고성능 컴퓨팅(HPC)용 패키징 기술: CoWoS와 실리콘 인터포저의 역할 및 기술 비교

고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서는 데이터 처리 속도와 에너지 효율성을 극대화하는 패키징 기술이 필수적입니다. 특히 인공지능(AI), 슈퍼컴퓨터 등 다양한 HPC 응용 분야에서 TSMC의 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate) 기술은 선도적인 역할을 하고 있으며, 실리콘 인터포저를 통해 고밀도 연결을 실현하고 있습니다. 이 포스트에서는 HPC 패키징의 필요성, 실리콘 인터포저의 역할, 그리고 CoWoS 기술의 세 가지 주요 플랫폼(CoWoS-S, CoWoS-L, CoWoS-R)을 살펴보겠습니다.

HPC 패키징에서 실리콘 인터포저가 필요한 이유

HPC 시스템은 고속 데이터 전송과 높은 집적도를 요구합니다. 기존의 PCB(인쇄 회로 기판) 위에 반도체 칩을 개별적으로 배치하던 방식은 한계가 있었습니다. 칩 간 거리가 20mm 이상으로 멀어질 경우 배선이 길어져 신호 왜곡과 전력 소모가 증가하게 됩니다. 특히 신호 주파수가 1GHz 이상으로 높아질수록, 이러한 문제는 더 두드러지게 나타납니다.

실리콘 인터포저는 이 문제를 해결하는 핵심 요소입니다. 인터포저는 반도체 다이를 가깝게 배치하여 배선 길이를 줄이고, 고주파 신호를 왜곡 없이 전달할 수 있게 합니다. 이를 통해 HPC 시스템에서는 고속 신호 전송 품질을 높이고 전력 효율을 향상시킬 수 있습니다.

CoWoS 기술과 실리콘 인터포저의 역할

TSMC의 CoWoS 기술은 실리콘 인터포저를 이용해 로직 다이와 고대역폭 메모리(HBM) 간의 고밀도 연결을 가능하게 합니다. 이는 고성능을 요구하는 컴퓨팅 환경에서 매우 유리한 구조로, 더 작은 공간에 높은 성능을 구현할 수 있습니다.

CoWoS 기술의 세 가지 주요 플랫폼 비교

1. CoWoS-S: 실리콘 인터포저 기반 고밀도 패키징

CoWoS-S는 실리콘 인터포저를 사용해 초고성능 컴퓨팅에 필요한 고밀도 연결을 제공합니다. 인터포저는 다양한 로직 칩렛과 HBM 모듈을 큰 면적에 배치하여 고밀도 집적을 실현하며, 최대 3.3배 레티클 크기(약 2700mm²)까지의 인터포저를 지원합니다.

주요 특징

• 고밀도 연결: 실리콘 인터포저 위에 로직 다이와 HBM 모듈을 함께 배치하여 데이터 전송 속도를 극대화합니다.
• 깊은 트렌치 커패시터(DTC): 전력 효율을 높이고 데이터 전송 속도를 최적화합니다.

CoWoS-S (Chip on Wafer on Substrate with silicon interposer)

2. CoWoS-R: RDL 인터포저 기반의 확장형 패키징

CoWoS-R은 재분배층(RDL) 인터포저를 사용해 SoC와 HBM 간의 이종 통합을 지원합니다. RDL 인터포저는 폴리머와 구리 배선으로 구성되어 있어 유연성이 뛰어나며, 패키지 크기 확장이 용이합니다.

주요 특징

• RDL 인터포저: SoC와 HBM을 유연하게 연결해 복잡한 시스템을 효과적으로 통합할 수 있습니다.
• 강화된 C4 접합: 유연한 RDL 소재로 인해 C4 접합의 내구성이 강화되어 패키징 확장이 가능해졌습니다.

3. CoWoS-L: LSI 기반의 칩 후공정 패키징

CoWoS-L은 CoWoS-S와 InFO(Integrated Fan-Out) 기술을 결합한 것으로, Local Silicon Interconnect (LSI) 칩과 RDL 레이어를 사용해 다이 간 고밀도 연결을 제공합니다. 이 플랫폼은 고성능 데이터 전송과 전력 관리 기능을 최적화하여, HPC 환경에서 요구되는 유연성을 극대화합니다.

주요 특징

• LSI 칩: 다양한 연결 아키텍처(SoC-to-SoC, SoC-to-칩렛 등)를 지원하며 여러 제품에서 재사용이 가능합니다.
• 몰딩 기반 인터포저: Through InFO Via(TIV)를 통해 고속 신호 전송 중 신호 손실을 최소화합니다.
• 전력 관리 강화: 독립적인 깊은 트렌치 커패시터를 통해 SoC 다이 아래 전력 효율을 최적화합니다.

고성능 컴퓨팅(HPC) 응용에서 CoWoS 플랫폼의 세 가지 기술(CoWoS-S, CoWoS-R, CoWoS-L)은 각각의 고유한 강점을 가지고 있습니다. CoWoS-S는 고밀도 연결이 필요한 시스템에 적합하고, CoWoS-R은 유연한 RDL 인터포저를 통해 다양한 기능을 통합할 수 있으며, CoWoS-L은 LSI와 RDL 레이어를 통해 신호 전송 품질과 전력 관리를 개선합니다.

TSMC의 CoWoS 기술은 향후 AI, 슈퍼 컴퓨팅 등 고성능 컴퓨팅 분야에서 필수적인 역할을 할 것이며, 다양한 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위한 필수적인 솔루션으로 자리잡고 있습니다.