칩렛 이종집적 (Chiplet Heterogeneous Integration)

한 줄 정의: 서로 다른 공정이나 기능으로 각각 제작된 작은 칩(칩렛)들을 하나의 패키지 안에 조립해, 마치 단일 칩처럼 동작하는 시스템을 구성하는 반도체 집적 방식입니다.

쉽게 풀면

기존의 반도체 칩은 프로세서, 메모리 컨트롤러, 입출력 회로 등 여러 기능을 하나의 큰 실리콘 조각 위에 전부 만들어 넣는 방식이었습니다. 칩렛 이종집적은 이런 기능들을 각각 별도의 작은 칩으로 나누어 제작한 뒤, 마치 레고 블록을 조립하듯 하나의 패키지 안에 모아 연결하는 방식입니다. 각 칩렛은 자신에게 가장 유리한 공정으로 따로 만들 수 있어서, 굳이 모든 기능을 같은 최신 공정에 억지로 맞출 필요가 없습니다. 여러 전문 업체가 만든 부품을 조립해 하나의 완성된 제품을 만드는 것과 비슷한 접근입니다.

왜 중요한가

반도체 미세공정이 발전할수록 하나의 큰 칩을 만드는 비용과 수율 부담이 커지기 때문에, 기능별로 칩을 나누어 만들고 조립하는 방식은 비용과 설계 유연성 측면에서 대안으로 주목받고 있습니다. 서로 다른 공정 세대나 소재로 만든 칩들을 함께 활용할 수 있다는 점에서, 고성능 컴퓨팅과 인공지능 가속기 등 다양한 시스템 설계 논문에서 다뤄지는 주제입니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The proposed chiplet-based architecture integrates compute and memory dies fabricated in different process nodes within a single package."

제안한 칩렛 기반 아키텍처가 서로 다른 공정 노드로 제작된 연산 다이와 메모리 다이를 하나의 패키지 안에 통합한다는 내용으로, 이종집적의 대표적인 활용 사례입니다.

"Die-to-die interconnect latency and bandwidth were evaluated to assess the impact of chiplet partitioning on overall system performance."

다이 간 인터커넥트의 지연시간과 대역폭을 평가해 칩렛 분할이 전체 시스템 성능에 미치는 영향을 분석했다는 내용으로, 칩렛 설계에서 중요한 성능 트레이드오프를 다룹니다.

조금 더 깊게 보면

칩렛 간 연결에는 앞서 다룬 실리콘관통비아나 미세피치 배선을 이용한 고밀도 다이 간 인터커넥트가 주로 활용되며, 서로 다른 업체의 칩렛이 호환되도록 인터페이스 표준화 작업도 함께 진행되고 있습니다. 이종집적은 웨이퍼레벨 패키징과 같은 후공정 패키징 기술과 밀접하게 연결되어 하나의 시스템으로 완성됩니다.

주의할 점

칩렛 방식이 항상 단일 칩보다 유리한 것은 아니며, 다이와 다이를 연결하는 인터커넥트에서 발생하는 지연시간과 전력 소모, 패키징 복잡도가 늘어날 수 있어 시스템 목적에 맞는 설계 트레이드오프가 필요합니다.