[시스템 반도체 진단] ④ 반도체 미세공정 경쟁이 ‘칩렛’ 중요성 높여

지정학적 리스크 등으로 다시 한번 시스템 반도체의 중요성이 강조되고 있습니다. 국내 시스템 반도체 업계는 파운드리 위주의 성장만을 꾀해, 경쟁 국가대비 경쟁력이 떨어지는 상황입니다. 시스템 반도체 생태계를 진단, 현실태와 미래 전망을 살펴보고자 합니다. [편집자주]

[테크월드뉴스=노태민 기자] 고성능 반도체 수요 증가로 반도체 업계의 미세공정 경쟁이 치열하다. 소형화, 효율화되는 반도체 시장에서 주도권 확보를 통해 대형 고객사 확보가 용이한 까닭이다.

최근 3나노미터(nm) 공정경쟁에 돌입한 삼성전자와 TSMC는 2025년 2nm, 2027년 1.4nm 공정 도입을 목표로 하고 있다. 미세공정 경쟁의 새로운 경쟁자로 부상한 인텔은 2027년 2nm 반도체 양산을 계획하고 있다.

인텔은 지난해 3월 파운드리 2.0 선언을 통해 파운드리 생태계를 강화하겠다는 의지를 밝히고 일본의 주요 대기업과 공동체 래피더스(Rapidus)를 설립하기도 했다.

미세공정 경쟁이 치열한 가운데 기술적 한계와 비용 상승 등이 걸림돌이다. 한계를 극복하기 위해 멀티 다이 디자인과 칩렛(Chiplet) 등의 기술이 강조되는 가운데 반도체 외주조립·테스트(Outsourced Semiconductor Assembly and Test, OSAT)의 중요성도 주목받는 중이다.

◆ 고성능‧저비용 요구에 칩렛‧OSAT 중요성 부각

멀티 다이 디자인은 각 기능을 지원하는 개별 다이, 칩렛으로 구성된다. 칩렛은 2D나 2.5D 패키지에 병렬로 조립되거나 3D 패키지에 수직으로 적층 된다. 개별 다이를 이어 붙여 하나의 반도체로 만드는 기술로 공정이 다른 이종 다이의 결합도 가능하게 한다. 고성능 칩과 저성능 칩을 결합해, 비용 최적화를 가능하게 한다.

칩렛을 주목받는 가장 큰 이유는 동일한 성능을 가진 반도체를 보다 낮은 비용으로 생산할 수 있기 때문이다. 다이의 크기가 커질 수록 수율은 하락한다. 칩렛 기술을 이용하면 작은 다이에 분할 생산 후, 다이를 이어 붙임으로써 수율 개선이 가능하다.

반도체 OSAT의 중요도도 상승하고 있다. 반도체 OSAT은 패키지와 테스트, 조립 공정으로 이뤄져 있으며, 완성된 웨이퍼를 테스트하고, 패키징하는 공정이다. 최근 2D, 2.5D, 3D 등의 어드밴스드 패키징의 등장으로 OSAT 산업은 저부가 가치 산업에서 고부가 가치 산업으로 변모하고 있다.

시장조사기관 욜디벨롭먼트는 2021년부터 2027년까지 반도체 패키징 시장이 연평균 19% 성장할 것으로 전망했다.

OSAT이 고부가 가치 산업으로 변모하면서 글로벌 반도체 기업의 대규모 투자도 이어지고 있다. 인텔과 TSMC는 올해 OSAT에 각각 3조 5000억 원, TSMC는 3조 원 규모의 투자를 집행할 예정이다.

칩렛이 적용된 대표적인 반도체는 최근 출시된 AMD의 라데온 RX7900이 있다. 라데온 RX7900은 5nm 및 6nm 공정이 함께 적용된 제품이다. AMD는 칩렛 적용을 통해 성능 향상과 비용 개선을 동시에 꾀하고 있다.

◆ 반도체기업 연합 UCIe 발족, 공동 목표 달성 위해 협력

지난 3월 칩렛 기술 활성화를 위한 반도체 기업 연합체 UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express) 컨소시엄이 발족됐다.

회장사 인텔을 필두로 삼성전자, TSMC, ASE, Amkor, 네패스, 메타, 마이크로소프트 등 80여개 반도체 기업이 참여한 UCIe는 제조사와 선폭이 상이한 칩의 호환성 문제 방지를 목표로 한다. UCIe를 PCIe, USB, NVMe 등과 같은 새로운 표준 규격으로 수립도 계획하고 있다.

후공정 업계 관계자는 “칩렛 기술 활성화를 위해 파운드리, 팹리스, OSAT 등의 기업들이 전례 없는 컨소시엄을 결성했다”며 “칩렛 기술은 서버, HPC, 오토모티브 등의 분야에서 빠르게 활성화될 것”이라고 전망했다.

이어 “UCIe 컨소시엄에 국내 반도체 기업들의 참여가 저조하다”며 “칩렛 기술의 중요성이 상승하고 있는 만큼 국내 기업의 활발한 참여가 필요하다”고 밝혔다.