이종 집적화는 무어의 법칙 이후 반도체 기술의 발전을 위한 중요한 방향으로 떠오르고 있으며, 향후 30년 안에 시스템 레벨 칩의 주류 기술이 되어 집적 회로를 이종 집적화 시대로 이끌 것으로 예상됩니다. 그러나 이종 집적화가 집적 회로의 전통적인 "로드" 사고방식을 탈피하기까지는 아직 갈 길이 멉니다.

무어의 법칙을 우회하는 중요한 방법

현재 우리는 고성능 컴퓨팅, 클라우드 컴퓨팅 및 가상화, 빅데이터 분석과 같은 응용 프로그램이 빠르게 발전하는 디지털 경제의 호황 시대에 살고 있습니다. 이러한 일련의 응용 시나리오는 프로세서에 막대한 작업 부하를 발생시키고 강력한 컴퓨팅 성능의 지원을 요구합니다.

AMD의 글로벌 수석 부사장 겸 중국 지사장인 판샤오밍은 반도체 설계의 황금기에는 기술 발전을 통해 트랜지스터당 비용을 절감하면서 성능을 향상시킬 수 있다고 말했습니다. 그러나 새로운 노드에 진입할 때마다 공정의 성숙도와 안정성을 확보하는 데 더 오랜 시간이 걸리고, 새로운 공정의 비용은 크게 증가합니다. 이는 새로운 과제를 제시하며, 프로세서 성능과 컴퓨팅 파워를 더욱 향상시키기 위해서는 다른 측면에서 더 많은 혁신을 모색해야 합니다. 이종 집적화는 칩 컴퓨팅 파워 향상을 위한 중요한 개발 방향으로 떠오르고 있습니다.

그렇다면 이기종 통합이란 무엇일까요? 인텔 리서치 부사장 겸 인텔 중국 리서치 디렉터인 송지창은 이기종 통합이란 서로 다른 공정 아키텍처, 명령어 세트, 기능을 가진 하드웨어를 하나의 컴퓨팅 시스템으로 결합하는 것이라고 설명했습니다. 동시에 이기종 통합은 칩, 패키지, 시스템, 소프트웨어의 협업을 의미하기도 합니다. 이는 단일 기술적 요소가 아니라, 디바이스, 설계, 소프트웨어 알고리즘 등을 통합하여 효율적인 이기종 시스템을 구현하는 여러 기술적 요소의 종합적인 결합입니다.

무어의 법칙은 실제로 반도체 산업의 기치처럼 여겨지지만, 반도체 기술의 지속적인 발전을 위해서는 공정 노드 축소에 대한 집착을 버려야 합니다. 

이와 관련하여 중국과학원 원사인 마오쥔파는 현재 반도체 기술의 발전 경로는 크게 두 가지로 나눌 수 있다고 지적했습니다. 하나는 무어의 법칙을 따르는 것이고, 다른 하나는 무어의 법칙을 우회하는 것입니다. 무어의 법칙을 따르는 것이 물리적 원리, 기술적 수단, 경제적 비용 등 여러 가지 극한의 도전에 직면할 때, 무어의 법칙을 우회하는 것이 현실적인 발전 방향이 될 수 있습니다. 이종 집적 회로는 무어의 법칙을 우회하는 중요한 방법 중 하나입니다.

마오쥔파는 반도체 이종 집적 연구의 과학적 중요성이 매우 크다고 강조했습니다. 집적 회로를 통해 현재의 단일 동종 공정에서 다중 이종 공정의 통합으로, 현재의 2차원 평면 통합에서 3차원 통합으로 발전하여 고성능 복잡 시스템을 구현할 수 있습니다. 이종 집적의 특징은 다음과 같습니다. 첫째, 서로 다른 반도체 재료, 공정, 구조 및 부품을 통합할 수 있습니다. 둘째, 시스템 설계 개념을 채택할 수 있습니다. 셋째, IP 및 칩렛과 같은 첨단 기술을 적용하여 2.5차원 또는 3차원 고밀도 구조를 구현할 수 있습니다. 결과적으로 이종 집적 칩은 단일 반도체 공정의 성능 한계를 뛰어넘어 강력하고 복잡한 기능을 구현할 수 있습니다. 동시에 높은 유연성, 신뢰성, 짧은 연구 개발 주기, 소형화 및 경량화 등의 장점을 가집니다.

주요 국제 제조업체들이 이종 집적화 기술을 출시했습니다.

이러한 장점 덕분에 이종 집적화는 무어의 법칙 이후 반도체 기술 발전의 주요 축이 되었으며, 점점 더 많은 주요 제조업체들이 이를 매우 중요하게 여기고 있습니다. 올해 컴퓨텍스(타이베이 컴퓨터 전시회)에서 AMD는 TSMC의 3D 패브릭 첨단 패키징 기술을 사용하여 64MB L3 캐시를 포함하는 칩렛과 프로세서를 3D 스택으로 성공적으로 패키징한 실험 제품인 라이젠 5000을 공개했습니다. AMD에 따르면 이 기술은 2D 칩의 경우 상호 연결 밀도를 200배 이상 높일 수 있으며, 기존 3D 패키징 솔루션과 비교해도 15배 이상 높은 밀도를 달성할 수 있습니다.

인텔은 이기종 통합 기술 개발을 기반으로 XPU 개념을 제안했습니다. 송지창은 "인텔은 서로 다른 아키텍처의 XPU를 이기종으로 통합하고, 통합된 크로스 아키텍처 프로그래밍 모델인 oneAPI를 통해 소프트웨어와 하드웨어의 협업을 실현하여 더 많은 워크로드를 처리하고, 높은 에너지 효율을 달성하며, 고객의 비용을 절감하고, 필요에 따라 신속하게 솔루션을 제공함으로써 이기종 컴퓨팅의 혁신을 촉진하고 있습니다."라고 말했습니다.

인텔은 작년 "아키텍처 데이"에서 EMIB(Embedded Multi-chip Interconnect Bridge) 2D 패키징, Foveros 3D 패키징, 그리고 2D와 3D를 결합한 CO-EMIB 기술을 기반으로 하는 하이브리드 본딩 기술을 발표했습니다. 이 기술들은 전기적 연결을 통해 더 높은 전류 전달 용량을 확보하고, 10마이크론 이하의 범프 피치 구현을 가속화하여 이기종 매체에서 더 높은 상호 연결 밀도, 대역폭 및 낮은 전력 소비를 제공합니다.

인텔과 AMD뿐만 아니라 NVIDIA, Qualcomm, Xilinx 등 세계적인 칩 제조업체들도 이종 집적 기술에 큰 중요성을 두고 있습니다. 국내에서도 유니속(UNISOC), 베이징 인제닉스(Beijing Ingenics), 비마이크로(Vimicro) 등의 기업들이 이종 집적 기술 연구 개발에 적극적으로 나서 관련 제품 및 솔루션을 출시하고 있습니다. 유니속이 최근 출시한 Tanggula T770은 4코어 ARM A76, 4코어 ARM A55, Mali-G57 GPU 및 베이스밴드 칩 등을 통합한 제품으로, 이종 집적 기술의 대표적인 적용 사례입니다.

기존의 "길"이라는 사고방식을 깨야 합니다.

이종 집적의 발전 전망은 매우 밝지만, 이를 실현하는 것은 결코 쉽지 않습니다. 마오쥔파는 서로 다른 특성과 기능을 가진 매체들이 밀접하게 결합되어 있고 종종 충돌을 일으키기 때문에, 이종 회로를 설계할 때는 전자기-열-응력, 다물리적 협력 설계, 능동/수동 회로 안테나 및 디지털/아날로그 회로의 다기능 협력 설계 문제를 해결해야 한다고 강조했습니다. 공정 제조 측면에서도 이종 집적 공정 매개변수 조정은 전기, 열, 응력 등 다양한 물리적 특성의 영향을 받으므로, 이러한 요소들 간의 내부 관계를 이해하고 공정의 정량적 설계 및 최적화 메커니즘을 숙달해야 합니다.

송지창은 이기종 통합이 하드웨어 측면에서 단일 아키텍처에서 벗어나야 하며, 여러 아키텍처를 통합하는 XPU 아키텍처가 주류가 될 것이라고 믿습니다. XPU 아키텍처의 등장으로 소프트웨어에 대한 요구 사항이 높아졌는데, 여러 아키텍처 프로그래밍 언어를 동시에 숙달할 수 있는 개발자가 드물기 때문입니다. 소프트웨어는 하드웨어 성능을 최대한 발휘하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 따라서 아키텍처를 넘나들며 프로그래밍할 수 있는 소프트웨어 모델과 프로그래밍 효율성을 향상시키는 도구가 매우 중요합니다.

인텔은 XPU 구현에 핵심적인 역할을 한 6가지 기술 기둥, 즉 프로세스, 아키텍처, 메모리, 상호 연결, 보안 및 소프트웨어를 제시했습니다. 이기종 컴퓨팅은 하드웨어 수준의 콘텐츠처럼 보이지만, 그 잠재력을 최대한 발휘하려면 칩, 시스템 및 소프트웨어의 통합이 필수적입니다. 첫 번째는 칩 계층으로, 칩 패키지 내의 이기종성을 의미하며 "소형 칩" 개념과 밀접한 관련이 있습니다. 두 번째는 시스템 계층으로, 다기능 및 다중 아키텍처 컴퓨팅 아키텍처의 통합을 나타냅니다. 세 번째는 소프트웨어 계층으로, 다양한 아키텍처에서 프로그래밍할 수 있도록 소프트웨어 인터페이스와 함수 라이브러리 세트를 제공하는 통합 크로스 아키텍처 프로그래밍 모델인 oneAPI를 포함합니다.

이종 집적화의 발전에 직면하여 마오쥔파는 집적 회로에 대한 전통적인 "경로"적 사고방식을 탈피하고, 결합된 다중 물리 이론을 기반으로 이종 집적화 역량 구축을 통해 분야와 경로를 결합하여 반도체 이종 집적 회로의 기술 방향을 선도하자는 포괄적인 연구 아이디어를 제시했습니다.

면책 조항: 본 기사는 "중국 반도체 산업 협회"에서 발췌한 내용입니다. 본 기사는 필자의 개인적인 견해일 뿐이며, 사코마이크로(Sacco Micro) 및 업계의 공식적인 입장을 대변하는 것은 아닙니다. 지적 재산권 보호를 위한 재인쇄 및 공유 목적으로만 사용 가능하며, 재인쇄 시 원문 출처와 필자를 반드시 명시해 주시기 바랍니다. 저작권 침해 사항이 있을 경우, 삭제를 위해 당사에 연락 주시기 바랍니다.

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