반도체 패키징 - CoWoS

안녕하세요, 

오늘은 반도체 패키징 기술 중 하나인 CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate)에 대해 자세히 알아보려고 합니다. 이 기술은 이미 많은 분들이 들어보셨을 텐데요, 특히 인공지능(AI)과 반도체 산업에 관심이 있으시다면 꼭 주목하셔야 할 중요한 내용입니다.

CoWoS-S, tsmc.com

인공지능과 엔비디아의 GPU

 

인공지능을 이야기할 때 엔비디아(NVIDIA)를 빼놓을 수 없습니다. 엔비디아가 생산하는 GPU는 AI의 핵심 장비로, 고성능 모델은 개당 3만 달러에 이를 정도로 고가입니다. 이러한 GPU들은 구글, 마이크로소프트와 같은 글로벌 기업들의 AI 클라우드 센터에서 활용되고 있습니다.

 

이렇게 중요한 GPU 칩을 패키징하는 데 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 CoWoS 기술입니다. TSMC가 개발한 이 기술은 고성능 반도체 패키징에 혁신을 가져왔습니다.

 

CoWoS란 무엇인가?

 

CoWoS는 Chip-on-Wafer-on-Substrate의 약자로, 말 그대로 칩을 웨이퍼 위에 놓고 다시 서브스트레이트에 올리는 방식을 뜻합니다. 이는 어드밴스드 패키징 기술 중 하나로, 기존 패키징 방식보다 한 단계 진일보한 형태입니다.

 

왜 2.5D 패키징인가?

 

• 3D 패키징: 칩을 수직으로 쌓아 올리는 방식.

• 2D 패키징: 칩을 평면에 배열하는 방식.

• 2.5D 패키징: 3D와 2D의 장점을 결합한 방식으로, 칩을 수평으로 배열하면서도 TSV(Through-Silicon Via)를 통해 수직 연결을 구현합니다.

 

CoWoS는 완전한 3D 패키징은 아니지만, 현재 기술의 한계를 극복하면서 성능을 극대화할 수 있는 최적의 솔루션으로 자리매김하고 있습니다.

 

CoWoS의 활용 사례

 

• 엔비디아: 고성능 GPU의 패키징에 CoWoS 방식을 적용하여 성능을 극대화하고 있습니다.

• 애플: M1, M2 칩과 같은 고성능 칩셋에도 CoWoS 기술이 적용되었습니다.

• 인텔: 서버용 CPU인 사파이어 래피즈(Sapphire Rapids)에도 CoWoS 패키징이 사용되었습니다.

 

이처럼 CoWoS는 글로벌 IT 기업들이 고성능을 요구하는 제품에 필수적으로 채택하는 기술입니다.

 

CoWoS 기술의 등장 배경

 

무어의 법칙은 반도체 집적도가 18개월마다 두 배로 증가한다는 내용인데, 최근 미세 공정이 3나노, 2나노로 진입하면서 기술적 한계와 비용 증가로 인해 더 이상 유효하지 않게 되었습니다. 이에 따라 후공정 패키징 기술을 통해 성능 향상을 도모하게 되었고, 그 결과물이 바로 CoWoS입니다.

 

CoWoS의 구조와 원리

 

1. 인터포저(Interposer)

 

• 역할: 칩과 칩 사이의 신호를 연결하고 전달하는 매개체.

• 특징: 실리콘으로 만들어져 있으며, 내부에 TSV가 내장되어 있습니다.

 

2. TSV(Through-Silicon Via)

 

• 설명: 칩 내부를 수직으로 관통하는 전기적 연결 통로.

• 역할: 상하부 칩 간의 신호 전달을 가능하게 하여 데이터 전송 속도를 높입니다.

 

3. HBM(High Bandwidth Memory)

 

• 설명: TSV 기술을 활용한 고대역폭 메모리.

• 특징: 여러 개의 메모리 다이를 수직으로 쌓아 올려 고용량, 고속의 메모리 솔루션을 제공합니다.

 

4. 로직 칩과의 결합

 

• HBM과 로직 칩을 인터포저 위에 수평으로 배열하여 연결합니다.

• 이를 통해 데이터 전송 경로를 단축하고 신호 전달 효율을 높입니다.

 

CoWoS의 장점

 

1. 고성능 및 저전력 소비

• 데이터 전송 경로가 짧아져 신호 손실이 감소하고, 전력 효율이 향상됩니다.

2. 높은 대역폭

• HBM의 TSV 기술로 1024비트 이상의 외부 IO를 확보하여 데이터 처리 속도를 극대화합니다.

3. 공간 절약

• 칩들을 밀집 배열하여 전체적인 패키지 크기를 줄일 수 있습니다.

4. 유연한 설계

• 이종의 칩을 결합하여 시스템을 구성할 수 있어 설계의 자유도가 높습니다.

 

왜 CoWoS가 필요한가?

 

현재 기술로 완벽한 3D 패키징을 구현하기에는 여러 가지 한계가 있습니다. CoWoS는 이러한 기술적 난관을 극복하면서도 성능을 향상시킬 수 있는 최적의 대안입니다. 특히, 대용량 데이터 처리가 필요한 인공지능, 딥러닝, 5G 네트워크 인프라, 데이터 센터 등에서 필수적인 기술로 자리매김하고 있습니다.

 

CoWoS의 미래와 하이브리드 본딩

 

하이브리드 본딩이란?

 

• 칩을 분자 단위에서 직접 연결하는 첨단 본딩 기술로, 공간 효율성과 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

 

CoWoS와의 공존

 

• 하이브리드 본딩 기술이 발전하더라도 CoWoS는 여전히 유효한 기술입니다.

• 두 기술은 상호 보완적으로 활용되어 다양한 설계 요구에 대응할 수 있습니다.

 

한국 기업의 역할

 

• 한미반도체: 본딩 장비 공급을 통해 CoWoS 공정에 기여.

• 이오테크닉스: TSV 드릴링 기술을 보유.

• 프로텍: 레이저 리플로우 방식을 통한 패키징 솔루션 제공.

• 인텍플러스: 검사 장비 공급으로 품질 향상에 기여.

 

이처럼 국내 기업들도 CoWoS 기술의 발전에 중요한 역할을 하고 있으며, 글로벌 반도체 시장에서 영향력을 확대하고 있습니다.

 

맺음말

 

CoWoS와 HBM을 통해 현재 반도체 기술의 방향성과 목적이 명확해집니다. 더 많은 신호를 짧은 시간에 대량으로 전달하여 전력 소모와 부피를 줄이고, 인공지능의 성능을 극대화하는 것이 핵심입니다.

앞으로도 CoWoS 기술은 반도체 패키징 분야에서 중요한 위치를 차지할 것이며, 그 발전을 지켜보는 것은 매우 흥미로운 일이 될 것입니다.