AI 시대 다시 시작하는 반도체 공부 - 미세화 한계에서 인공지능 등장까지 위기를 넘어 진화하는 반도체 기술들

베스트셀러 『반도체 제국의 미래』 정인성 작가의 반도체 미래 지도!

모바일 혁명과 인공지능 시대, 기회는 반도체에 있다.

 

모바일 등장에 이어 인공지능 혁명까지, IT 혁신은 우리를 늘 놀라게 하고 있다. 스마트폰은 첫 등장 이후 지금까지도 매해 기능이 늘어나고 있으며, 인공지능은 어느새 사람처럼 말하거나 그림을 그릴 수도 있게 되었다. 이들의 발전 뒤에는 매해 더 높은 용량과 빠른 성능을 제공해 온 반도체가 있었다. 스마트폰은 AP와 이를 가능하게 한 반도체 패키징 기술과 함께였고, 챗GPT와 같은 인공지능은 GPU와 HBM이라는 두 종류의 반도체와 함께했다.

 

그런데 문제는 반도체의 경쟁력을 지탱해 온 무어의 법칙과 데너드 스케일링은 더 이상 잘 작동하지 않는다는 점이다. 그렇다면 반도체는 이 위기를 어떻게 극복할 수 있을까?

이제 반도체는 기존과는 차원이 다른 혁신이 필요하다. 반도체 소자를 더욱 미세하게 만드는 제조 공정의 혁신을 계속해 나감과 동시에 제조된 칩 여러 개를 차원 적층하는 첨단 패키징, CXL과 PIM 같은 새로운 표준, 더 나아가 소프트웨어 개발과 플랫폼 기업과의 협업까지, 기존에 하지 않던 새로운 시도가 요구되고 있다.

 

이 책은 컴퓨터 탄생부터 모바일, 인공지능까지 IT 기술이 발전하는 과정에서 발생해 온 반도체 미세화의 어려움이 무엇이었고, 이를 어떤 수준에서 극복하려고 했는지 3가지 관점에서 살펴본다.

1. 아래에서 위로

새로운 장비의 도입, 제조 공정의 개선, 소자의 3차원 적층, 후면 금속 배선층 등을 통해 미세화의 어려움을 어떤 식으로 극복해 왔는지 살펴본다.

2. 안에서 바깥으로

AP와 HBM 등 새로운 반도체 패키징 기술로 만들어진 제품이 반도체 미세화의 어려움을 이겨냄으로써 모바일과 인공지능이라는 IT 업계의 거대 혁신의 동반자가 된 방법을 알아본다.

3. 공장 밖으로

제조와 패키징 기술로도 해결하기 어려운 문제를 CXL, PIM 등 반도체 고객과의 협업이 필요한 기술로 이겨내려는 새로운 수준의 노력을 알아본다.

 

미세화는 이제 반도체 기업만으로 풀 수 없을 정도로 난제가 되었다. 따라서 이 책은 반도체 제조 기업과 소프트웨어·플랫폼 기업 간의 새로운 협력이 필수적임을 예견한다.

독자들은 이 책을 통해서 현재 범람하고 있는 수많은 반도체 기술과 용어의 등장 배경과 각 용어가 가진 진짜 의미를 이해하게 될 것이다. 나아가 IT 혁신과 반도체 신기술을 함께 바라보는 안목을 갖게 될 것이다.

 

모바일과 인공지능 혁명이 더욱 가속화되고 있는 시점에, 반도체 산업의 본질을 이해하고 기회를 찾고 싶은 독자들에게 이 책을 추천한다.

[목 차]

프롤로그 아래에서 위로 향하는 반도체 여정

 

1장 무어의 시대

01. 소프트웨어와 컴퓨터

소프트웨어, 인간의 꿈

컴퓨터, 꿈을 이루는 도구

 

02. 인류의 축복, 트랜지스터와 컴퓨터

컴퓨터 부품의 벽돌: 트랜지스터

반도체 제조의 두 축복: 무어와 데너드

최초의 승자들: CPU, D램, 낸드 플래시

 

03. 반도체 만들기

반도체 설계

반도체 제조(전공정)

반도체 패키징(후공정)

다양한 반도체 사업 모델

 

2장 미세화의 진척과 반도체 제조의 고민

01. 노광 잔혹사: 패턴 그리기의 어려움

간략한 노광의 역사

EUV의 등장과 제조 회사의 어려움

새 광원이 없는 미래: 하이-NA

 

02. 데너드여 안녕: 작게 그려도 잘 동작하지 않는 반도체

트랜지스터 동작 자세히 보기

양자 효과와 누설전류

 

3장 아래층에서 위층까지: 전공정의 문제 극복하기

01. 전공정의 미세화 방식

소자층 기술 사용처 요약

일회용 밀도 부스터, 밀도와 성능

 

02. 소자층의 문제: 작은 트랜지스터 만들기

게이트를 강화하는 고품질 물질: High-k Metal Gate

채널 유효 폭 넓히기: 핀펫, 게이트 올 어라운드(나노시트)

D램 채널의 유효 거리 넓히기: Recessed Channel

D램 미세화의 한계와 소자 적층: 수직 채널(Vertical Channel)

단위 저장소의 3차원화: 3D낸드와 3D D램

 

03. 금속배선의 문제: 소자와 소자 연결하기

미세화가 금속배선에 일으키는 문제

새로운 배선 소재: 알루미늄, 구리, 그다음

미시 세계의 땜납: 컨택

얇은 절연막으로 전류 막기: 로우-k

웨이퍼의 뒷면까지: 후면전력공급(BSPDN)

 

04. 개선되지 않는 소자로 반도체 만들기: 설계와 미세화

미세화와 데이터 결함: 오류정정부호

미세화로 발생하는 물리적 보안 취약점: 로우해머

설계 회사가 함께하는 제조: DTCO

고밀도 제조와 고성능 제조의 완충재: 캐시 메모리

차를 빠르게 할 수 없다면 차선을 넓게: GDDR과 HBM

 

4장 전공정 바깥 세상의 전쟁: 패키징

01. 새로운 패키징의 등장

패키징 용어와 의미

패키징을 바라보는 관점: 공간 활용과 배선 효율성

패키징 황금기의 1등 공신: 모바일

 

02. 패키징 요소기술의 발전

배선 거리 좁히기: 와이어 본딩에서 플립칩까지

배선 밀도 높이기: 더 나은 패키지 기판을 향하여

부품 결합하기: 리드프레임(핀), 볼, 범프

전공정과 패키징 사이: 재배선층

여러 칩 함께 사용하기: 다이 스태킹과 PoP

생산성 향상과 패키지 크기: 웨이퍼 레벨 패키징, 팬인, 팬아웃

 

03. 다양한 패키징 예시

간단한 아이디어를 통한 큰 개선: 플립 칩과 CPU

상호작용이 큰 두 칩 결합: 멀티 칩 패키징

가격 효율이 높은 다중 칩 패키징: 와이어 본딩과 다이 스태킹

두께와의 싸움: 모바일 AP와 패키지 온 패키지

모바일 메모리의 새로운 패키징: 수직 팬아웃(VFO: Vertical Fan Out)과 수직 구리 기둥 스택(VCS: Vertical Cu-Post Stack)

 

5장 바깥세상으로 나오는 전공정: 3차원, 2.5차원 패키징

01. 전공정 기술과 함께

첨단 패키징 용어와 의미

공정 미세화의 한계와 패키징

 

02. 3차원, 2.5차원 패키징의 주요 요소 기술

전공정 기술로 구현하는 와이어 본딩: TSV

볼과 범프의 최종 진화: 하이브리드 본딩

기판을 대체하는 웨이퍼: 실리콘 인터포저

기판과 실리콘 인터포저의 장점만: 실리콘 브리지

 

03. 다양한 3차원 패키징 제품 예시

제조 효율 높이기: 낸드 플래시와 칩 3차원 적층

패키징을 통한 신규 제품: AMD의 3D V-Cache

공간 절약과 고밀도 연결을 위한 연결: HBM

액티브 인터포저 + 패키징 종합세트: 레이크필드

 

04. 다양한 2.5차원 패키징 제품 예시

2.5차원 패키징으로 만든 가속기: NVIDIA A100

CPU를 결합한 인공지능 가속기: AMD MI300A

가성비 패키징의 한계: 인텔 사파이어 라피즈

 

6장 패키지 밖으로: 전용 반도체, 새로운 개념

01. GPU, NPU, TPU: 역할과 구현

02. CXL: 새로운 표준을 통한 개선

03. PIM: 컴퓨터의 정의를 바꾸려는 메모리

 

7장 시점을 바꿔: 사용자가 보는 반도체

01. 모바일이 일으킨 저전력, 고밀도 유행

02. 인공신경망으로 인한 고성능 반도체 격변

 

결론

01. 미세화의 어려움: 1회용 부스터, 3차원화

02. 공장을 벗어나는 반도체 산업

[본 문]

반도체 산업은 반도체 제조 장비를 이용해 더 작고 효율 좋은 소자를 낮은 원가로 제조한 뒤, 이를 금속배선으로 연결함으로써 최종적으로는 더 나은 처리장치와 저장장치 등의 컴퓨터 부품을 만들어 내는 사업이다. 반도체 회사는 신제품을 개발하여 컴퓨터 회사로부터 더 많은 수익을 올리고, 새로운 고성능 컴퓨터를 구입한 사람은 기존 프로그램을 더욱 빠르게 구동하거나, 기존에는 구동할 수 없던 프로그램을 구동할 수 있게 된다. 이렇게 발생하는 부가가치 중 일부는 다시 반도체 회사에 매출의 형태로 유입되어 미세화에 추가 투자가 이루어짐으로써 반도체 산업, 나아가 IT 산업이 성장하는 선순환이 일어난다. 달리 말하면, 더 작고 효율 좋은 소자를 만들어 내지 못하면 이 선순환이 깨진다는 의미이다. (61쪽)

 

반도체 미세화는 채널 폭뿐만 아니라 채널의 길이에도 영향을 끼친다. 미세화로 인해 트랜지스터 채널의 양 끝인 소스와 드레인의 거리가 매해 가까워지자, 양자 효과 중 하나인 단채널 효과Short Channel Effect가 커지기 시작했다. 단채널 효과는 게이트가 닫힌 상태임에도 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르는 현상이다. 앞서 하이-k 금속 게이트 기술에서 게이트와 채널 사이의 누설 전류에 관해 알아보았는데, 단채널 효과는 동일한 현상이 소스와 드레인 사이에서 발생하는 것이라고 이해하면 좋다. 당연하지만, 이 역시 더 작은 트랜지스터를 만들면 일어나는 피할 수 없는 물리 현상이다. (112쪽)

 

와이어 본딩과 다이 스태킹은 가장 오래된 반도체 패키징 기술이지만, 반도체 시장에서 마지막까지 살아남을 기술이기도 하다. 기술이 오래되었다는 것은 신뢰성과 안정성이 그만큼 높다는 의미이며, 구조가 단순한 만큼 제조 단가도 낮아서 면적 대비 가격이 낮은 메모리 반도체와 궁합이 특히 뛰어나기 때문이다. 컴퓨터라는 개념 자체가 사라지지 않는 한, 와이어 본딩과 다이 스태킹은 우리 주변에 언제나 존재할 것이다. (212쪽)

 

스마트폰이 삶의 필수품이 되자, 사용자들은 스마트폰에 더욱 많은 것을 요구하기 시작하였다. 그중 가장 핵심적인 요구는 고성능과 배터리 사용시간 증가였다. 이는 마치 짐을 두 배로 싣지만, 연비는 더 높은 자동차를 만들어 달라는 요청과도 같다. 이를 만족시키기 위해 스마트폰 제조사들은 핵심 부품을 저전력 부품으로 바꿔야 했다. 당연하지만, 제품 중 가장 많은 전력을 사용하는 것은 스마트폰의 처리장치인 AP와 저장장치인 메모리였다. 이 두 부품은 전력 효율이 높아야 했다. 또한 크기가 작은 부품을 기기 내부에 채용하여 물리적공간을 절약하는 것도 중요한 과제였다. 작은 공간에 더 많은 배터리뿐 아니라 GPS, 컨택리스 결재용 NFC 등과 같은 많은 센서를 탑재해야 하기 때문이다. (312쪽)