사진=어플라이드 머티어리얼즈
사진=어플라이드 머티어리얼즈
인공지능(AI) 반도체의 연산 성능이 높아질수록 전력 소모와 데이터 이동 부담도 함께 커지는 것과 관련, 어플라이드 머티어리얼즈는 로직과 메모리, 첨단 패키징을 3차원 구조로 구현하는 '3D 스케일링'을 핵심 해법으로 제시했다. 고대역폭메모리(HBM)에서는 실리콘관통전극(TSV)과 본딩 기술의 미세화가 성능 향상을 좌우할 것으로 봤다.

어플라이드 머티어리얼즈는 31일 서울에서 'AI 시대를 위한 D램·첨단 패키징 미디어 브리핑'을 개최했다. 이 자리에는 박광선 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표와 무쿤드 스리니바산 어플라이드 머티어리얼즈 그룹 부사장이 참석해 AI 반도체 기술 변화와 D램·HBM, 첨단 패키징 시장 전망 등을 설명했다.

3D로 가는 AI 반도체…공정 난도도 높아진다

무쿤드 스리니바산(Mukund Srinivasan) 어플라이드 머티어리얼즈 그룹 부사장. / 사진-어플라이드 머티어리얼즈
무쿤드 스리니바산(Mukund Srinivasan) 어플라이드 머티어리얼즈 그룹 부사장. / 사진-어플라이드 머티어리얼즈
무쿤드 부사장은 AI 시대 반도체 산업이 풀어야 할 과제로 기술과 생산능력을 꼽았다. 그는 "AI 모델이 갈수록 많은 연산을 요구하면서 소비 에너지도 급격히 증가하고 있다"며 "연산과 데이터 이동에 필요한 에너지를 얼마나 낮출 수 있느냐가 기술 측면의 핵심 과제"라고 말했다.

어플라이드는 이를 해결할 기술로 3D 스케일링을 제시했다. AI 시스템을 구성하는 로직과 메모리, 패키징 모두 3차원 구조로 옮겨가고 있다는 설명. 로직에서는 게이트올어라운드(GAA) 등 3차원 트랜지스터 구조가 적용되고, 메모리에선 여러 개의 D램을 수직으로 쌓은 HBM이 데이터 처리 대역폭을 높이고 있다. 패키징 역시 로직과 메모리를 나란히 배치하는 2.5D에서 위아래로 적층하는 3D 방식으로 발전하고 있다.

구조가 복잡해지면서 제조 공정 난도도 높아지고 있다. 무쿤드 부사장은 신소재와 선택적 증착·제거, 옹스트롬 수준의 공정 제어 및 계측, 공정 간 공동 최적화를 필요한 기술로 꼽았다. 배선의 저항과 정전용량을 낮추고 필요한 부분에만 소재를 증착하거나 제거하는 공정의 정밀도가 중요해졌다는 설명이다.

공정 수 자체도 크게 늘었다. 무쿤드 부사장은 "로직 디바이스는 2000개가 넘는 공정, 메모리 디바이스는 1200개가 넘는 공정을 거친다"며 "각 공정이 독립적으로 움직이는 게 아니라 서로 영향을 주는 만큼 전체 공정을 공동 최적화하는 것이 중요하다"고 말했다.

HBM 고단화에 TSV·본딩 기술 중요성 커져

메모리에서는 속도와 지연시간, 대역폭을 동시에 개선해야 한다고 봤다. 어플라이드는 로직 분야에서 축적한 에피택시와 금속화, 화학적기계연마(CMP) 등 공정 기술을 D램 주변회로에 적용하고 있다. 입출력(I/O) 밀도를 높이기 위한 실리콘관통전극(TSV)과 마이크로범프 미세화도 지원하고 있다.

HBM 적층에서는 마이크로범프 기반 구조를 넘어 하이브리드 본딩 적용이 확대될 것으로 전망했다. 무쿤드 부사장은 "HBM의 에너지 효율을 높이면서 계속 스케일링하려면 마이크로범프 기반 적층에서 하이브리드 본딩으로 가야 한다"며 "다이 사이 간격을 사실상 제로에 가깝게 줄여 열 성능과 집적도를 개선하고 지연시간과 대역폭을 높일 수 있다"고 설명했다.

생산능력 확보도 당면 과제로 꼽았다. AI 반도체 수요가 공급을 웃돌면서 반도체 제조사뿐 아니라 장비와 부품, 소재 업체까지 생산능력을 함께 높여야 한다는 것이다. 무쿤드 부사장은 "고객사가 로직과 메모리 생산능력을 늘리면 장비 공급과 부품, 소재 생태계도 함께 대응해야 한다"며 "전체 생태계 차원의 생산능력 확대가 필요하다"고 말했다.

한국 고객사와 장비·패키징 협업 확대

박광선 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표 /사진=어플라이드 머티어리얼즈
박광선 어플라이드 머티어리얼즈 코리아 대표 /사진=어플라이드 머티어리얼즈
박광선 대표는 AI 반도체 시장 확대 과정에서 한국 고객사의 역할을 강조했다. 박 대표는 "지난 1년을 돌아보면 AI와 반도체의 성장 속도가 비약적으로 달라졌다"며 "AI 생태계에서 한국의 전략적 위치가 다시 한번 확인됐고 어플라이드 내부에서도 한국의 중요성을 크게 보고 있다"고 말했다.

어플라이드는 국내 고객사와 장기 수요를 예측해 장비 공급 시점을 맞추는 작업을 진행하고 있다. 양산 라인에서는 장비 성능을 최적화해 생산량을 높이고, 국내 반도체 기업들의 해외 생산거점 확대에 맞춰 인력과 기술 지원도 제공하고 있다. 첨단 패키징 분야에서는 기술 개발부터 양산 적용까지 고객사와 협업 범위를 넓히고 있다.

다만 단기간에 공급 부족을 해소하는 데는 한계가 있다고 봤다. 박 대표는 "단기적 대응 능력에는 한계가 있다"며 "1년 뒤, 2년 뒤, 3년 뒤 수요를 예측해 내부 생산능력을 준비하고 1·2차 부품 협력사들과도 전망을 공유하면서 생산계획을 맞추고 있다"고 말했다.

EPIC으로 초기 개발부터 양산까지 단축

어플라이드는 고객사와 대학, 협력업체가 초기 기술 개발부터 상용화까지 함께하는 'EPIC' 플랫폼도 가동도 준비하고 있다. EPIC은 장비(Equipment), 공정(Process), 혁신(Innovation), 상용화(Commercialization)의 약자다. 차세대 공정의 난제를 한 공간에서 공동 개발하고 실제 양산 적용까지 걸리는 시간을 줄이는 게 목표다.

어플라이드는 최근 9~10개월간 주요 칩 제조사와 대학, 혁신 파트너 등을 포함해 11건의 EPIC 협력 합의를 발표했다. 삼성전자와 SK하이닉스는 EPIC 창립 파트너로 참여하고 있다. 첫 연구개발(R&D) 장비도 현장에 반입됐다. 어플라이드는 향후 1~2개월 안에 EPIC 센터를 본격 가동한다는 계획이다.

무쿤드 부사장은 "EPIC은 혁신뿐 아니라 상용화까지 포함한다"며 "새로운 기술은 결국 대량 양산에 투입돼야 하기 때문에 고객과 파트너가 같은 공간에서 개발하고 검증해 혁신 속도를 높이려는 것"이라고 말했다.

홍민성 한경닷컴 기자 mshong@hankyung.com