Chiplet(칩렛) 혁명! 기존 반도체와 뭐가 다를까? (초보자 가이드)

Chiplet(칩렛) 소개

반도체 업계는 오랫동안 단일 실리콘 칩(모놀리식 다이) 기반으로 발전해왔습니다. 하지만 트랜지스터 크기가 원자 수준에 가까워지면서 물리적 한계와 제조 비용 증가로 인해 새로운 해결책이 필요해졌습니다. 이에 대한 혁신적인 대안이 바로 Chiplet(칩렛) 기술입니다.

Chiplet은 하나의 큰 실리콘 다이 대신, 서로 다른 기능을 수행하는 작은 칩(모듈형 다이) 여러 개를 결합하는 방식입니다. 예를 들어, AMD의 Ryzen 프로세서는 7nm CPU Chiplet과 14nm I/O 다이를 조합하여 성능과 비용을 동시에 최적화했습니다. 이러한 모듈식 접근 방식 덕분에 반도체 개발이 더 유연하고 경제적으로 변화하고 있습니다.

Chiplet이란 무엇인가?

Chiplet은 하나의 칩을 여러 개의 모듈형 구성 요소로 나눈 반도체 설계 방식입니다. 기존 반도체는 CPU 코어, 메모리, I/O 컨트롤러 등 모든 기능을 하나의 실리콘 다이에 포함해야 했지만, Chiplet 방식에서는 각 기능을 독립적인 칩으로 나누고 패키지 내에서 연결합니다.

이 방식을 사용하면 서로 다른 제조 공정을 활용할 수 있어 성능과 비용을 효율적으로 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 고성능 컴퓨팅 Chiplet은 최신 5nm 공정을 사용하고, 상대적으로 단순한 I/O 컨트롤러는 저렴한 12nm 공정을 활용하는 식입니다.

대표적인 Chiplet 기반 프로세서 사례

• AMD Ryzen & EPYC: Zen 코어 Chiplet과 I/O 다이를 조합
• Intel Meteor Lake: CPU, GPU, I/O 타일을 분리하여 성능 최적화
• Apple M 시리즈: 뉴럴 엔진, CPU, GPU를 개별 Chiplet으로 구성
• NVIDIA Grace Hopper Superchip: CPU와 GPU Chiplet 결합

Chiplet 방식은 성능을 확장하는 새로운 방법을 제공합니다. 단일 다이에 더 많은 트랜지스터를 집어넣는 대신, 여러 개의 특화된 Chiplet을 조합하여 효율적으로 성능을 높일 수 있습니다.

Chiplet의 작동 방식

1. 모듈식 설계

Chiplet은 마치 레고 블록처럼 필요한 기능을 조합하여 하나의 패키지로 구성됩니다. 예를 들어, 고성능 프로세서는 CPU Chiplet + 메모리 컨트롤러 Chiplet + 전력 관리 Chiplet으로 이루어질 수 있습니다. 이를 통해 개발 속도를 높이고, 특정 용도에 맞춰 최적화할 수 있습니다.

2. Chiplet 간 연결(인터커넥트)

Chiplet이 원활하게 작동하려면 서로 빠르게 데이터를 주고받아야 합니다. 이를 위해 다음과 같은 고속 연결 기술이 사용됩니다:

• Infinity Fabric (AMD): Chiplet 간 빠른 데이터 전송을 지원
• EMIB (Intel): 인접한 Chiplet을 효율적으로 연결하는 기술
• UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express): 여러 제조업체 Chiplet을 연결하는 표준화된 인터페이스

특히 AMD의 3D V-Cache는 Chiplet을 수직으로 적층하는 기술을 활용하여 성능을 극대화합니다.

3. Chiplet의 장점

항목	모놀리식 칩	Chiplet 기반 설계
제조 수율	낮음 (큰 다이 = 높은 결함 위험)	높음 (작은 다이 = 결함 감소)
개발 속도	18~24개월	6~12개월 (모듈식 업데이트 가능)
열 관리	단일 핫스팟 발생	분산된 열 방출로 효율적 냉각
비용	최신 공정으로 전체 제조 필요	필요한 부분만 최신 공정 적용

Chiplet 기술의 과제

1. Chiplet 간 연결 문제

Chiplet 방식에서는 데이터 전송이 칩 내부가 아닌 외부 인터커넥트를 거치기 때문에 지연(Latency)이 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 AMD는 Infinity Fabric, Intel은 EMIB 등의 기술을 개발하고 있지만, 더 낮은 지연을 위한 추가적인 연구가 필요합니다.

2. 표준화 부족

현재는 대부분의 반도체 회사들이 독자적인 Chiplet 인터페이스를 사용하고 있어, 다른 제조업체의 Chiplet을 혼합하기 어렵습니다. UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)와 같은 표준이 등장하고 있지만, 광범위한 채택에는 시간이 걸릴 것입니다.

3. 제조 및 테스트 비용 증가

Chiplet 기반 프로세서는 개별 Chiplet을 테스트한 후 조립해야 하므로 기존 단일 칩보다 테스트 공정이 복잡합니다. 또한, Chiplet을 정밀하게 패키징하는 비용도 추가됩니다.

Chiplet의 미래

1. AI 및 데이터센터 혁신

• NVIDIA 및 Google: AI 가속기에서 Chiplet을 적극 활용
• 고성능 컴퓨팅(HPC): CPU, GPU, FPGA Chiplet을 조합하여 연산 성능 극대화
• 에지 컴퓨팅: IoT 및 AI 디바이스에서 저전력 Chiplet 사용 증가

2. 자동차 및 IoT 확산

• 자율 주행 차량: 센서 및 AI 연산 Chiplet을 조합하여 비용 최적화
• 전기차(EV) 배터리 관리 시스템: Chiplet 기반 모니터링 솔루션 적용
• 스마트 홈 기기: 소비전력을 줄이면서 AI 기능을 강화하는 Chiplet 활용

3. Chiplet 표준화(UCIe) 및 고급 패키징

• UCIe 표준 확산: Chiplet 간 원활한 연결을 위한 개방형 표준 등장
• 3D 스태킹 기술 발전: Chiplet을 수직으로 적층하여 성능 극대화
• 광(光) 기반 인터커넥트 개발: 기존 전기 신호보다 빠르고 저전력 연결 가능

결론

Chiplet은 반도체 산업의 새로운 패러다임을 제시하며, 성능 확장성과 비용 절감을 동시에 실현할 수 있는 혁신적인 기술입니다. 특히 AI, 데이터센터, 자동차, 소비자 가전 등 다양한 분야에서 Chiplet 기반 설계가 빠르게 확산되고 있습니다.

하지만 Chiplet의 대중화를 위해서는 표준화(UCIe) 및 고속 인터커넥트 기술 발전이 필수적입니다. 앞으로 AMD, Intel, NVIDIA 등의 기업이 Chiplet 기술을 더욱 발전시키면서, 모듈형 반도체 설계가 주류가 될 가능성이 높습니다.

미래에는 Chiplet을 레고처럼 조립하여 맞춤형 반도체를 제작하는 시대가 열릴 것이며, 이를 통해 혁신적인 기술 발전이 가속화될 것입니다.