칩렛(Chiplet) 기술 반도체 집적도 기술

2025년 현재, 반도체 산업의 최대 화두는 단연 ‘집적도의 한계’입니다. 미세공정은 이미 3나노 이하로 접어들었고, 더 작게 만드는 것은 물리적·경제적 한계에 직면해 있습니다. 이러한 배경 속에서 차세대 반도체 설계 방식으로 주목받고 있는 것이 바로 ‘칩렛(Chiplet)’입니다.

칩렛 기술은 여러 개의 소형 반도체 다이(Die)를 하나의 패키지 안에 통합해 마치 하나의 고성능 칩처럼 작동하도록 만드는 구조입니다. 이는 과거의 ‘시스템 온 칩(SoC)’이 하나의 실리콘 웨이퍼에 모든 기능을 통합했던 방식과는 다르게, 각 기능별로 특화된 다이를 독립적으로 제작하고, 이를 통합하는 방식입니다.

칩렛 기술의 등장 배경

• 미세공정의 한계: 3nm 이하 공정의 수율 저하 및 제조 비용 급증
• 설계 복잡도 증가: 고성능 연산 + AI + 통신 + 메모리 → 하나의 SoC로 구현하기 어려움
• 공정 최적화: 로직은 최신 공정, 메모리는 구공정 등 공정 믹싱 가능
• 패키징 기술 발전: 2.5D/3D TSV, EMIB, Foveros 등 고급 패키징 기술의 상용화

칩렛과 SoC의 구조적 차이

항목	SoC (System-on-Chip)	Chiplet Integration
구성 방식	하나의 다이에 모든 회로 통합	여러 개의 다이를 통합 패키징
공정 유연성	모든 기능이 동일 공정 사용	기능별로 다른 공정 적용 가능
수율 관리	복잡할수록 전체 수율 하락	불량 다이만 교체 가능 → 수율 개선
재설계 난이도	전체 재설계 필요	일부 칩렛만 교체/업데이트 가능

칩렛 기술 구성 방식

칩렛은 단순히 여러 다이를 붙인 것이 아니라, 다음과 같은 통신 구조가 핵심입니다:

• Interposer (중간 기판): 다이 간의 배선을 연결하는 다층 구조의 실리콘 또는 유기물 기판
• EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge): 인텔이 개발한 칩렛 간 고속 통신 브릿지 기술
• Foveros: 칩렛을 수직으로 쌓는 3D 스태킹 기술 (인텔, 삼성 적용 중)
• UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express): 칩렛 간 통신 인터페이스 표준화 시도 (TSMC, AMD, 인텔, 삼성 등 참여)

칩렛 기반 반도체의 실제 사례

• AMD Ryzen/EPYC: 로직, 캐시, I/O를 별도 칩렛으로 구성 → 유연한 확장성 확보
• Apple M1/M2 Ultra: 칩 간 인터커넥트를 통해 2개의 다이를 하나의 칩처럼 작동
• 인텔 Meteor Lake: CPU, GPU, I/O, NPU 등을 서로 다른 공정으로 구성한 칩렛 집합

칩렛 기술의 장점과 한계

장점

• 공정 최적화: 필요한 부분만 최신 공정 사용 가능 → 비용 절감
• 재사용성: 검증된 IP를 다이 단위로 재사용 가능
• 유연한 설계 및 기능 확장
• 불량 대응력 향상 → 전체 수율 개선

한계

• 칩렛 간 통신 지연 및 전력 소비 증가
• 발열 문제 → 2.5D/3D 통합 구조는 냉각 기술과 함께 설계 필요
• EDA 툴 및 테스트 인프라 아직 초기
• 패키징 공정 수율이 전체 성능에 큰 영향

2025년 이후 산업 동향과 전망

• UCIe 표준: 칩렛 간 인터페이스 통일 → 다양한 기업 간 호환 가능성 확대
• AI 전용 칩렛 플랫폼 증가: NPU, GPU, Cache, DDR IO 등을 칩렛으로 분리
• 국방, 우주, 의료 분야: 극한 환경 맞춤형 칩 구조로 칩렛 활용 확대
• TSMC/삼성: H-Cube, X-Cube 등 자사 특화 칩렛 플랫폼 개발 중

칩렛 기술은 단순히 반도체 구조를 쪼개는 것이 아닙니다. 그것은 고성능, 저전력, 고유연성을 모두 갖춘 새로운 설계 철학이자, 패키징 기술과 공정 최적화가 융합된 시스템 아키텍처입니다.

앞으로의 반도체 경쟁은 누가 더 작게 만드는가가 아니라, 누가 더 ‘잘 나누고 잘 연결하는가’가 될 것입니다. 그리고 그 해답은 바로 칩렛에서 시작됩니다.