AI 시대의 반도체 혁신: 이종접합 기술과 유리 기판의 미래

1. 요약

• 현재 반도체 업계는 산업의 발전과 함께 직면한 심각한 도전 과제들을 안고 있습니다. 대표적으로 칩 미세화의 물리적 한계와 트랜지스터 집적 비용 상승이라는 두 가지 문제는 반도체 기술의 미래를 위협하고 있습니다. 이러한 도전은 반도체 제조 공정의 복잡성과 비용 상승을 초래하였으며, 이에 따라 산업 내에서도 새로운 솔루션의 필요성이 대두되고 있습니다. 이종접합 기술은 이러한 문제 해결의 열쇠로 떠오르고 있으며, 특히 SKC의 자회사인 앱솔릭스에서 개발한 유리 기판은 이 기술의 적용 사례로 주목받고 있습니다. 유리 기판은 낮은 열 팽창률과 뛰어난 절연성을 갖추고 있어 기존 유기소재에 비해 많은 장점을 제공합니다. 이 기술은 효율적으로 서로 다른 소자들을 통합하여 성능과 비용 효율을 극대화할 수 있도록 돕습니다.

• 결국, 이종접합 기술과 유리 기판의 발전은 반도체 산업의 패러다임을 변화시키고 있으며, 이는 AI 시대의 고도화된 요구에 부응하기 위한 필수 조건으로 자리 잡을 것입니다. 이 보고서는 현재 반도체 산업의 현황과 이종접합 기술의 가능성을 심층적으로 탐구하며 향후 전망에 대한 인사이트를 제공합니다. 독자에게는 이러한 기술들이 향후 반도체 시장에 미치는 영향을 배경 지식으로 갖추길 바랍니다.

2. 현재 반도체 업계의 현황과 도전 과제

• 2-1. 반도체 칩 미세화의 물리적 한계

• 반도체 업계는 오랜 시간 동안 칩 미세화에 주력해 왔으며, 이는 반도체 기술의 발전에 있어 핵심적인 요소로 자리 잡았습니다. 하지만 최근에는 이러한 미세화가 물리적 한계에 도달하게 되면서 새로운 도전에 직면하게 되었습니다. 실제로 실리콘 칩 내 집적회로의 크기가 기하급수적으로 작아지면서, 칩에 집적할 수 있는 트랜지스터의 수가 증가하였지만, 일정 시점 이후에는 물리적인 구조적 한계로 인해 더 이상의 미세화가 어렵게 되었습니다. 예를 들어, 현재 상용화된 5nm 기술에서도 미세화의 한계가 극명하게 드러나는 상황입니다.

• 이러한 미세화의 한계를 극복하기 위해서는 기존의 제조 기술로는 불가능한 새로운 접근이 필요합니다. 예를 들어, 기존의 트랜지스터와 회로 설계 방식에서 벗어나 이종접합 기술이나 새로운 재료의 도입이 논의되고 있습니다. 특히, 이는 chiplet 기반 디자인이나 모듈화된 아키텍처를 통해 해결되고자 합니다.

• 2-2. 트랜지스터 집적 비용 상승 현상

• 트랜지스터의 집적 비용 상승은 반도체 업계의 또 다른 주요 도전 과제입니다. 칩의 미세화가 진행됨에 따라 제조 공정의 복잡성이 증가하게 되고, 그 결과로 발생하는 추가 비용이 칩 가격을 양산적으로 끌어올리고 있습니다. 예를 들어, 현재 5nm 공정에 이르면 제조 효율성은 낮아지고, 사용할 수 있는 장비의 수명도 단축되는 현상이 발생하여 생산 비용이 증가하게 됩니다.

• 이런 상황에서는 기업들이처럼 적정 가격대를 유지하기 위해 과감한 기술 투자와 혁신이 요구됩니다. 또한, 고비용 구조에서 벗어나기 위해 이종접합 기술을 채택하거나 새로운 패키징 기술이 도입됨으로써 성능을 유지하면서도 비용을 절감하는 전략이 고려되고 있습니다.

• 2-3. AI 시대에 요구되는 반도체 성능의 고도화

• 우리가 살고 있는 AI 시대는 반도체에 대한 새로운 요구로 가득 차 있습니다. 다양한 AI 응용 프로그램은 빠른 처리 속도와 높은 연산 능력을 요구하며, 이를 충족시키기 위한 반도체 성능의 고도화는 필수적인 상황이 되었습니다. AI 모델의 복잡성이 증가함에 따라 반도체 칩 역시 그에 상응하는 성능을 제공해야 하며, 이는 새로운 기술의 도입과 혁신을 요구하고 있습니다.

• 이러한 가운데 이종접합 기술의 필요성이 더욱 부각되고 있으며, 이는 서로 다른 유형의 칩들을 하나의 패키지로 통합함으로써 시스템의 성능을 극대화하는 방식으로 진행되고 있습니다. 이와 함께 유리 기판과 같은 신기술도 주목받고 있으며, 이러한 기술들은 AI 반도체의 성능을 대폭 향상시키는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

3. 이종접합(Heterogeneous Integration) 기술의 가능성

• 3-1. 이종접합 기술의 정의 및 작동 원리

• 이종접합(Heterogeneous Integration) 기술은 서로 다른 종류의 반도체 소자들을 하나의 패키지 내에서 통합하여 성능과 효율성을 극대화하는 방식을 의미합니다. 이 기술의 핵심은 다양한 소자들을 연결하여 이들이 서로 보완적으로 작용하게 만드는 것입니다. 예를 들어, 고대역폭 메모리(HBM)와 그래픽 처리 장치(GPU)를 수평으로 적층하여 하나의 패키지로 구성함으로써 모든 소자가 최적의 성능을 발휘하게 할 수 있습니다.

• 이 같은 기술은 단일 시스템온칩(SoC, System on Chip) 방식의 한계를 극복하는 데 큰 역할을 합니다. 단일 SoC는 높은 집적도를 가지지만, 설계 및 제조 과정에서의 복잡성, 미세화에 따른 물리적 한계, 트랜지스터의 열적 문제 등 여러 문제가 발생할 수 있습니다. 이종접합 기술은 이러한 문제를 해결하고, 다양한 반도체 소자를 결합함으로써 성능과 비용 효율성을 동시에 이끌어내는 데 특정한 장점을 가지고 있습니다.

• 3-2. 기존 시스템온칩(SoC)과의 차별성

• 기존의 시스템온칩(System on Chip) 기술은 모든 기능을 단일 칩에 집약하려는 접근 방식으로, 제한된 공간에 많은 기능을 통합하려는 것입니다. 그러나 칩의 크기가 커짐에 따라 열 발생, 전력 소모, 제조 비용이 증가하는 문제가 발생합니다. 반면 이종접합 기술은 기능적으로 서로 다른 소자들을 조합하여 효과적인 통합을 수행합니다.

• 이종접합의 주요 장점 중 하나는 필요에 따라 다양한 소자를 자유롭게 결합할 수 있다는 점입니다. 예를 들어, 고성능의 프로세서와 특화된 메모리를 적층하는 대신, 이종접합 기술을 활용하면 각 소자의 특성에 맞는 최적의 조합을 사용하여 성능 저하 없이 비용을 절감할 수 있습니다. 이는 또한 하드웨어 설계의 유연성을 높이며, 특정 애플리케이션에 최적화된 솔루션을 제공하는 데 기여합니다.

• 3-3. 칩 패키징 혁신이 주는 기회

• 칩 패키징 기술의 혁신은 반도체 산업에서 새로운 기회를 창출하고 있습니다. 특히 이종접합 기술은 다양한 반도체 소자의 조합을 용이하게 해 갑작스러운 기술 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 기반을 제공합니다. 예를 들어, 기존의 2.5D 또는 3D 패키징 방식은 특정 소자의 조합을 제한하는 반면, 이종접합 기술은 각 소자의 성능을 독립적으로 유지하면서도 통합하여 사용하게 합니다.

• 특히, 유리 기판과 같은 새로운 패키징 소재의 도입은 향후 이종접합 기술의 확산에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 유리 기판은 높은 절연성과 낮은 열 팽창률로 인해 발열 문제가 덜하고 회로 패턴 형성이 용이하여 이종접합 구조에서 효과적으로 사용될 수 있습니다. 이러한 발전은 반도체 패키징 시장에서 더 가볍고 더 생산 비용이 낮은 해결책을 제시하며, 새로운 기술 혁신을 이끌어낼 가능성이 큽니다.

4. 유리 기판의 역할과 향후 전망

• 4-1. 유리 기판의 기술적 특징

• 유리 기판은 반도체 패키지 기판에서 중요한 역할을 합니다. 기존의 유기소재 기판에 비해 매우 매끄러운 표면을 지니고 있어 회로 패턴 형성이 용이합니다. 이는 레이어 쌓기를 효율적으로 만들어주며, 적층세라믹커패시터(MLCC)와 같은 수동소자를 유리에 내장할 수 있는 가능성을 제공합니다. 유리 기판의 열 팽창 계수는 매우 낮아, 과열에 의한 휨 현상(Warpage)을 방지할 수 있습니다. 또한, 고유의 절연성 덕분에 특정 칩에서 발생한 열이 다른 칩으로 전파되는 것을 막아 전류 누출을 최소화합니다. 이러한 특성들은 무선 주파수(RF) 특성 또한 개선하여, 차세대 통신 기술인 6G에서도 유리한 성능을 발휘할 가능성을 제공합니다.

• 4-2. SKC 자회사 앱솔릭스의 발전 사례

• SKC 자회사 앱솔릭스는 유리 기판 분야에서 두각을 나타내고 있습니다. 특히, 앱솔릭스의 유리 기판은 반도체의 전공정에서 집중된 부하를 효과적으로 줄여주며 패키지 구조의 혁신을 이루어내고 있습니다. 이 회사는 유리 기판을 사용하여 FC-BGA의 코어층에 채택된 유기소재를 유리로 대체하여 가격도 낮추고 성능을 높이는 혁신을 이루었습니다. 이러한 발전은 단순히 기술적 혁신에 그치지 않고, 반도체 생태계의 전체적인 성장을 도모하는 기틀을 만들어가고 있습니다.

• 4-3. 유리 기판이 반도체 생태계에 미치는 영향

• 유리 기판의 도입은 반도체 산업에 상당한 영향을 미치고 있습니다. 첫째, 유리 기판은 고밀도의 회로 집적이 가능하여 반도체 칩의 성능을 대폭 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 유기소재의 한계를 극복하여 지속 가능한 반도체 제조가 가능해짐으로써, 환경적 측면에서도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 마지막으로, 유리 기판의 도입으로 인해 새로운 제조 프로세스나 장비가 필요하게 되면서, 관련 기업들이 생태계의 일부로 자리 잡고 협력할 수 있는 기회도 확대될 것입니다. 이와 같은 발전은 향후 반도체 산업 환경을 변화시키고, AI 시대의 요구에 부합하는 성능을 갖춘 제품을 제공할 수 있는 중요한 전환점이 될 것입니다.

결론

• 반도체 업계는 지속 가능한 발전을 위해 이종접합 기술과 유리 기판과 같은 혁신적인 접근을 채택하고 있습니다. 이러한 기술들은 반도체 칩의 성능을 극대화함으로써, 새로운 시장 수요에 적합한 솔루션을 제공할 수 있도록 기여하고 있습니다. 특히, 이종접합 기술은 다양한 소자를 유기적으로 결합함으로써 시스템의 효율성을 극대화하고, 기존 기술의 한계를 넘어서는 데 기여하고 있습니다. 이에 따라, 반도체 산업의 생태계 역시 전반적으로 개선될 것으로 기대됩니다.

• 더욱이, SKC 자회사 앱솔릭스의 사례와 같이 공격적인 기술 혁신이 이루어지고 있는 가운데, 기업들이 적극적으로 이종접합 기술과 유리 기판을 도입해야 할 필요성이 더욱 강조되고 있습니다. 이는 단순히 기술적 성취에 그치지 않고, 반도체 생태계의 모든 구성원들이 함께 협력하여 지속 가능한 미래를 구축할 수 있는 토대가 될 것입니다. 결국, 이러한 기술들은 앞으로 반도체 산업이 진입할 수 있는 새로운 가능성을 여는 중요한 요소로 작용할 것입니다.

용어집

• 이종접합 기술 [기술]: 서로 다른 종류의 반도체 소자들을 하나의 패키지 내에서 통합하여 성능과 효율성을 극대화하는 방법.

• 고대역폭 메모리 (HBM) [소자]: 컴퓨터 시스템의 성능을 높이기 위해 설계된 고속 메모리 기술로, 높은 대역폭과 낮은 전력 소모가 특징.

• 시스템온칩 (SoC) [구조]: 모든 기능을 하나의 칩에 통합하여 설계한 반도체 시스템으로, 공간과 전력 효율성이 우수하지만 설계복잡성도 존재.

• 유리 기판 [소재]: 반도체 패키지 기판으로 사용되는 고유의 절연성과 낮은 열 팽창률을 가진 소재로, 회로 패턴 형성이 용이하다.

• 적층세라믹커패시터 (MLCC) [소자]: 세라믹 소재로 만들어진 커패시터로, 높은 전기 용량을 제공하며 소형화에 적합하다.

• 칩 패키징 [기술]: 반도체 칩을 보호하고 연결하기 위한 기술로, 효율적인 공간 활용과 열 관리를 중요시한다.

• 열 팽창률 [물리적 특성]: 온도가 변화할 때 소재가 변하는 정도를 나타내는 값으로, 반도체 소자의 안정성에 중요한 역할을 한다.

• 전류 누출 [현상]: 반도체 소자에서 의도하지 않은 전류가 흐르는 현상으로, 성능 저하와 과열을 유발할 수 있다.

• 모듈화된 아키텍처 [구조]: 하드웨어를 독립적인 모듈로 구성하여 필요에 따라 조합할 수 있는 설계 방식.

• 6G [기술]: 차세대 이동통신 기술로, 높은 데이터 전송 속도와 초저지연 통신을 목표로 한다.

출처 문서

• `AI 시대 안착 핵심`된 유리 기판, 생태계 태동 시작https://news.zum.com/articles/91561293
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• 'AI 시대 안착 핵심'된 유리 기판, 생태계 태동 시작https://m.ddaily.co.kr/page/view/2024062717334275011
• 'AI 시대 안착 핵심'된 유리 기판, 생태계 태동 시작https://m.news.zum.com/articles/91561293