메모리·GPU를 하나로…삼성·TSMC '첨단패키징' 전쟁

메모리, 판이 바뀐다
(2) 각종 칩 묶는 '異種결합'…반도체 기업 명운 가른다

생성AI 서비스 고도화하려면
HBM·그래픽장치 협업이 중요
"초미세공정 한계 극복할 대안"

삼성, 패키징 최강 TSMC 추격
내년 2분기 '아이큐브4' 양산
인텔, 47억 5000만弗 설비투자

이재용 삼성전자 회장(가운데)이 지난 2월 17일 천안캠퍼스의 패키징 라인을 방문해 첨단패키징 기술 경쟁력과 연구개발(R&D) 역량을 점검했다. 한경DB

1960년대 반도체가 산업 전면에 등장한 이후 기술 경쟁력의 척도는 ‘단일 칩을 얼마나 잘 만드느냐’였다. 삼성전자, 인텔, TSMC는 제조 경쟁력을 바탕으로 각각 D램, 중앙처리장치(CPU), 파운드리(반도체 수탁생산) 영역에서 넘볼 수 없는 입지를 다졌다. 최근엔 판이 바뀌고 있다. 인공지능(AI) 기술 확산으로 대용량·고성능 반도체 수요가 커지면서 여러 칩을 잘 묶어 성능을 극대화하는 ‘첨단패키징(advanced packaging)’ 기술이 전면에 등장했다. 반도체업계에선 “앞으로 첨단패키징 경쟁력이 반도체 기업의 명운을 가를 것”이란 전망이 나온다.

83조원으로 커지는 첨단패키징 시장

1일 반도체업계에 따르면 최근 고성능 D램을 뜻하는 고대역폭메모리(HBM)와 연관된 시장을 놓고 삼성전자, 인텔, TSMC 등 주요 반도체기업 간 첨단패키징 기술·투자 경쟁이 치열하게 벌어지고 있다. 첨단패키징은 반도체 원판인 웨이퍼에 새겨진 칩을 잘라 기기에 연결 가능한 상태로 가공하는 ‘일반 패키징’을 넘어 이종(異種) 반도체를 연결하거나 개별 칩을 높게 쌓아 적층하는 등의 최신 공정을 뜻한다. 시장조사업체 욜인텔리전스에 따르면 2021년 374억달러(약 48조원) 규모였던 첨단패키징 시장은 2027년 650억달러(약 83조5000억원)로 확대될 전망이다.

생성형 AI 확산으로 첨단패키징 부상

첨단패키징의 부상은 챗GPT 같은 생성형 AI의 확산과 함께 시작됐다. 생성형AI 기술 고도화를 위해선 반도체를 통해 대규모 데이터를 빠르게 학습하고 신속히 서비스하는 게 중요하다. 대용량 데이터 동시 처리(병렬 컴퓨팅)에 최적화된 엔비디아의 그래픽처리장치(GPU), GPU와 실시간으로 데이터를 주고받으며 소통하는 저장장치인 D램에 주목하게 된 이유다.

지금까지 반도체 기업은 나노미터(㎚: 1㎚=10억분의 1m) 단위까지 선폭(회로의 폭)을 줄여 초소형·저전력·고성능 칩을 만드는 경쟁을 벌였다. 하지만 최신 공정의 선폭이 3㎚ 이하에 진입하면서 칩을 미세화하는 비용이 증가한 데다 추가적인 기술 개발도 힘들어졌다.

이런 가운데 첨단패키징이 대안으로 떠올랐다. 여러 칩을 쌓고 묶으면 고성능 칩 하나를 작동하는 것 못지않게 뛰어난 성능을 낼 수 있기 때문이다. 최근 반도체기업들은 D램 4개, 8개, 12개 등을 수직으로 쌓아 일반 D램 대비 10배 이상 빠른 HBM을 만들고, HBM과 GPU를 최대한 가깝게 배치해 ‘데이터 병목 현상’을 줄이는 ‘2.5D(차원) 패키징’에 주력하고 있다.

삼성, 인텔, TSMC 조(兆)단위 투자

현재 HBM, GPU 관련 첨단패키징 레이스에서 가장 앞서 있는 건 파운드리 업체인 TSMC다. 이 회사는 2011년부터 2021년까지 10년간 5세대에 걸쳐 2.5D 패키징인 ‘CoWos’를 발전시켰다. TSMC는 지난달 25일엔 900억대만달러(약 3조6600억원)를 투자해 대만 북부에 첨단패키징 공장을 신축하겠다고 발표했다.

삼성전자도 첨단패키징 육성에 팔을 걷어붙였다. 2021년 2.5D 패키징 기술 ‘아이큐브’를 공개했고, 작년 말엔AVP(첨단패키징)팀을 신설했다. 내년 2분기부터는 4개의 HBM을 GPU 등과 함께 배치한 ‘아이큐브4’를 양산하고 3분기엔 8개의 HBM을 배치한 ‘아이큐브8’을 양산할 계획인 것으로 알려졌다. 삼성전자는 올 연말께 엔비디아에 3세대 HBM인 ‘HBM3’를 공급하고 이를 개별 GPU칩과 패키징하는 아이큐브4를 활용할 것으로 전망된다. 인텔도 적극적이다. 첨단패키징 설비에만 47억5000만달러(약 6조1000억원)를 투자할 계획이다.

황정수/김익환 기자 hjs@hankyung.com