패키징 공부하다가 TSV까지 파고들었더니 자연스럽게 옆에 붙어있던 단어가 하나 더 보였다. 칩렛. 처음엔 그냥 "작은 칩"이라는 뜻인가 하고 넘겼는데, 알고 보니 요즘 CPU나 AI 반도체 설계 방식 자체를 완전히 바꿔놓은 개념이었다. AMD 프로세서 얘기할 때마다 나오는 이 단어, 이번엔 제대로 파봤다.
원래 반도체는 하나의 큰 다이(Die) 안에 필요한 기능을 전부 욱여넣는 방식이었다. CPU면 코어, 캐시, 메모리 컨트롤러, 입출력 회로까지 전부 한 덩어리 실리콘 위에 그려야 했다. 문제는 칩이 커질수록 불량이 날 확률도 같이 커진다는 거였다. 웨이퍼 한 장에 결함이 하나 있어도, 그 결함이 하필 큰 칩 한가운데 걸리면 칩 전체가 통째로 못 쓰게 된다. 반대로 작은 칩이었다면 그 결함은 주변 몇 개만 버리면 끝나는 문제였을 텐데. 이게 왜 큰 칩을 만들수록 수율이 떨어지는지에 대한 답이었다.
큰 칩 하나 대신 작은 칩 여러 개
칩렛은 이 문제를 정면으로 뒤집는 발상이다. 하나의 거대한 다이에 모든 기능을 다 넣는 대신, 기능별로 쪼갠 작은 칩들을 따로따로 만들고 이걸 나중에 하나의 패키지 안에서 연결하는 방식이다. CPU 코어는 코어대로, 입출력 회로는 입출력대로, 캐시는 캐시대로 각각 별도의 작은 칩으로 만든 다음 이어붙이는 셈이다.
이렇게 하면 일단 수율 문제가 확 줄어든다. 작은 칩 하나에 결함이 생겨도 그 칩 하나만 버리면 되니까, 전체 폐기율이 훨씬 낮아진다. 게다가 각 기능마다 최적의 공정을 따로 골라 쓸 수 있다는 것도 알게 됐는데 이게 은근히 큰 장점이었다. 예를 들어 연산 코어는 최신 3나노 공정으로 만들고, 굳이 최신 공정이 필요 없는 입출력 회로는 상대적으로 저렴한 구형 공정으로 만드는 식이다. 하나의 칩을 통째로 최신 공정에 밀어넣는 것보다 비용 면에서 훨씬 합리적이라는 거다. 처음엔 그냥 "칩을 잘게 쪼갠다" 정도로만 이해했는데, 알고 보니 이게 설계 유연성과 원가 절감을 동시에 잡는 상당히 영리한 전략이었다.
AMD가 먼저 크게 베팅한 이유
이 칩렛 방식을 상업적으로 가장 먼저 크게 밀어붙인 회사가 AMD였다는 걸 찾아보며 알게 됐다. 한동안 인텔에 밀리던 AMD가 라이젠, 에픽 프로세서 시리즈에서 칩렛 구조를 적극 채택하면서 반전을 만들어냈다는 얘기를 여러 기사에서 확인할 수 있었다. 서버용 CPU는 코어 개수가 워낙 많이 필요한데, 이걸 하나의 큰 다이로 만들려고 하면 앞서 말한 수율 문제가 훨씬 심각해진다. AMD는 대신 작은 코어 칩렛을 여러 개 찍어내서 조립하는 방식으로 이 문제를 우회했고, 결과적으로 더 저렴하면서도 코어 수가 많은 CPU를 시장에 내놓을 수 있었다.
인텔도 뒤늦게 비슷한 전략으로 방향을 틀었다는 걸 알고 나니, 이게 그냥 한 회사의 아이디어가 아니라 업계 전체가 받아들인 새로운 표준에 가깝다는 생각이 들었다. 애플의 M시리즈 칩들도 여러 다이를 연결하는 방식을 쓴다는 얘기를 접하면서, 칩렛이 이제는 특정 회사만의 전략이 아니라 반도체 설계의 기본 문법처럼 자리 잡고 있다는 걸 실감했다. 재밌는 건 이 흐름이 파운드리 쪽에도 그대로 영향을 준다는 점이었다. 예전엔 하나의 고객사가 큰 다이 하나를 통째로 맡기던 방식이었다면, 이제는 같은 고객사가 여러 개의 작은 칩렛을 서로 다른 공정으로 나눠서 발주하는 경우도 생긴다. TSMC 같은 파운드리 입장에서도 이제는 단순히 "얼마나 미세하게 찍어내느냐"뿐 아니라 "여러 공정으로 나눠 만든 조각들을 얼마나 잘 조립해주느냐"까지 서비스 범위가 넓어졌다는 걸 알게 됐다.
결국 연결이 관건이라는 걸 다시 확인했다
여기서 흥미로웠던 건, 칩렛 기술이 결국 앞서 공부했던 패키징 기술이랑 딱 맞물려 돌아간다는 점이었다. 작은 칩들을 아무리 잘 쪼개 만들어도, 이걸 다시 이어붙이는 연결 기술이 부실하면 아무 의미가 없다. 칩과 칩 사이의 연결 속도가 느리면, 마치 하나의 칩처럼 매끄럽게 작동해야 할 프로세서가 오히려 병목에 걸려버린다.
그래서 칩렛끼리 연결하는 인터커넥트 기술, 그리고 이걸 뒷받침하는 첨단 패키징이 칩렛 시대의 진짜 핵심이라는 걸 알게 됐다. 결국 미세공정으로 회로를 얼마나 가늘게 그리느냐 못지않게, 여러 칩을 얼마나 매끄럽게 이어붙이느냐가 지금 반도체 경쟁력을 가르는 새로운 기준이 되고 있다는 생각이 들었다. 큰 칩 하나 잘 만드는 것보다, 작은 칩 여러 개를 마치 하나처럼 보이게 만드는 게 요즘 반도체 회사들의 진짜 싸움터라는 게 신기했다. 업계에서 이 연결 규격을 표준화하려는 움직임(UCIe 같은)도 있다는 걸 찾아봤는데, 서로 다른 회사가 만든 칩렛끼리도 호환되게 하려는 시도라는 걸 알고 나니 이게 단순한 기술 트렌드를 넘어 산업 생태계 자체를 바꾸는 흐름이라는 게 와닿았다.
칩렛 개념 하나 알고 나니, 앞으로 CPU나 AI 반도체 리뷰 기사 볼 때 "몇 개의 칩렛으로 구성됐다"는 표현이 왜 그렇게 중요하게 다뤄지는지 이제는 감이 잡힌다. 큰 걸 하나 잘 만드는 시대에서, 작은 걸 여럿 잘 이어붙이는 시대로 넘어가고 있다는 걸 이번에 제대로 배웠다.
이걸 알고 나니 왜 요즘 반도체 회사들이 설계 인력만큼이나 패키징, 인터커넥트 전문 인력도 적극적으로 뽑는지 이해가 됐다. 회로 설계 하나로 승부 보던 시대에서, 여러 조각을 얼마나 잘 조합하느냐로 승부 보는 시대로 넘어가고 있는 셈이다.
작은 조각들이 모여 하나처럼 움직이는 걸 보니 신기했다.
다음엔 UCIe 표준 얘기도 더 파봐야겠다.