닝 분야 데이터 처리량이 증가하면서 높은 연산 기능을 요구하는 데이터센터 등이 늘고 있어서다. HBM은 고성능 메모리인만큼 수익성이 높아 고부가가치 메모리 제품 입지를 구축할 가능성이 높다.

삼성전자 세계최초 인공지능 HBM-PIM 개발[사진: 삼성전자]

HBM 공급사는 삼성전자와 SK하이닉스가 선두주자다. 메모리 기업 3위인 마이크론은 HBM 대신 그래픽용 DDR(GDDR) 생산에 집중했지만 지난해부터 HBM 개발에 나섰다. 다만 SK하이닉스와 삼성전자의 기술력을 따라잡을 수 있을지 미지수다.

SK하이닉스는 지난 10월 HBM 4세대 제품인 HBM3를 업계 최초로 개발했다. HBM3은 이전 세대인 HBM2E보다 속도가 약 78%배 빠르다. 초당 819기가바이트(GB)의 데이터를 처리할 수 있다. 이는 FHD급 영화 5GB 163편 분량의 데이터를 1초만에 처리하는 수준이다.

HBM3는 16GB와 24GB 두 가지 용량으로 출시됐다. 24GB는 업계 최대 용량이다. SK하이닉스는 이를 바탕으로 AI 완성도를 높이는 머신러닝과 기후변화 해석, 신약개발 등에 사용하는 슈퍼컴퓨터에 탑재한다는 방침이다.

삼성전자는 메모리 반도체의 연산 능력에 초점을 맞췄다. 지난 2월 개발한 HBM-PIM(Processing-in-Memory)이 대표적이다.

PIM은 연산에 필요한 프로세스 기능을 메모리에 탑재한 차세대 메모리 구조다. 이를 활용하면 데이터 급증으로 병목현상이 발생했던 CPU-메모리 직렬 처리 구조의 효율적 개선이 가능하다. 메모리 내 연산 기능을 탑재해 CPU에 걸리는 과부하를 줄이는 식이다. 삼성전자는 HBM-PIM이 AI와 빅데이터 등을 처리하는 데이터센터에 도입될 것으로 보고 있다.

22일 출하한 TSV용 3D반도체 패키징 공정 장비 TC 본더 2.0CS [사진: 한미반도체]

HBM 관련 국내 소부장 기업들은 생태계 확장을 잔뜩 기대하는 분위기다. HBM과 연결하는 실리콘 인터포저, CPU등 로직 반도체와 묶이는 시스템인패키지(SiP) 관련 분야 수혜가 예상된다. 

삼성전기는 삼성전자의 HBM과 로직 반도체 패키징 솔루션 'H-Cube' 협업 개발에 참여한 바 있다. SiP 수요가 커지면 매출 확대가 예상된다

한미반도체는 열 압착 방식으로 반도체 칩을 회로기판에 부착하는 TC 본더를 생산하고 있다. TC 본더는 TSV방식으로 다이를 수직 적층하는 HBM 필수 공정 장비다. 최근에는 TC 본더를 6년 만에 새롭게 출시하면서 HBM 수요 확대를 대비하고 있다.

대만 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 HBM은 2023년 이후 채택 비중이 커지고 사용처가 늘어날 것으로 예상된다. 인텔은 HBM2E를 탑재하는 하이엔드 CPU와 GPU를 내년 상반기쯤 출시 예정이어서 관련 시장이 크게 확대될지 관심이 모아지고 있다.

(출처:http://www.digitaltoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=429647)

 

 

TSMC에 맞서는 삼성전자, 이젠 '반도체 패키징' 초격차

성능 높이고 반도체 크기 줄인 2.5차원 `I-큐브4` 개발 ​ `로직 칩+4개 고성능 메모리` 하나의 반도체 패키지로 묶어 ​ 열 배출 좋고 전력 공급 안정적 AI·클라우드·데이터센터 활용 ​ 첨단 패키징 기술 경쟁 가열 2025년 649억달러 시장 전망

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삼성전자가 1초당 수십조 번의 연산을 다루는 인공지능(AI) 반도체를 실현케 할 첨단 반도체 후공정(패키징) 기술을 개발해 조만간 양산에 적용할 예정이다. 첨단 AI 반도체는 회로선폭이 수 나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m)에 불과하지만 천문학적 단위의 연산을 순식간에 처리하고, 전력도 안정적으로 공급받아야 하는 극한의 성능을 요구한다. 이 과정에서 칩 설계·생산뿐 아니라 패키징 분야 중요도 역시 급격히 올라가고 있다. 국내 반도체 업계는 삼성전자가 이번에 개발 완료한 패키징 기술을 발판 삼아 TSMC·인텔 등과 펼치는 글로벌 경쟁에서 주도권을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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삼성전자는 로직 반도체 한 개와 4개의 고대역폭 메모리(HBM) 반도체를 하나의 패키지로 구현한 독자적 2.5차원(2.5D) 패키지 기술 'I-큐브(I-Cube)4'를 개발했다고 6일 밝혔다.

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I-큐브4는 쉽게 말해, 중앙처리장치(CPU)·그래픽처리장치(GPU) 같은 연산용 반도체 1개와 데이터 저장·처리를 맡은 메모리 4개를 한정된 공간에 합쳐, 마치 한 개의 반도체 칩처럼 작동하게 해 주는 패키징 기술이다. 여러 개의 반도체가 한데 모이는 만큼 데이터를 읽고 쓰면서 연산하는 속도는 훨씬 빨라지고 반도체 부품이 차지하는 전체 면적은 줄일 수 있다. 삼성전자 관계자는 "I-큐브4는 고성능 시스템 반도체와 대용량 데이터 전송을 요구하는 AI·클라우드 서비스, 데이터센터를 중심으로 폭넓게 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

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반도체 생산은 용도에 맞는 칩 설계, 설계도를 반도체 원판(웨이퍼)에 새기는 전공정을 우선 거친다. 패키징은 웨이퍼에 촘촘히 새긴 칩을 하나하나 잘라낸 뒤 칩을 절연체로 감싸 외부 충격에서 보호하면서, 전력을 안정적으로 공급받게 배선을 깔아 주는 나머지 공정을 가리킨다. 삼성전자는 충남 온양에 자체 패키징 기지를 두고 있으며 패키징을 전문으로 하는 반도체 후공정 아웃소싱 기업(OSAT)에 외주를 주기도 한다.

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자율주행차에서 스마트시티에 이르는 미래 산업에서 영상·음성 인식, 빅데이터 분석 등을 담당하는 AI 반도체는 수십조 번의 연산을 처리하며 방대한 데이터를 읽고 쓴다. 삼성전자와 퀄컴은 최근 자체 AI 반도체의 연산 속도를 26TF(1TF=1초당 1조번 연산)까지 끌어올렸다고 밝혔다. 테슬라모터스가 2019년 자사 자율주행시스템(FSD)에 탑재한 자율주행 반도체는 초당 144조번의 연산을 처리할 수 있다.

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패키징은 전 산업에 걸친 AI 시대 개막과 함께, AI 반도체를 실현시켜 줄 핵심 분야로 주목받는다. 면적이 아주 작은 반도체 내에 전기신호를 동시에 주고받을 수 있는 입출력 단자를 늘리면서 전력은 안정적으로 공급해 줘야 하는 게 첨단 패키징 기술의 관건이다. 반도체가 뿜어내는 열을 효율적으로 배출하도록 발열을 관리하는 것 또한 패키징 역량이다. 삼성전자, TSMC, 인텔은 현재 1000개 수준인 반도체당 입출력 단자를 10만개까지 늘리는 패키징 기술 개발에 주력하고 있다.

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삼성전자는 앞서 로직 반도체 한 개와 메모리 반도체 두 개를 합치는 'I-큐브2' 기술을 상용화하는 데 성공했다. 여기에 이번에 개발한 I-큐브4는 더욱 많은 칩을 합치면서, 실리콘 소재의 배선 소재(실리콘 인터포저)를 이용해 전력을 안정적으로 공급할 수 있도록 했다.

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또 삼성전자는 반도체를 외부 충격에서 보호하는 절연체(몰드)가 필요 없도록 독자 구조를 만들어 발열이 몰드 안에 갇히지 않고 효율적으로 배출되도록 했다고 덧붙였다. 삼성전자는 조만간 I-큐브4를 양산에 적용하고 메모리 6개, 8개와 로직 반도체를 묶는 차세대 기술도 상용화할 예정이다.

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시장조사 기관 가트너에 따르면 세계 패키징 산업 규모는 지난해 488억달러(약 54조9000억원)에서 2025년 649억달러로 불어날 것으로 추산된다. 이와 함께 AI 반도체를 노린 글로벌 패키징 분야 기술 경쟁도 날로 확대되고 있다. TSMC는 일본에 패키징 연구개발(R&D) 센터를 짓고 현지 부품·장비 기업과 협력해 차세대 패키징 기술을 개발하기로 했다.

 

 

 

(출처:https://www.mk.co.kr/news/business/view/2021/05/438684/)