Chiplet과 TSV의 역할

AI 초거대 언어 모델의 성능을 위한 패키징 기술, Chiplet과 TSV의 역할

AI와 데이터 중심의 고성능 컴퓨팅이 발전하면서 반도체 산업에서도 고성능 칩 개발이 핵심 과제로 떠오르고 있습니다. 특히 AI 초거대 언어 모델과 같은 복잡한 연산을 처리하는 데에는 막대한 메모리와 연산 능력이 필요합니다. 그러나, 이 같은 요구 사항을 단일 메모리나 단일 프로세서로 감당하기는 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 Chiplet 패키징 기술이 주목받고 있으며, 이와 함께 반도체 적층 기술인 TSV(Through-Silicon Via)가 중요한 역할을 합니다.

Chiplet: 여러 개의 칩을 하나의 반도체처럼 작동시키는 기술

Chiplet은 하나의 칩에 모든 기능을 집약하기 어려울 때, 각각의 기능별로 칩을 분리해 만든 후 패키징을 통해 연결하여 마치 하나의 반도체처럼 작동하게 하는 기술입니다. 예를 들어, AI 모델의 연산을 처리하는 CPU, GPU, 메모리 칩을 각각 최적화하여 별도의 Chiplet으로 만들고 이를 고속으로 연결함으로써 성능을 극대화할 수 있습니다. Chiplet 방식은 다음과 같은 장점을 제공합니다.

1. 유연한 기능 구현: 필요에 따라 메모리, 연산 유닛, I/O 기능을 각각 분리하고, 이를 고성능 패키징으로 연결하여 높은 성능을 유지하면서 다양한 기능을 구현할 수 있습니다.
2. 비용 절감: 미세 공정 비용이 높은 핵심 부품만 최신 공정을 적용하고, 나머지는 기존 공정을 사용할 수 있어 경제적입니다.
3. 열 관리 효율성: 칩을 분리함으로써 발열이 분산되고, 개별 칩에서 열을 효과적으로 방출할 수 있어 안정성을 높입니다.

I/O 문제와 Flip-Chip Bonding 기술의 발전

과거 반도체에서 칩과 외부 장치 간 통신은 와이어 본딩(Wire Bonding)을 사용해 왔습니다. 이는 금속 선으로 연결된 구조였으나, 옆으로 길게 배선이 이어져 면적을 많이 차지하며 전송 속도에도 한계가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 플립칩 본딩(Flip-Chip Bonding)이 개발되었습니다. 이 기술은 칩의 I/O 핀을 더 작고 많이 만들어 높은 핀 밀도와 빠른 통신을 가능하게 했습니다. Flip-Chip은 칩을 뒤집어서 솔더 범프(solder bump)를 칩 표면에 직접 부착하는 방식으로, 기존의 와이어 본딩에 비해 공간 효율성과 신호 전송 속도에서 큰 개선을 이루었습니다.

적층 방식의 발전과 Multi-Chip Package(MCP)

칩의 집적도를 높이기 위해 Multi-Chip Package (MCP) 방식도 활용됩니다. MCP는 반도체 칩을 위로 쌓아 올리는 방식으로, 여러 개의 칩을 한 패키지 안에 적층하여 구성합니다. 이 방식은 공간 효율이 높아지고 회로를 더 많이 집적할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나, 각 칩이 옆으로 연결되는 방식이므로 배선 길이가 길어질 수밖에 없고, 배선 간 신호 간섭이나 열 방출 문제로 인해 한계가 존재합니다.

TSV(Through-Silicon Via): 수직 연결을 통한 최적의 경로 제공

MCP의 한계를 극복하고자 개발된 기술이 바로 TSV(Through-Silicon Via)입니다. TSV는 칩에 수직 구멍을 뚫어 구리 같은 고전도성 금속을 채워 연결하는 방식으로, 기존의 와이어 본딩보다 훨씬 짧은 연결 경로를 제공합니다. TSV의 장점은 다음과 같습니다.

1. 짧은 전송 경로: 칩 내부와 외부의 거리를 최소화해 전송 지연을 줄이고 빠른 데이터 처리가 가능합니다.
2. 더 많은 I/O 핀: 구멍을 통해 어느 위치든 배선을 배치할 수 있어 I/O 핀의 개수를 늘리는 것이 용이합니다.
3. 고속 통신: 배선 길이가 짧아져 신호 전달이 빠르고 안정적입니다.

TSV는 현재 고성능 컴퓨팅, AI, 데이터 센터 등의 고밀도 및 고속 처리가 필요한 응용 분야에서 필수적인 기술로 자리 잡고 있습니다.