(개념) 칩렛 (Chiplet)

반도체를 모듈화 하여 레고처럼 제작 하는개념

출처 : 인텔

기존 칩은 하나의 다이(die)에에 모든 IP(Intelligent Property)를 설계하는 개념이었었습니다. 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 TV에 들어가는 칩를 제작하기 위해서는 다수의 기술을 한 다이에 집적해야 했고 그 범위는 디지털 기능 뿐만 아니라 아날로그에 해당하는 채널 기술까지 포함하고 있습니다. 이때 워낙 다양한 종류의 IP를 작은 영역에 몰아 넣다 보니 공정을 미세화 해서 IP 자체를 작게 설계하는 노력도 필요했고 더불어 간섭 현상 회피와 전력 배분등의 노하우가 칩의 크기를 결정하는 중요한 요인중에 하나였습니다. 문제는 칩의 크기가 기술의 발전과 함께 기하급수적으로 커졌고 모든 기능을 하나의 다이 안에 넣기가 점점 어려워지자 제조사들은 각기 다른 기능을 하는 여러개의 다이를 하나의 패키지로 묶어서 생산하는 방식을 개발하게 됩니다. 이것이 MCM(Multi Chip Module)의 개념입니다. 특징이 다른 두개의 칩을 하나로 묶는 개념이며 예를 들어 시스템 반도체에 메모리를 하나의 패키지로 묶는 형태의 제품이 대표적인 케이스 입니다. 
Chiplet의 개념은 이렇게 여러개의 '단독 모듈'을 하나의 다이에에 통합하는 MCM과 다르게 '칩의 기능을 별도로 제작' 후 하나로 통합하는 방식을 의미합니다. 예를 들어 통합형 칩이 ADC, CPU, GPU, CODEC, 입출력IO 및 버스로 이루어져 있다고 하면 각각의 기능 블럭을 독립된 다이로 설명 후 SoC로 통합 할 때 모듈처럼 붙어여 쓰는 개념입니다.  

이렇게 Chiplet를 적용할 경우 한 칩안에 공정이 다르더라도 하나의 제품으로 생산이 가능해집니다. 과거에 디지털 공정으로 제작되는 IP는 미세 공정화가 매우 빠르게 진행이 되었지만 상대적으로 IP 사이즈 축소가 어려웠던 아날로 기술의 경우 고 집적화 하는데에 걸림돌이 되었었습니다. 예를 들어 디지털은 3, 5nm 공정이 준비되어 있지만 아날로그 IP는 7/8nm에 머물러 있어서 결국 점 더 미세한 프로세스로 진행하 못했던 경우가 비일비재 했던거죠. 
하지만 Chiplet를 적용 할 경우 이러한 공정의 한계를 극복할 수 있었고 그 장점은 아래와 같습니다. 
1. 생산 효율성이 향상됨으로써 수율 및 칩 경쟁력이 향상됩니다. 그 생산 시점에 IP 별 기술에 맞는 공정이 따로 있습니다. 최적의 프로세스가 각기 다른 기술을 한 칩에 통합 설계를 하다보면 당연히 가격적인 면에서 최적점을 찾기 어렵게됩니다. 하지만 각 단위 기능에 최적화된 공정으로 별도로 생산하게 되면 수율 향상과 함께 가격에서도 경쟁력을 담보 할 수 있게됩니다. 
2. 이전에 설계되었던 chiplet을 재 사용할 수 있으므로 설계 비용이 절감됩니다. 단위 블록이 독립적으로 설계되므로 한번 제작한 다이는 다른 칩을 설계할 때 다시 디자인 할 필요 없습니다. 그냥 설계된 모듈을 붙여도 되고 이미 생산된 다이를 사다가 인터페이스만 맞춰서 재 사용이 가능하니 효율성은 극대화 될 수 있습니다. 
3. 한개의 칩에 여러개의 공정에서 생산된 블럭을 통합해서 사용하므로 고성능 칩을 상대적으로 쉽게 제조가 가능합니다. 점점 칩의 규모가 기하급수적으로 커지고 있는 상황에 모든 시스템을 한번에 최적화 하는 것은 점점 더 어려워지고 있다. 수율, 가격을 잡으면서 고성능을 담보하기 위해서는 결국 모듈 설계가 그 해답을 제공하고 있다. 

기술 개발의 경쟁의 시작

AMD는 2010년 후반까지 INTEL에 CPU 경쟁력에서 밀렸었습니다. 상황 극복을 위하여 AMD는 CPU의 코어를 늘리는 전략을 선택했는데 코어의 개수를 늘리면 성능을 올릴 수 있으나 다수의 CPU 중에 하나라도 문제가 발생하면 칩 전체를 버려야 하는 효율성의 문제에 봉착하게 됩니다. 이러한 문제를 회피하기 위하여 고성능 칩을 여러개로 나누어 제작하는 chiplet 기술을 만들게 됩니다. AMD는 2020년 11월에 발표한 Ryzen 9 5950X를 시작으로, 칩렛 기술을 CPU에 적용하기 시작했습니다. AMD의 칩렛 기술은 CPU의 CPU 코어, I/O 다이, 메모리 컨트롤러를 서로 다른 칩렛으로 분리하여 제조하고, 이를 하나의 패키지로 결합하는 방식을 사용합니다. AMD의 칩렛 기술 적용 이력은 다음과 같습니다.

• 2020년 11월: Ryzen 9 5950X, Ryzen 7 5800X, Ryzen 5 5600X 출시
• 2021년 11월: Ryzen 9 5950X, Ryzen 7 5800X, Ryzen 5 5600X, Ryzen 9 5900X, Ryzen 7 5800X3D 출시
• 2022년 2월: Ryzen 7 5700X, Ryzen 5 5600, Ryzen 5 5500 출시
• 2022년 11월: Ryzen 9 7950X, Ryzen 7 7800X, Ryzen 5 7600X 출시

AMD의 칩렛 기술은 CPU의 생산 비용 절감, 수율 개선, 성능 향상에 크게 기여했습니다. AMD는 칩렛 기술을 통해 기존의 14nm 공정에서 7nm 공정으로의 전환을 성공적으로 수행했으며, 이를 통해 경쟁사인 Intel과의 성능 격차를 크게 줄일 수 있었습니다.
AMD가 신 기술 도입으로 INTEL을 추격하기 시작하자 INTEL도 chiplet 구조를 도입하게 됩니다. 그것이 14세대 서버용 CPU인 사파이어레피즈 입니다. 이 칩은 하나의 플레이트 위에 4개의 chiplet을 통합한 구조를 가지고 있습니다. 이때 INTEL은 AMD의 특허를 회피하기 위하여 AMD의 CPU 코어를 추가로 연결하는 개념이 아닌 칩안의 CPU, GPU 그리고 그 외 구역을 따로 제작하는 방식을 선택합니다. 인텔의 칩렛 기술 적용 이력은 다음과 같습니다.

• 2023년 11월: Sapphire Rapids-SP 서버 CPU 출시
• 2024년 2월: Granite Rapids-SP 서버 CPU 출시 예정

향후 전망

최근 AI의 기술 발전에 병렬 연산에 유리한 GPU가 각광을 받고 있습니다. 결국 복잡하고 동시에 다양한 작업을 수행할 경우 다수의 코어가 연산을 분담하는 것이 가장 최근의 정답입니다. 하나의 코어의 성능을 높여서 처리하겠다라는 개념은 결국 물리적인 한계에 다달을 수 밖에 없을 듯 합니다. 속도를 높이기 위해서는 발열 문제나 클럭의 주파수를 계속 높여야 하는 문제를 풀어야 하기 때문입니다. 하지만 이러한 병렬처리 방식을 기본 구조로 선택할 경우 필요한 시스템을 붙여서 성능을 높이기 때문에 확장성에 적합한 시스템 구성이 Chiplet 이라고 보여집니다. 
앞으로 고성능의 제품이 계속 나오는 데에 이러한 기술적 장벽을 어느정도 개선해 줄 새로운 개념은 우리나라에서 시스템 반도체를 설계, 생산 그리고 사용해야 하는 많은 회사에도 빨리 활용도를 높였으면 합니다.