"AI 게임체인저" 기대감 폭발…삼성, '끝판왕' 승부수 던졌다

삼성전자가 경기 평택 반도체 공장에 최첨단 패키징의 ‘끝판왕’으로 불리는 하이브리드 본딩 라인을 세운다. 반도체를 ‘범프’(가교 역할을 하는 부품) 없이 바로 붙여 쌓는 하이브리드 본딩을 적용하면 칩 두께가 얇아지고 전송 속도도 대폭 빨라진다. 삼성은 연내 하이브리드 본딩을 차세대 낸드플래시에 적용한 뒤 고대역폭메모리(HBM), 파운드리(반도체 수탁생산) 등으로 확장할 계획이다.

18일 업계에 따르면 삼성전자는 평택 사업장에 하이브리드 본더를 도입하는 것으로 확인됐다. 올해 양산하는 400단대 10세대(V10) 낸드플래시인 ‘BV 낸드’에 활용하기 위한 것으로 알려졌다. 하이브리드 본딩은 칩과 칩 사이에 범프를 넣어 쌓아 올리는 기존 방식과 달리 범프 없이 적층하는 기술이다. 범프 방식보다 15배 이상 많은 데이터 통로를 배치할 수 있는 데다 에너지 효율도 세 배 이상 높다는 점에서 인공지능(AI) 시대에 필요한 ‘게임 체인저’ 기술로 꼽힌다.

삼성전자가 뛰어든 만큼 이 시장을 주도하는 대만 TSMC와의 경쟁이 본격화할 것이라는 전망이 나온다.

TSMC, 회로수 200배 확대
삼성, HBM4E부터 본격 적용…SK, 기존 기술과 투트랙 연구

하이브리드 본딩 기술의 역사는 일본 소니가 이미지센서(빛을 디지털 신호로 변환하는 반도체)에 처음 적용한 2016년으로 거슬러 올라간다. 소니는 이 기술로 평면으로 배치된 화소부와 전자회로부를 수직 연결해 이미지센서 세계 1위 자리를 거머쥐었다. ‘변방의 기술’이던 하이브리드 본딩이 반도체산업의 본류로 들어온 것은 2022년이다. 세계 1위 파운드리(반도체 수탁생산) 기업 대만 TSMC가 최첨단 패키징을 도입하면서다. 칩 두께를 줄이고, 전송 속도를 높여 달라는 미국 AMD의 요구에 TSMC는 ‘SoIC(시스템온IC)’라고 이름 붙인 하이브리드 본딩 기술로 화답했다.

기존 패키징보다 회로 수를 200배 이상 늘리며 성능이 검증되자 최첨단 패키징 강화에 나선 삼성전자도 뛰어들기로 했다. 업계에서는 하이브리드 본딩이 최첨단 패키징 패권을 둘러싼 최대 승부처가 될 것이라는 예상을 내놓고 있다.

◇중간 연결 없애고…바로 포갠다

하이브리드 본딩은 칩을 쌓을 때 ‘범프’(돌기) 없이 직접 포개는 기술이다. 칩 표면에 범프를 납땜해서 이어 붙이는 기존 방식과 완전히 다르다. 두께가 얇아질 뿐 아니라 회로 간격도 좁아지는 만큼 칩의 정보 교환 속도가 빨라지고 전력 효율성이 좋아진다.

문제는 구현이 쉽지 않다는 것이다. ‘하이브리드 본딩’이란 말 그대로 칩 표면에 배열된 서로 다른 성질의 재료인 산화막(SiO)과 구리(Cu)를 한 번에 붙여야 하기 때문이다. 현재 가장 앞서나간 업체는 TSMC다. 이 회사는 2022년 ‘SoIC’라는 하이브리드 본딩 브랜드를 공개했다. 당시 미국 팹리스(반도체 설계 전문 기업) AMD는 서버용 반도체 ‘에픽(EPYC) 밀란-X’에서 연산 장치와 메모리 반도체인 S램을 위아래로 포개는 ‘3D V-캐시’ 구현을 TSMC에 맡겼다.

결과는 성공적이었다. AMD와 TSMC는 “하이브리드 본딩을 도입했을 때의 회로 수가 칩을 수평으로 배치할 때보다 200배 이상, 범프로 연결했을 때 대비 15배 이상 증가했다”며 “에너지 효율성도 3배 이상 개선됐다”고 설명했다.

그러자 다른 빅테크도 TSMC의 파운드리뿐 아니라 패키징 라인에 러브콜을 보내기 시작했다. 최근에는 엔비디아가 실리콘 포토닉스(CPO)를 구현할 때 TSMC의 SoIC 기술을 활용했다. 차세대 반도체 개발에 하이브리드 본딩을 적극 활용하기 시작했다는 얘기다.

◇삼성, 하이브리드 본딩 벨트 구축

삼성전자는 D램, 낸드플래시, 파운드리 등 반도체 전 분야에 하이브리드 본딩을 도입하는 방안을 추진 중이다. 연내 낸드플래시에 먼저 적용한 뒤 고대역폭메모리(HBM)에 적용하는 방안을 계획하고 있다. 당초 삼성은 엔비디아의 성능 테스트를 받고 있는 6세대 HBM(HBM4)에 하이브리드 본딩을 적용하려고 했지만, 현실적으로 여의치 않자 7세대 제품(HBM4E)을 목표로 삼은 것으로 알려졌다.

삼성은 이를 위해 HBM용 최첨단 패키징 공정 라인을 집중 설치한 충남 천안사업장에 하이브리드 본더를 여럿 배치한 것으로 확인됐다. 반도체 장비 자회사인 세메스 제품이다.

여기에 더해 삼성의 핵심 반도체 사업장인 경기 평택에도 하이브리드 본더를 들이기로 했다. 이곳에서 생산할 예정인 차세대 낸드플래시인 10세대 400단 낸드(V10)에 이 기술을 처음 적용할 것으로 알려졌다. 삼성은 낸드플래시의 셀 부분과 페리퍼럴(주변회로부) 웨이퍼를 통째로 붙이는 데 이 공정을 활용할 것으로 전해졌다. 업계 관계자는 “웨이퍼와 웨이퍼를 붙이려면 오차범위를 100㎚(나노미터·1㎚=10억분의 1m) 이내로 맞춰야 한다”며 “하이브리드 본딩을 고난도 기술로 표현하는 이유”라고 말했다.

◇파운드리 등 확대 적용

삼성전자는 파운드리 사업으로 하이브리드 본딩 적용 범위를 넓혀나갈 계획이다. 시스템 반도체와 S램을 수직으로 배치하는 ‘X-큐브’ 기술을 하이브리드 본딩으로 구현할 방침이다. 향후 HBM 등 D램을 그래픽처리장치(GPU) 등 연산장치 위에 올리는 것 역시 하이브리드 본딩이 핵심이 될 전망이다. 이를 통해 TSMC가 장악한 빅테크 고객사를 끌어오는 전략을 취할 것으로 관측된다.

SK하이닉스도 HBM에 이 기술을 도입하기 위해 준비하고 있다. HBM4E에 이 기술을 도입하는 것을 목표로 기존 패키징 기술인 ‘MR-MUF’와 하이브리드 본딩을 ‘투 트랙’으로 연구하는 것으로 알려졌다.

강해령 기자 hr.kang@hankyung.com