삼성 파운드리 '멀티다이' 설계로 AI 반도체 경쟁력 높인다

삼성전자(193,800원 ▲21,600 +12.54%)가 여러 개의 칩을 하나의 패키지로 묶는 '멀티다이(Multi-die)' 기술을 앞세워 파운드리(반도체 위탁생산) 경쟁력을 강화하고 있다. 초미세 공정만으로는 성능 향상에 한계가 있는 AI(인공지능) 반도체 시대에 맞춰 설계부터 패키징, 메모리 조달까지 결합한 방식으로 고객사를 확보한다는 전략이다.

5일 관련업계에 따르면 삼성 파운드리는 SF2P(2세대 2나노) 공정 기술과 2.5D 첨단 패키징을 활용해 고객사의 반도체 설계를 성공적으로 '테이프아웃(설계 완료)'했다. 양산 가능 여부를 검증하는 단계까지 마친 상태다. 삼성 파운드는 올해 하반기 SF2P 공정이 적용된 칩을 생산할 계획이다.

설계에는 '멀티다이' 기술이 활용됐다. 멀티다이는 하나의 큰 칩을 만드는 대신 연산칩·메모리 등 서로 다른 기능을 하는 반도체를 효율적으로 배치해 하나의 칩으로 동작하게 하는 기술이다. AI 반도체처럼 연산 성능이 높아질수록 칩 크기가 커지고 생산 수율이 떨어지는 문제가 발생하는데 이를 해결할 수 있는 대안으로 주목받는다. 반도체 설계 기업 시높시스는 오는 2027년 HPC(고성능 컴퓨팅)에 사용되는 AI 반도체의 약 90%가 멀티다이 구조가 될 것으로 전망했다.

특히 GPU(그래픽처리장치)와 AI 가속기 등 차세대 반도체는 연산 칩과 메모리를 각각 다른 칩으로 설계한 뒤 하나의 패키지로 연결하는 구조가 빠르게 확산되고 있다. 기능별 칩을 독립적으로 개발할 수 있어 설계 부담을 줄일 수 있고, 기존에 개발된 설계(IP)를 다시 활용할 수 있어 개발 기간 단축에도 도움이 된다.

SF2P 멀티다이 설계에는 시높시스의 '3DIC 컴파일러' 플랫폼이 활용됐다. 이 플랫폼은 멀티다이 설계와 시스템 구현을 효율적으로 지원하는 솔루션이다. 삼성 파운드리는 이런 설계 환경을 제공해 고객사가 멀티다이 반도체를 보다 쉽게 설계할 수 있도록 지원한다는 방침이다. 여기에 AI 기반 설계 자동화 기술도 결합했다. 설계 완료까지 걸리는 시간을 기존 대비 약 50% 줄이고, 신호 전달 품질(신호 무결성)도 개선했다. 삼성 파운드리 관계자는 "과거에는 몇 주가 걸리던 설계 작업을 이제 몇 시간 만에 처리할 수 있다"며 "궁극적으로 더 나은 성능과 정밀도를 달성할 수 있다"고 설명했다.

멀티다이 기술은 HBM(고대역폭메모리)4 등 차세대 메모리 개발에도 활용되고 있다. 삼성 파운드리는 SoC(시스템온칩)와 D램, HBM4 인터페이스(HBM4 PHY)를 하나의 패키지로 통합하는 설계 검증도 진행했다. AI 반도체에서 요구되는 초고속 메모리 연결 기술이 실제 양산에서도 구현 가능하다는 점을 확인한 것이다.

삼성 파운드리는 협력사와 협업을 통해 최근 DTCO(설계-공정 최적화)를 넘어 STCO(시스템-기술 최적화) 개념을 강화하고 있다. 칩 설계뿐 아니라 패키징과 전력, 열 관리까지 포함해 반도체 전체 시스템을 함께 최적화하는 방식이다.

AI 반도체 경쟁이 공정 미세화만으로는 한계가 있다는 점에서 종합반도체 기업인 삼성의 경쟁력이 높아지고 있다는 평가다. 삼성 파운드리는 설계와 멀티다이 제조, 완제품 테스트뿐만 아니라 필요하다면 메모리 조달까지 돕는 '턴키(turn-key) 서비스'를 제공하고 있다. 고객이 칩 설계 아이디어만 가져오면 나머지 생산 과정은 삼성 파운드리가 모두 맡는 구조다.

반도체업계 관계자는 "삼성전자는 메모리 쌓고 합치는 기술 오랫동안 발전시켜왔다"며 "메모리와 로직 칩에 관련해서 공정과 제품, 생산 양쪽에 대한 이해도도 기본적으로 높아 멀티다이 부분에서 강점이 있다"고 강조했다.