칩 레이어 적층을 통해 IC의 밀집 현상을 줄이는 방안은 새로운 개념은 아니며, 적어도 30년 넘게 이어져 왔다. 그러나 트랜지스터의 크기를 줄여 성능을 높이는 전통적인 스케일링 방식의 효과가 떨어지면서 최근 이 개념이 빠른 속도로 인기를 얻고 있다. 이는 무어의 법칙에 도전한 대가만은 아니다. 현재 칩의 밀집화는 갈수록 심해져 디자이너가 보다 작은 플랫 칩에 더 많은 트랜지스터를 계속해서 밀어 넣을 경우, 지난 40년간 무난하게 적용돼온 무어의 법칙에서 주장하는 것과 같은 페이스로 칩의 성능을 높일 수가 없게 된다.
새로운 대안 3D
IC는 그간 2D를 유지해 왔다. 하지만 최근에는 제품 디자인 및 제조에 3차원(3D)을 활용하여 3D 칩을 제작하는 기법이 대안으로 떠오르며 무어의 법칙에 다시금 생명을 불어 넣고 있다. 일부 디자이너들은 3D 칩은 모놀리딕 칩 내에 여러 레이어의 반도체 소자로 구성되어 있다고 한다. 또 일부에서는 3D 칩은 웨이퍼 레벨에서 연결되는 멀티 칩 패키지와 마찬가지로 여러 개의 다이를 한 번에 접합하는 기법을 채용하여 만드는 것이라고 주장한다. 그러나 일부 디자이너들은 패킹 밀도를 높이기 위해 소자의 레이어에 3D 형상을 통합하므로 단일 레이어를 최적화하여 3D를 디자인해야 한다고 요구하고 있다. 필자는 3D IC의 정의가 하나의 기본 실리콘 레이어가 있고 그 위에 활성 웨이퍼가 적층되어 있으며, 모든 처리는 모놀리딕 칩을 만드는 웨이퍼 레벨에서 이루어지는 것으로 바뀌고 있다고 생각한다. 웨이퍼는 길이가 몇 미크론에 불과한 짧은 인터커넥트를 사용하여 어디에서든 연결할 수 있다.
디자이너들은 현재 메모리를 프로세서와 통합하는 연구를 진행 중이다. 이렇게 되면 메모리 액세스 시간이 크게 줄어들어 일기 예보나 핵 시설과 관련된 계산에 많은 도움이 될 것이다. 3D 칩을 개발하면 이러한 조합을 얻을 수 있다. 3D 칩은 일반적인 칩을 뛰어넘어 완전히 새로운 범위의 기능을 만들어 낼 수 있다. 예를 들어 실리콘 칩에 바이오칩을 통합하면 의료 과학 분야에 방대한 응용 영역이 탄생할 수 있다.
3D 칩은 현재 제품화에서 초기 채택에 이르는 단계에 머물러 있다. 이러한 움직임의 선봉에는 미국과 일본이 있으며, 특히 미국 업체인 집트로닉스(Ziptronix)와 테자론 세미컨덕터(Tezzaron Semiconductor)는 제품을 선보인 상태다. 또한 일본의 신생업체인 지큐브(Zycube)는 이미지 프로세싱에 주력하고 있다. 초기 3D 소자는 프로세서와 메모리의 통합 같은 시너지 효과를 기대하는 조합으로 이미 시장에 진입한 상태지만 판매 수준은 저조하다.
필자의 생각에 이제까지는 업계가 아닌 학술 기관이 3D 칩에 관심을 가지고 있던 것으로 보인다. 그러나 지금은 IBM, 인피니언 및 도시바 같은 주요 벤더들이 3D 기술의 개발과 3D 제품의 디자인 계획을 발표하면서 3D 전자 산업은 빠른 성장세를 보이며 결국 본 궤도에 오를 것으로 예상되고 있다.
3D 시장 규모
아이서플라이는 2005년 3D 소자 시장의 규모가 1천만 달러였던 것으로 추산하고 있다. 하지만 잠재력은 매우 높은 수준이다. 아마 일부 메모리, 마이크로프로세서 및 마이크로컨트롤러 시장을 비롯하여 전체 코어 실리콘(ASIC, ASSP, PLD) 시장이 3D로 바뀌게 될 것이다. 이러한 추세를 선도하는 것은 단일 패키지에 로직과 메모리에 모두 통합되는 마이크로프로세서가 될 것이다. 플래시 기반 마이크로컨트롤러, 고급 ASSP 그리고 ASIC 역시 3D 산업의 발전에 상당한 기여를 하게 될 애플리케이션 분야이다. 아이서플라이는 2010년 3D 칩 시장 규모는 33억 달러에 이르며, 2015년에는 173억 달러로 급성장하게 될 것으로 대략적인 예측을 내놓았다.
필자는 이러한 수치에 도달할지 여부는 기술 문제보다는 비용 문제에 달려 있다고 본다. 기술 영역에서 3D 소자의 핵심은 제품화를 비롯, 다이 크기를 줄이지 않고 미래의 공정 노드로 이어질 수 있는 확장성에 있다. 디자이너들은 이러한 문제들을 극복할 테지만 이들에게 보다 중요한 부분은 3D 소자를 2D 제품의 경우보다 경제적으로 제조할 수 있도록 하는 디자인을 구현하는 일이다. IT 업계는 갈수록 높은 성능을 원하면서 비용을 낮추는 데 익숙해져 있기 때문이다.
