신기술 위에 신기술 ‘최신 반도체 기술’

D램·시스템반도체가 주목받고 있는 이유

삼성전자, 2030년까지 시스템 반도체에 171조원 

CXL은 고성능 컴퓨터 환경에서 중앙처리장치와 함께 사용되는 메모리 등을 더 효율적으로 활용하기 위해 새롭게 제안된 인터페이스다.(CXL Consortium)

신기술 위에 더 뛰어난 기술, 최신 반도체 기술은 무엇이 있을까. 최신 반도체 기술이 궁금하다면, 굴지의 글로벌 대기업 삼성이 투자하는 기술과 집중하는 미래기술에 답이 있다. 삼성이 집중하고 있는 시스템반도체와 D램 등 반도체 최신 기술이 주목받고 있는 이유를 살펴본다.

글로벌기업이 집중하는 ‘D램’

삼성전자가 기존 데이터센터의 메모리 용량 한계를 극복한 새로운 개념의 D램 기술을 공개해 주목받고 있다. 삼성전자는 업계 최초로 ‘컴퓨트 익스프레스 링크’(CXL) 기반 D램 메모리 기술을 최근 개발했다. 해당 기술은 인공지능(AI), 머신러닝, 빅데이터 등 데이터센터의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 대용량·고대역 D램 기술로 알려졌다.

CXL은 고성능 컴퓨터 환경에서 중앙처리장치(CPU)와 함께 사용되는 메모리, 저장장치 등을 더 효율적으로 활용하기 위해 새롭게 제안된 인터페이스로, 일반적인 기업용 서버 CPU는 D램 모듈을 최대 16개까지 탑재할 수 있지만, 새 인터페이스를 활용하는 CXL D램은 기존 DDR D램에 더해 추가로 장착될 수 있다.

기존에는 목적지까지 갈 수 있는 길이 16곳까지가 최대였으나, 삼성전자의 신기술로 도로를 더 추가해 더 많은 차량이 오갈 수 있는 발판이 만들어졌다. CXL D램은 기존 시스템의 메인 D램과 함께 시스템 메모리 용량을 테라바이트급(TB)까지 확장할 수 있는 것으로 나타났다.

삼성전자는 2019년 인텔 주도로 발족한 ‘CXL 컨소시엄’에 참여했으며, 이곳에서 제안된 내용을 실제로 구현해 낸 것으로 알려졌다. 새로 개발한 CXL D램 기술은 인텔 플랫폼에서 이미 검증을 마친 상태다. 삼성전자는 시장 상황에 집중하며, CXL 기반 메모리를 적기에 상용화하며 ‘반도체 기술 초격차’를 이어갈 전망이다.

I-Cube4는 로직 칩과 메모리 반도체인 ‘HBM’ 칩 4개를 하나의 패키지로 구현한 독자 구조의 2.5D 패키지 기술이다.(삼성전자)

또한, 미국 메모리 반도체 기업 마이크론이 최첨단 D램·낸드플래시를 삼성전자와 SK하이닉스보다 먼저 선보인 데 이어 생산 앞서가면서 차세대 메모리 시장 공략에 속도를 내고 있는 것으로 나타났다. 마이크론은 최근 대만의 첨단 D램 공장을 증설해 본격적인 점유율 확대에 나섰다.

마이크론은 지난달 대만 ‘컴퓨텍스 2021’ 포럼 기조강연을 통해 1α나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) LPDDR4x D램의 대규모 양산을 발표하며 주목받았다. 마이크론은 AMD·에이서 같은 고객사에 1α나노 D램을 공급 중인 것으로 나타났다. 마이크론의 1α나노 D램은 삼성전자·SK하이닉스의 14나노 D램에 해당하며, 14나노 D램을 대규모로 양산하는 건 마이크론이 세계 최초로 알려졌다.

마이크론은 지난해 11월 세계 최초로 176단 낸드 양산을 시작했으며, 생산은 본궤도에 오른 것으로 관측된다. 마이크론은 대만 타이중 A3 D램 공장 증설을 지난달 시작한 상태다. 반도체 업계에 따르면 A3는 12인치 웨이퍼 기준 월 5만~6만장 수준의 증설이 가능하며, A3는 1α나노 D램 생산 거점으로 육성될 것으로 알려졌다.

전문가들은 핵심 공정이 달라 삼성전자·SK하이닉스와 마이크론의 기술을 직접 비교하긴 어렵지만, 마이크론이 극자외선(EUV) 없이도 기술 격차를 좁힌 것은 놀라운 일이라고 평가했다.

삼성전자와 SK하이닉스는 현재 176단 낸드를 양산하지 못하는 상태로 알려졌다. 다만, SK하이닉스는 176단 낸드 개발을 완료했다고 지난해 밝힌 바 있다.

마이크론은1α나노미터 LPDDR4x D램의 대규모 양산을 발표하며 주목받았다(마이크론)

171조원 투자 ‘시스템반도체’

삼성전자가 2030년까지 시스템 반도체에 171조원을 투자하기로 한 것에서 볼 수 있듯, 반도체 신기술 중 하나는 시스템반도체다.

삼성전자는 최근 열린 ‘K-반도체 벨트 전략 보고대회’에서 향후 2030년까지 시스템 반도체 분야에 171조원을 투자해 파운드리 공정 연구개발·시설투자를 가속화 하겠다고 발표하며 주목받았다. 이는 2019년 4월 정부와 삼성전자가 ‘시스템 반도체 비전 선포식’에서 밝힌 133조원보다 투자금액을 38조원 늘린 것이다.

비전 선포 이후 삼성전자는 지난 2년간 반도체 제조 기업과 팹리스(반도체 설계회사), 공급망의 핵심인 소재·부품·장비 업체, 학계 등 국내 반도체 생태계 주요 구성원 간의 상호 협력을 활성화했다는 평가를 받았다.

그러나 삼성과 파운드리 세계 1위 기업인 대만의 TSMC와의 격차는 여전히 큰 상황이다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면, 지난해 글로벌 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 54%로 압도적인 1위를 차지했으며, 2위인 삼성전자는 17%로 나타났다.

이런 가운데 TSMC가 3년간 1천억달러 규모의 대규모 투자를 결정했으며, 미국 애리조나에 건설하는 공장은 최대 6개로 확대하기로 하는 등 공격적인 투자 계획에 나서며 삼성전자의 추격도 따돌릴 것이라는 전망이 나온다.

최근에는 인텔마저 파운드리 투자 확대를 선언하며 글로벌 파운드리 시장의 경쟁이 가속화하고 있는 것으로 알려졌다.

삼성전자의 이번 시스템반도체 투자 확대계획은 우리 정부가 발표한 K-반도체 전략에 부응하면서 최근 산업 전반에 걸친 반도체 공급 부족 사태 속에 점차 격화하고 있는 반도체 기업간의 경쟁에서 우위를 차지하기 위한 것으로 풀이된다. 삼성전자는 이와 관련해 미국 오스틴에 170억달러(약 20조원) 규모의 파운드리 신규 공장 증설을 검토중으로 알려졌다.

이러한 가운데, 사실상 시스템반도체 불모지나 다름없는 한국서 스타트업 대규모 투자가 이뤄지고 이는 것으로 나타났다.

팹리스 스타트업에 대규모 투자가 진행되며 성과도 보인다. 국내 팹리스 스타트업에서 설계한 칩이 삼성전자의 파운드리에서 양산되며 국내 반도체 생태계 확대에 초석이 될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 반도체 스타트업 퓨리오사AI는 800억원 규모 시리즈B 투자 유치에 성공했으며, 이는 국내 팹리스 스타트업 투자 유치 중 가장 큰 규모로 나타났다.

특히 퓨리오사AI뿐 아니라 세미파이브, 리벨리온 등도 시장에서 주목받고 있는 반도체 스타트업으로 알려졌다. 반도체 설계 플랫폼 스타트업 세미파이브는 2019년 설립 후 한 달 만에 100억원 규모 투자를 받았으며, 지난해에는 340억원 펀딩에 성공하며 기술력을 인정받고 있다.

업계 전문가들은 시스템반도체 스타트업이 성장하면서 메모리 반도체 위주 산업도 한층 더 다양한 모습으로 성장할 것으로 관측했다.

삼성전자가 기존 데이터센터의 메모리 용량 한계를 극복한 새로운 개념의 D램 기술을 공개했다.(삼성전자)

삼성의 ‘패키징’ 신기술

글로벌 반도체 기술 경쟁이 격화하고 있는 가운데 최근 삼성전자가 차세대 반도체 패키지 기술인 ‘I-Cube4’를 공개했다.

I-Cube4는 로직 칩과 메모리 반도체인 ‘HBM(High Bandwidth Memory)’ 칩 4개를 하나의 패키지로 구현한 독자 구조의 2.5D 패키지 기술로 알려졌다. 인터포저, 즉 회로 기판과 칩 사이에 들어가는 기능성 패키지 판을 이용해 CPU, GPU 등과 같은 로직 칩과 메모리 칩을 모두 1개의 패키지 안에 배치해 성능은 높이고, 패키지 면적은 줄이는 장점이 있는 것으로 평가받고 있다. 해당 각기 다른 반도체를 최적으로 연결해 성능을 높여주는 패키징 분야는 미래 성장 산업으로 주목받고 있다.

삼성전자는 패키지 안에 실장하는 반도체 칩이 많아질수록 인터포저의 면적도 함께 증가해 공정상의 어려움도 커지는 점을 보안하기 위해, I-Cube4에는 실리콘 인터포저를 적용해 초미세 배선을 구현한 것으로 알려졌다. 특히 삼성전자는 100마이크로미터(㎛) 수준의 매우 얇은 인터포저가 변형되지 않도록 재료, 두께 등 다양한 측면에서 반도체 공정·제조 노하우를 적용한 것으로 나타났다.

삼성전자가 시스템 반도체 분야에 171조원을 투자하기로 결정했다.(삼성전자)

업계 전문가들은 삼성전자의 I-Cube4가 고대역폭 데이터 전송과 고성능 시스템 반도체를 요구하는 HPC, AI·클라우드 서비스, 데이터센터 등을 중심으로 폭넓게 활용될 것으로 관측하고 있다.

삼성전자는 패키징 분야에서 아직은 TSMC에 비해 다소 뒤처져 있는 것으로 평가받고 있지만, 신기술을 지속해서 선보이며 경쟁력을 강화할 것으로 보인다. 삼성전자는 지난 2018년 로직 칩과 2개의 HBM을 집적한 ‘I-Cube2’ 솔루션을 선보였으며, 2020년에는 로직 칩과 S램을 수직 적층한 ‘X-Cube’ 기술을 공개한 바 있다.

향후 ‘I-Cube2’ 양산 경험과 차별화된 I-Cube4 상용화 기술 경쟁력을 기반으로 HBM을 6개, 8개 탑재하는 신기술도 개발해 시장에 선보일 전망이다.