AI칩 승부처 연산 넘어 연결로…삼성·SK 패키징 승부수

패키징 시장 2조달러로 성장 예상
TSMC가 현재 첨단패키징 시장 주도
인텔 뿐 아니라 삼성, SK도 패키징 승부

SK하이닉스 청주 P&T7 조감도./SK하이닉스

AI 반도체의 성능 경쟁이 미세공정을 통한 연산능력 향상을 넘어 메모리와 연산칩을 얼마나 빠르고 효율적으로 연결하느냐까지 확대되고 있다. AI 가속기의 연산 성능이 빠르게 높아지는 반면 메모리 대역폭과 칩 간 데이터 전송 속도가 이를 따라가지 못하면서 첨단 패키징이 새로운 병목을 해소할 핵심 기술로 떠오른 것이다. 삼성전자와 SK하이닉스도 관련 투자와 기술 개발을 확대하고 있다.

20일 카운터포인트리서치에 따르면 향후 5년간 AI 서버용 그래픽처리장치(GPU)와 주문형반도체(ASIC) 1억3000만개 이상이 첨단 패키징을 통해 메모리와 결합돼 출하될 전망이다. 이를 기반으로 창출되는 컴퓨팅 매출은 약 2조달러에 이를 것으로 예상된다.

AI 반도체의 연산 속도가 빨라지는 만큼 메모리의 데이터 공급 속도가 이를 따라가지 못하거나 칩 간 데이터 이동이 지연되는 '병목'이 발생하면서 첨단 패키징의 중요성이 더욱 커질 것이란 예측이다.

현재 첨단 패키징 생태계는 TSMC가 CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate)를 앞세워 주도하고 있다. 그래픽처리장치(GPU)와 HBM을 실리콘 인터포저로 한 패키지에 연결하는 방식으로, 엔비디아가 채택하면서 대표적 기술로 자리잡았다.

인텔도 첨단 패키징 기술로 칩과 칩 사이에 실리콘 브리지를 삽입해 연결하는 EMIB방식에 이어 ZAM·XBM 등 메모리와 연산칩 간 데이터 병목을 줄이기 위한 차세대 기술 개발에 나서고 있다. 지난 6월에는 이석희 전 SK하이닉스 최고경영자(CEO)를 영입해 첨단 패키징과 후공정 기술 개발·제조를 맡기는 등 관련 역량을 강화하고 있다.

국내 업체들도 패키징 경쟁력 강화에 속도를 내고 있다. 삼성전자는 HBM과 파운드리, 첨단 패키징을 함께 제공하는 턴키 전략을 강화하고 있다. 브로드컴과 차세대 AI 인프라 구축을 위한 협력을 통해 HBM과 2나노 이하 파운드리뿐 아니라 2.3D·2.5D 첨단 패키징까지 협력 범위를 넓혔다. AI·데이터센터 수요가 늘면서 메모리와 파운드리를 함께 확보하려는 고객 수요는 더욱 커질 전망이다.

SK하이닉스는 청주에 약 19조원을 투입해 첨단 패키징 생산시설인 P&T7을 건설하고 있으며 미국 인디애나에도 HBM용 첨단 패키징 생산·연구개발 거점을 구축하고 있다. HBM 고단화와 AI 메모리 수요 확대에 대응해 패키징 생산능력을 확보한다는 구상이다.

이와 함께 칩 간 데이터 이동 병목을 해소하기 위한 차세대 연결 기술 연구도 진행하고 있다. 이날 글로벌 연구진과 광 송수신기를 프로세서와 한 패키지에 집적하는 CPO(Co-Packaged Optics) 기술 로드맵을 국제학술지 '네이처 일렉트로닉스'에 공개했다.

이처럼 업계에서는 AI 반도체 고성능화와 HBM 고단화가 이어지면서 패키징의 중요성이 향후 더욱 커질 것으로 보고 있다. 미세공정을 통한 연산 성능 향상뿐 아니라 메모리와 연산칩을 효율적으로 연결해 데이터 이동 속도와 전력 효율을 높이는 기술까지 AI 반도체 경쟁력의 핵심 축으로 자리 잡고 있다는 분석이다.