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CoWoS: 첨단 반도체 패키징 기술의 발전과 산업 동향

일일 보고서 2024년 09월 05일
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목차

  1. 요약
  2. CoWoS 기술 개요
  3. CoWoS 기술의 기술적 도전과 발전
  4. 일본 반도체 산업과 CoWoS 도입
  5. 경쟁사 및 대안 기술 동향
  6. CoWoS 기술의 산업 동향
  7. 결론

1. 요약

  • 이 리포트는 CoWoS(Cube on Wafer on Substrate) 기술의 주요 개념, 개발 역사, 및 현재의 산업 동향을 다룹니다. TSMC가 개발한 CoWoS 기술은 높은 성능이 요구되는 AI 반도체 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야에서 핵심적인 역할을 하며, 최근 일본 시장으로의 확장 가능성도 검토되고 있습니다. 리포트는 CoWoS 기술의 정의, 적용 사례, 2.5D 패키징의 한계, 새로운 CoWoS-R 기술, 일본 반도체 산업과의 협력, 그리고 경쟁사들의 대안 기술을 상세히 설명합니다. 또한, 글로벌 반도체 공급망 변화와 지속 가능한 반도체 제조 공정으로서 CoWoS 기술의 역할도 강조됩니다.

2. CoWoS 기술 개요

  • 2-1. CoWoS 기술 정의 및 원리

  • CoWoS(Chip on Wafer on Substrate)는 인쇄회로기판(PCB) 대신 인터포저라는 판 위에 메모리와 로직 반도체를 올리는 고성능 반도체 패키징 기술입니다. 이 기술은 칩 간 연결을 빠르게 할 수 있어 고성능 컴퓨팅(HPC) 분야에서 각광받고 있습니다.

  • 2-2. TSMC의 CoWoS 기술 개발 역사

  • TSMC는 2012년에 CoWoS 기술을 처음 도입하였으며, 이 기술은 이후 고성능 컴퓨팅(HPC) 업계의 선호로 지속적인 진화를 거듭해왔습니다. 최근 인공지능(AI) 수요의 급증에 따라 CoWoS 생산 능력을 연내 2배로 늘릴 계획을 발표하였습니다.

  • 2-3. 고성능 컴퓨팅(HPC)과 AI에서의 CoWoS 적용 사례

  • CoWoS 기술은 B200 칩셋과 같은 응용 프로그램에 활용되어 블랙웰 그래픽 처리 장치 2개를 결합해 8개의 고대역폭 메모리(HBM)와 연결하는 방식으로 빠른 데이터 처리량과 가속화된 컴퓨팅 성능을 구현합니다. 현재 TSMC의 CoWoS 고객 대부분은 미국에 있으며, 최근에는 일본 시장에 도입을 검토하는 단계에 있습니다.

3. CoWoS 기술의 기술적 도전과 발전

  • 3-1. 2.5D 패키징 기술의 한계

  • 현재 반도체 성능 고도화를 위한 기업들(IDM 및 파운드리)의 차세대 패키징 기술 경쟁이 심화되고 있습니다. 특히, 인공지능(AI) 반도체 패키징 기술은 기존 2.5D 패키징 기술이 한계에 직면하고 있다는 판단이 제기되고 있습니다. AI 가속기에 탑재되는 고대역폭 메모리(HBM)의 개수가 향후 24개로 증가할 예정이지만, 기존 2.5D 패키징으로는 이를 구현하기 어려울 것이라는 우려가 있습니다.

  • 3-2. CoWoS-R 기술의 등장과 개선점

  • TSMC는 팬아웃 패키징 기술을 적용한 'CoWoS-R' 기술을 개발하여 문제를 해결하고 있습니다. CoWoS-R 기술은 실리콘 인터포저 대신 재배선층(RDL) 인터포저를 활용하며, 이로 인해 패키징의 수율이 97%에 달할 것으로 전망됩니다. 이는 코어 성능을 극대화하고, 보다 경제적인 패키징 솔루션으로 자리 잡을 가능성이 있습니다.

  • 3-3. TSMC의 인터포저와 팬아웃 패키징 기술

  • TSMC의 2.5D 패키징 기술은 고대역폭 메모리(HBM)를 고속 프로세서와 연결하기 위해 실리콘 인터포저를 활용하는 방식입니다. 그러나 실리콘 인터포저의 크기가 커질수록 수율이 낮아지고 가격이 비싸지는 문제가 발생하고 있습니다. 이에 따라 TSMC는 팬아웃 기술로 입출력(I/O) 극대화를 도모하고 있으며, 삼성전자와 인텔도 유사한 패키징 방식을 연구하고 있습니다. 또한, SK하이닉스는 팬아웃 기술을 응용하여 저전력 D램 패키지의 신뢰성을 높이는 작업을 진행하고 있고, 이는 기존 플립칩-볼그리드어레이(FC-BGA) 패키징보다 더 얇은 제품을 생산할 수 있도록 합니다.

4. 일본 반도체 산업과 CoWoS 도입

  • 4-1. TSMC의 일본 진출 검토

  • 세계 최대 반도체 수탁생산(파운드리) 업체인 TSMC가 해외에서 처음으로 일본에 최첨단 패키징 공정인 CoWoS를 도입할 계획을 검토하고 있습니다. 이 공정은 인공지능(AI) 반도체 제조에서 필수적이며, 엔비디아, AMD, 브로드컴의 주문이 몰리고 있어 생산 능력을 늘릴 필요가 커지고 있습니다. TSMC의 CoWoS 생산 공정은 현재 대만에서만 이루어지고 있으며, 일본에 도입될 경우 반도체 산업 부활에 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다. 다만, 해당 논의는 초기 단계로 구체적인 투자 규모나 일정은 결정되지 않았습니다.

  • 4-2. 일본 반도체 공급망과 소재 업체의 역할

  • 일본은 반도체 소재 및 장비 제조업체를 보유하고 있으며, 이는 CoWoS 기술 도입에 유리한 위치에 있다는 평가를 받고 있습니다. TSMC의 CoWoS 고객 대부분이 미국에 있다는 점은 일본 시장에서의 수요가 아직 명확하지 않음을 시사합니다. 하지만 일본 정부가 반도체 제조 허브의 부활을 지원하고 있는 가운데, 일본의 일부 기업들은 TSMC와 제휴를 통해 협력하고 있으며, 총 투자액이 200억 달러에 이를 것으로 예상되고 있습니다.

  • 4-3. TSMC와 일본 기업 간 협력 및 투자

  • TSMC는 일본의 주요 기업들과 협력 관계를 맺고 있으며, 소니 및 도요타 등의 기업과 공동 투자하고 있습니다. TSMC는 일본에 연구 개발 시설을 설립할 계획도 고려 중이며, 이는 일본의 반도체 공급망 강화에 기여할 것으로 예상됩니다. TSMC 외에도 삼성전자와 인텔이 일본에 반도체 패키징과 관련한 시설 투자를 진행하고 있어, 일본의 반도체 산업 발전에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보입니다.

5. 경쟁사 및 대안 기술 동향

  • 5-1. 대한민국의 반도체 패키징 기술 동향

  • 대한민국의 반도체 패키징 기술은 현재 급속히 발전하고 있으며, 특히 삼성전자가 FO-PLP(팬아웃-패널레벨패키징) 기술에注力하고 있습니다. 삼성전자는 대만의 TSMC를 따라잡기 위한 기술 연구 및 개발을 지속하고 있으며, 최근에는 펀드리(위탁 생산) 업계에서 FO-PLP 공정에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 엔비디아와 AMD와 같은 주요 칩셋 설계사들이 이 기술을 통해 신규 칩을 양산할 것이라는 전망도 나왔습니다. FO-PLP 공정은 기존 웨이퍼보다 넓은 기판을 사용하여 더 많은 칩을 배치할 수 있어 생산 효율과 비용 절감 효과를 기대할 수 있습니다.

  • 5-2. 삼성전자의 FO-PLP 및 PLP 기술

  • 삼성전자는 FO-PLP 기술을 활용하여 반도체 패키징 시장에서 주목받고 있으며, 연내 대량 생산을 위해 필요한 연구개발 투자도 적극적으로 진행하고 있습니다. 팬아웃 기술은 고대역폭 메모리(HBM) 및 GPU를 통한 성능 향상을 목표로 하고 있으며, 특히 AI 가속기와 연계된 패키징 구조에 적합합니다. 삼성전자는 PLP 기술을 통해 웨어러블 기기에 적용될 반도체 소자의 양산을 시작하여, 향후 대면적 반도체로의 확대 적용 계획도 갖고 있습니다.

  • 5-3. 인텔과 SK하이닉스의 팬아웃 기술 적용 사례

  • 인텔과 SK하이닉스는 팬아웃 기술을 접목한 새로운 패키징 방법을 개발 중입니다. 인텔은 삼성전자의 PLP 방식과 유사한 기술을 연구하여, 반도체 고밀도 집적화의 필요성을 되새기며, 테스트 소켓과 표면 실장 기술 등 여러 기술적 요소를 고려하고 있습니다. 현재 SK하이닉스는 팬아웃 기술에 와이어 본딩 기술을 추가 적용하여 저전력 D램 패키징의 신뢰성을 확보하고 있다는 발표를 하였습니다. 이러한 기술들은 반도체 성능 고도화에 기여하고 있으며, 앞으로의 경쟁력 확보에 도움이 될 것입니다.

6. CoWoS 기술의 산업 동향

  • 6-1. AI와 HPC의 필요성 증가에 따른 CoWoS 수요 예측

  • AI 가속기에 탑재되는 고대역폭 메모리(HBM)는 현재 6~8개에서 향후 24개까지 늘어날 예정입니다. 기존 2.5D 패키징 방식으로는 이러한 증가된 수요를 충족시키기 어려울 것으로 전망되고 있습니다. TSMC의 CoWoS 기술은 AI 반도체 패키징에 필수적인 요소로 자리매김하고 있으며, 시장에서 이를 대체할 차세대 기술로 주목받고 있습니다.

  • 6-2. 지속 가능한 반도체 제조 공정으로서의 CoWoS

  • TSMC는 CoWoS-R 기술을 통해 팬아웃 패키징 방식을 적용하고 있어, 수율이 97%에 달하고 있습니다. 이는 고대역폭 메모리(HBM)와 프로세서를 연결하는 데 있어서 효율적이며, 제조 과정에서 생산성이 높아지는 장점이 있습니다. 또한 팬아웃 기술은 칩보다 큰 패키지를 적용하여 입출력(I/O)을 극대화할 수 있습니다.

  • 6-3. 글로벌 공급망의 변화와 CoWoS 기술의 역할

  • TSMC의 CoWoS 기술은 일본 시장으로의 확장을 계획하고 있으며, 이를 통해 글로벌 공급망의 변화에 발맞추고 있습니다. 업계 전문가들은 반도체 생산에서 더 높은 수준의 장비와 재료 정밀도가 필요하다고 언급하고 있으며, 이러한 요구는 CoWoS와 같은 첨단 패키징 기술의 중요성을 더욱 부각시키고 있습니다.

7. 결론

  • 이번 리포트는 CoWoS 기술이 반도체 패키징 기술의 발전과 반도체 산업 전반의 발전에 어떻게 기여하고 있는지 종합적으로 분석하였습니다. CoWoS 기술은 특히 AI와 HPC 분야에서 높은 성능을 요구하는 응용 프로그램에 필수적인 기술로 자리매김하고 있으며, TSMC와 같은 주요 기업들이 이를 통해 시장 경쟁력을 확보하고 있습니다. CoWoS-R 기술의 등장으로 인해 패키징 수율과 경제적 효율성을 높이는 개선이 이루어졌습니다. TSMC의 일본 시장 진출 검토는 글로벌 공급망 변화에 대응하며, CoWoS 기술의 활용 범위를 확장하고 있습니다. 반도체 산업의 지속 가능성과 혁신적인 패키징 기술의 중요성은 날로 커지고 있으며, 대한민국의 FO-PLP와 같은 대안 기술들도 경쟁력을 높이고 있습니다. 앞으로 CoWoS 기술은 보다 다양한 산업에서 고성능 반도체의 수요를 충족시키며, 반도체 제조 및 패키징 기술의 미래를 선도할 것으로 기대됩니다.

8. 용어집

  • 8-1. CoWoS [기술]

  • CoWoS(Cube on Wafer on Substrate)는 TSMC가 개발한 첨단 반도체 패키징 기술로, 메모리와 로직 반도체를 실리콘 인터포저 위에 배치하는 방식입니다. 이를 통해 칩 간의 빠른 데이터 전송과 높은 대역폭을 제공하여, 특히 AI 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 응용 프로그램에 적합합니다.

  • 8-2. TSMC [회사]

  • TSMC(대만 반도체 제조 회사)는 CoWoS 기술의 개발사로, 현재 반도체 제조 및 패키징 분야에서 세계적인 리더로 자리매김하고 있습니다. TSMC는 AI 및 HPC 분야에서의 높은 수요를 충족시키기 위해 지속적으로 CoWoS 기술을 진화시키고 있습니다.

  • 8-3. FO-PLP [기술]

  • 팬아웃-패널레벨패키징(FO-PLP)는 기존의 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)을 대체하는 차세대 반도체 패키징 기술로, 더 큰 직사각형 기판을 사용하여 더 많은 칩을 효율적으로 배치할 수 있습니다. 삼성전자가 이 기술의 대표적인 개발사로 활동하고 있습니다.

  • 8-4. AI 반도체 [제품]

  • AI 반도체는 인공지능 응용 프로그램을 처리하기 위해 설계된 고성능 반도체로, 높은 대역폭과 낮은 지연 시간이 요구됩니다. CoWoS 기술은 이러한 AI 반도체의 성능을 극대화하기 위한 핵심 기술로 사용됩니다.

  • 8-5. HPC [기술]

  • 고성능 컴퓨팅(HPC)는 대규모 데이터를 빠르게 처리하기 위한 컴퓨팅 방식으로, 과학 연구, 산업 설계, 금융 모델링과 같은 분야에서 사용됩니다. HPC의 높은 성능을 위해 CoWoS와 같은 고급 패키징 기술이 필수적입니다.

9. 출처 문서