여러 칩 겹겹이 쌓고 하나로 연결…AI 반도체 승부처는 '첨단 패키징'

인공지능(AI) 시대를 맞은 반도체업계의 또 다른 승부처는 패키징이다. 고객사들이 AI 기능을 잘 구현하기 위해 고성능·고용량 칩을 원하다 보니 이종(異種) 칩을 쌓거나 수평으로 배치해 하나의 반도체처럼 작동하게 하는 ‘최첨단 패키징’ 기능이 갈수록 중요해져서다. 칩을 작게 만들어 성능을 높이는 ‘초미세공정’이 한계에 다다르다 보니 반도체 기업들은 패키징을 통해 칩의 성능을 끌어올리는 작업에 열을 올리고 있다. 패키징 기술력이 반도체 기업 순위를 바꿀 것이란 전망이 나오는 이유다.

‘패키징 3강’으로 꼽히는 삼성전자, 인텔, TSMC는 주도권을 잡기 위해 조(兆) 단위 투자 계획을 쏟아내고 있다. TSMC는 올해 최첨단 패키징에 최대 32억달러(약 4조2000억원)를 투자하기로 했다. 삼성전자는 지난해 18억달러를 투입했고 올해 투자 규모도 비슷할 것으로 알려졌다. 인텔은 지난달 미국 뉴멕시코주에 35억달러를 투자한 최첨단 패키징 시설 ‘팹9’을 완공했다.

고객 유치 경쟁도 치열하다. 삼성전자는 ‘I-CUBE’로 불리는 최첨단 패키징을 서비스한다. 고대역폭메모리(HBM)와 그래픽처리장치(GPU) 등 프로세서를 실리콘인터포저(칩을 전기적으로 연결하는 데 쓰이는 부품) 위에 배치한다는 점에서 ‘2.5D 패키징’으로 불린다.

3차원(3D) 패키징도 본격화한다. 삼성전자는 최근 임시 데이터 저장소 역할을 하는 S램을 중앙처리장치(CPU) 등 프로세서 위에 쌓는 ‘SAINT-S’의 기술 검증을 완료했다. TSMC 역시 2.5D 패키징 브랜드인 ‘CoWoS’에 화력을 집중할 방침이다. TSMC가 애플을 패키징 고객사로 확보했다는 외신 보도도 나왔다. 인텔은 완공한 팹9에서 3D 패키징 ‘포베로스’ 관련 라인을 가동한다.

경쟁 양상은 이제 ‘소재’로 번지는 모양새다. 지금은 플라스틱으로 제작한 기판 위에 반도체를 배치하는데 이걸 유리 기판으로 바꾸는 작업을 각 사에서 진행하고 있다. 유리로 기판 소재를 바꾸면 반도체의 전력 소비량이 줄어들고 데이터 전달 등 성능이 개선되는 것으로 알려졌다.

삼성전자는 패키징 소재·장비 강국인 일본에서 유리 기판 연구를 하고 있다. 인텔도 2030년 유리 기판을 활용한 패키징 서비스를 목표로 미국 애리조나에 10억달러(약 1조3000억원)를 투자해 연구개발(R&D) 라인을 구축했다.

황정수 기자 hjs@hankyung.com