삼성의 HBM 역전

TSV(Through-Silicon Via)란?

TSV는 실리콘 칩을 수직으로 뚫어서 칩 간 전기 신호를 연결하는 기술이야. 고속도로로 치면 여러 층의 도로를 쌓아 올리고, 층마다 차(데이터)가 빠르게 오갈 수 있게 수직 터널을 뚫는 셈이지. 이건 특히 HBM(High Bandwidth Memory) 같은 고대역폭 메모리에서 칩을 높이 쌓으면서도 성능을 유지하는 데 핵심적인 역할을 해.

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HCB 방식과 MR MUF 방식의 차이

이 두 방식은 TSV를 활용해 칩을 연결하고 패키징하는 방법인데, 공정과 특성이 달라서 결과물도 달라져. 고속도로 비유를 붙여서 하나씩 뜯어보자.

1. HCB 방식 (High-Contrast Bump)

• 고속도로 비유: 이건 차량이 쌩쌩 달릴 수 있는 최신 포장도로야. 과속 방지턱(기생 요소)이 거의 없고, 도로 폭도 넓고 매끄러워서 차가 막힘없이 빠르게 지나갈 수 있어.
• 기술적 특징:
  • 높이: TSV의 수직 연결 높이를 낮출 수 있어. 칩 사이 간격(인터포저나 범프 높이)이 얇아지니까 전체 패키지가 슬림해짐.
  • 기생 캐패시턴스 (Parasitic Capacitance): 전기 신호를 방해하는 '마찰' 같은 요소가 적어. 캐패시턴스가 낮으면 신호 지연이 줄고, 데이터 전송 속도가 빨라져.
  • 저항 (Resistance): 전기 저항도 낮아져서 열 발생이 적고, 전력 효율이 좋아짐.
  • 공정: 범프(칩 연결용 납땜 구조물)를 고밀도로 정밀하게 배치해야 해. 이건 고속도로의 포장을 초정밀하게 깔아야 하는 것과 비슷한데, 그만큼 기술 난이도가 높아.
• 장점: HBM 같은 고성능 메모리에서 칩을 더 많이 쌓아도 성능 손실이 적고, 발열도 줄어. 고속도로로 치면 연비 좋은 차가 막힘없이 달리는 상황.
• 단점: 초정밀 공정(영점 조준)이 필요해서 제조가 까다롭고 비용이 높을 수 있음. 고속도로를 완벽하게 만들려면 설계부터 시공까지 엄청난 노하우가 필요하다는 뜻.

2. MR MUF 방식 (Mass Reflow Molded Underfill, 추정)

• 고속도로 비유: 이건 좀 더 전통적인 도로에 가까워. 과속 방지턱(기생 요소)이 간간이 있고, 도로가 약간 울퉁불퉁해서 차가 속도를 내기엔 한계가 있어.
• 기술적 특징:
  • 높이: TSV와 칩 간 연결 구조가 HCB보다 두꺼워질 가능성이 커. 칩을 쌓을 때 몰딩(보호재) 공정이 포함되니까 패키지 전체 높이가 높아질 수 있음.
  • 기생 캐패시턴스: 방지턱처럼 신호를 방해하는 요소가 더 많아. 칩을 많이 쌓을수록 캐패시턴스가 누적돼서 신호 왜곡이나 지연이 생길 확률이 높아짐.
  • 저항: 저항도 HCB보다 상대적으로 높아서 전력 소모가 커지고 열이 더 발생할 수 있어.
  • 공정: 몰딩 공정을 통해 칩을 보호하고 연결하는데, 이건 고속도로를 대량으로 포장하면서 약간의 요철을 감수하는 방식이라고 볼 수 있어. HCB보다 정밀도는 덜 요구되지만 안정성은 확보 가능.
• 장점: 공정이 상대적으로 단순하고, 기존 설비로도 구현 가능성이 높아서 제조 난이도가 낮음. 고속도로로 치면 빠르게 깔 수 있는 일반 도로.
• 단점: 높이가 높아지고 기생 요소가 늘어나니까 HBM처럼 초고속 성능이 필요한 상황에선 한계가 드러남.

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과속 방지턱이 하나씩 있다면?

질문에서 "고속도로 중간에 과속 방지턱이 하나씩 있다면 어떨까?"라고 했는데, 이건 TSV의 기생 캐패시턴스와 저항을 비유한 거야.

• 현실로 풀어보면: TSV를 통해 칩을 쌓을 때마다 기생 캐패시턴스와 저항이 조금씩 쌓여. 이건 고속도로에 방지턱이 생기는 것처럼 데이터 전송 속도를 늦추고, 신호가 왜곡될 가능성을 높여.
• 영향: 방지턱이 많아질수록 차(데이터)가 느려지고, 연비(전력 효율)가 나빠지며, 열(발열)이 더 많이 나와. 특히 MR MUF 방식은 이 방지턱이 더 두드러질 수 있어.
• HCB의 강점: HCB는 이 방지턱을 최소화하는 설계야. 방지턱을 없애고 도로를 매끄럽게 깔면 차가 더 빨리, 더 효율적으로 달릴 수 있듯이, HCB는 신호 손실을 줄여서 고성능 HBM에 적합해.

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삼성과 HBM 주도권

HBM은 AI, GPU, 데이터센터 같은 고성능 컴퓨팅에서 필수적인 메모리야. 현재 SK하이닉스가 HBM3 시장에서 앞서가고 있지만, 삼성이 HCB 방식을 성공적으로 개발하면 판도가 바뀔 수 있어.

• HCB의 잠재력:
  • 패키징 높이: 더 얇은 패키지로 칩을 더 많이 쌓아도 안정적이라 HBM3나 HBM3E 같은 차세대 메모리에 유리.
  • 저항/캐패시턴스: 신호 손실과 발열을 줄여서 경쟁사 대비 전력 효율과 속도에서 우위를 점할 수 있음.
  • 시장 영향: 삼성이 이 기술을 상용화하면 SK하이닉스나 마이크론을 제치고 HBM 시장의 주도권을 다시 가져올 가능성이 커.
• 도전 과제: 초정밀 공정(영점 조준)이 성공의 관건이야. 고속도로를 완벽히 깔려면 설계, 장비, 테스트까지 모든 단계에서 실수가 없어야 해.

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정리

• HCB: 과속 방지턱 없는 매끄러운 고속도로. 속도 빠르고 효율 좋지만, 만들기 어려움.
• MR MUF: 방지턱 있는 일반 도로. 만들기 쉽지만, 성능 한계가 있음.
• 삼성의 목표: HCB로 완벽한 고속도로를 깔아서 HBM 시장을 다시 장악하는 것.