[딜사이트 김민기 기자] 최근 반도체 시장의 경쟁이 '단일 칩을 얼마나 잘 만드느냐'에서 개별 칩들을 연결해 가공하는 '패키징'을 얼마나 잘하느냐로 초점이 맞춰지고 있다. 이에 삼성전자가 올해 종합반도체 기업으로 한 단계 성장하고 시장에서 경쟁사를 제치면서 반도체 시장의 패러다임을 바꾸기 위해서는 '패키징' 분야에서 선전이 중요하다는 분석이다. 

최근 대만 TSMC가 SK하이닉스와 고대역폭메모리(HBM)에서 차세대 3차원(3D) 패키징으로까지 협력 범위를 확대하면서 인공지능(AI) 반도체 연합전선을 구축 중이다. 이에 삼성전자도 2.5D 패키징에서 한발 나아가 올해 3D패키징 기술을 선보여 새로운 AI 반도체 시장에서 시장 체인저가 되겠다는 계획이다. 

삼성전자는 올해 2분기부터 4개 HBM을 GPU 등과 함께 배치한 2.5D패키징 기술인 '아이큐브(I-Cube)'4를 양산한다. 3분기에는 8개 HBM를 배치한 아이큐브8을 양산할 계획이다. 12개의 HBM을 통합한 I-CUBE 12도 개발할 방침이다.

패키징은 반도체 제조의 마지막 단계 중 하나다. 칩을 보호 케이스에 넣어 부식을 방지하고 이미 만들어진 칩을 결합하고 연결할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 과거에는 기술 난이도가 낮아 주로 외주를 맡겼다. 하지만 최근 회로 폭이 1㎚대까지 좁혀지면서 기술적 한계에 봉착하자 '최첨단 패키징'을 통해 미세공정의 한계를 뛰어넘고 있다. 하나의 칩을 잘 만드는 데 집착하지 않고 각각의 공정에서 생산한 여러 칩을 연결해서 최고의 성능을 뽑아내는 기술이다.

삼성전자 입장에서는 이번 아이큐브4의 양산이 매우 중요하다. SK하이닉스에게 내준 HBM 시장에서의 선두주자 지위를 다시 뺏을 수 있는 좋은 기회기 때문이다. 세계 최고 인공지능(AI) 반도체 기업 엔비디아의 H100은 연산 처리용 그래픽처리장치(GPU)와 데이터 저장용 고대역폭메모리(HBM) 반도체를 하나의 칩처럼 연결해서 만든다. SK하이닉스가 HBM을 TSMC에 보내면 TSMC가 GPU 칩을 만들고 HBM과 붙여 패키징하는 식이다.

SK하이닉스는 메모리반도체만 생산하고, TSMC는 파운드리사업만 하기 때문에 두 회사가 협업을 통해 엔비디아의 H100을 생산해왔다. 하지만 삼성전자는 종합반도체 기업으로 GPU 칩 설계·생산부터 HBM 생산과 후공정 패키징까지 모두 수행이 가능하다. 아이큐브 패키징 기술이 본격 양산이 가능하면 '턴키 수주'가 가능해진다. 그만큼 아이큐브 패키징 기술의 완성도가 높아져 AI반도체를 원하는 빅테크들의 수주를 많이 받으면 HBM과 패키징에서 모두 높은 수익을 낼 수 있게 된다.

다만 현재 HBM3와 HBM3E에서는 SK하이닉스와 TSMC가 시장을 독점하고 선두에 나선 만큼 삼성전자가 판을 뒤엎기 위해서는 현재 2.5D패키징 시장 보다는 3D패키징 시장에서 승부를 걸어야 한다.

현재 HBM 자체는 3D구조지만 '실리콘 인터포저'라는 패키징 부품 위에 프로세서와 고대역폭메모리(HBM) 같은 메모리 칩을 수평으로 배치해 2.5D 패키징 구조로 불린다. 현재 엔비디아 H100의 병목현상은 수율보다 인터포저의 공급 부족 문제가 크다.

3D 패키징은 칩을 수평으로 배치하는 일반 패키징과 달리 수직으로 쌓는 게 특징이다. 3D 구조가 되면 칩을 위아래로 배치하기 때문에 실리콘 인터포저가 필요하지 않다. 대신 실리콘관통전극(TSV) 기술을 통해 칩들이 직접 연결된다. 칩들을 옆으로 이어 붙일 필요가 없기 때문에 공간 활용도가 높아지고 직접 연결을 통해 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높일 수 있다.

이에 삼성전자도 올해 반도체 패키징 기술인 'SAINT(Samsung Advanced INterconnection Technology)'를 통해 3D패키징을 본격적으로 선보일 예정이다. 삼성전자는 SAINT 기술을 통해 AI 데이터센터용 반도체, 온디바이스 AI 기능을 갖춘 스마트폰용 AP의 성능을 끌어올리는 데 활용할 계획인 것으로 알려졌다.

업계에서는 2026년 HBM4가 본격 생산될 때 TSMC와 삼성전자가 서로 3D 패키징 기술을 통해 물량 수주전을 치열하게 펼칠 것으로 보고 있다. TSMC는 'SoIC'란 이름을 붙인 3D 패키징 기술을 적용하기 위해 SK하이닉스와 긴밀하게 협업하고 있고, 삼성전자는 GPU 프로세서 위에 데이터 저장용 D램을 올리는 'SAINT-D' 기술을 개발에 사활을 걸고 있다. 최근 인텔도 EMIB라는 기술의 2.5D패키징과 '포베로스' 공법을 활용한 3D패키징 기술을 선보이고 있어 3D 패키징 시장의 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 예상된다. 

업계 관계자는 "최근 엔비디아가 기존 HBM3와 HBM3E에서는 SK하이닉스와 TSMC가 잘하고 있는 만큼 삼성전자에게는 HBM4 때부터 본격적으로 HBM 물량 납품에 대해 논의하자고 이야기한 것으로 알려졌다"며 "HBM4부터는 시장이 본격 개화되는 만큼 삼성전자가 SK하이닉스와 TSMC를 넘기 위해서는 기술 안정성과 수율을 높이는데 온 힘을 기울여야 할 것"이라고 전했다.