공정의 한계 넘는다…국내 반도체 업계, '칩렛 전환' 가속

칩렛 기술, 공정 미세화 대신 선택적 혁신으로 반도체 산업 재편

반도체 공정 미세화 경쟁이 한계에 다다르고 있다. 초미세 공정의 성능 향상 폭은 점점 줄어드는 반면, 생산 비용은 몇 배로 치솟고 있어서다. 이에 반도체 업계는 더 이상 ‘공정의 미세화’만으로 성능을 높이는 대신, 여러 기능별로 칩을 분리해 다시 하나로 결합하는 ‘칩렛(Chiplet)’ 아키텍처에 주목하고 있다. 칩렛이 효율적이고 유연한 설계를 가능하게 하며, 새로운 반도체 혁신의 중심으로 떠오르고 있다.

칩렛 개념도.(사진=Arm)

5일 반도체 업계에 따르면, 국내외 주요 반도체 기업들이 미세공정의 한계를 돌파하기 위해 칩렛 기반 설계와 패키징 기술 확보에 속도를 내고 있다.

반도체 업계는 그동안 트랜지스터 크기를 줄여 성능을 높이는 공정 미세화 경쟁을 이어왔다. 그러나 3nm(나노미터, 10억분의 1m) 이하 공정부터는 성능 향상 대비 비용 증가폭이 지나치게 커지고, 수율도 떨어지는 구조적 문제가 드러나고 있다.

이에 국내 파운드리(반도체 위탁생산) 삼성전자는 기존 공정 수율 안정화에 집중하면서도, 칩렛 개발에 역량을 쏟아붇고 있다.

칩렛은 CPU, GPU, 메모리, I/O 등 기능별로 나뉜 칩(Die)을 하나의 패키지 안에서 고대역폭·저지연으로 연결해 동작시키는 방식이다. 모든 기능을 하나의 거대한 칩에 집적하는 기존 모놀리식(Monolithic) 구조보다 비용 효율이 높고, 설계 유연성이 크며, 수율도 개선된다. 특히 서로 다른 공정 노드를 조합할 수 있어, 성능과 비용의 균형을 극대화할 수 있는 현실적 대안으로 떠올랐다.

리벨리온 리벨쿼드 칩과 카드.(사진=리벨리온)

국내 팹리스·디자인하우스, 칩렛 주도권 경쟁 본격화

국내 반도체 산업에서도 AI 팹리스와 디자인하우스들이 칩렛 구조를 실제 제품에 적용하며 시장 경쟁에 뛰어들고 있다.

국내 AI 반도체 스타트업 리벨리온이 대표적인 예시다. 리벨리온은 차세대 칩 리벨(REBEL) 쿼드에 칩렛을 적용한다. 리벨 쿼드는 리벨 싱글 칩 4개를 하나의 패키지로 통합한 형태다. 2 PFLOPS(페타플롭스) 연산 성능, 144GB의 용량, 4.8TB/s 메모리 대역폭을 제공한다.

오진욱 리벨리온 CTO(최고기술책임자)는 최근 'SK AI 서밋' 세션 연사로 나서 차세대 칩인 리벨에 대해 “하나의 칩렛을 개발해 시장이나 고객 요구에 따라 개수를 조정해 붙이는 구조”라며 “고객 맞춤형 AI 가속기를 빠르게 조립할 수 있는 유연한 플랫폼을 목표로 한다”고 말했다.

이 외에도 퓨리오사AI, 넥스트칩 등 국내 팹리스가 차세대 칩에 칩렛 도입을 검토하고 있는 것으로 전해진다.

반도체대전(SEDEX) 2025 세미파이브 부스.(사진=세미파이브)

국내 디자인하우스(DSP) 업계도 칩렛 시대를 준비하고 있다.

먼저 세미파이브는 칩렛을 미래 3대 성장축 중 하나로 꼽고, 기술을 개발하고 있다. 특히 미국 반도체 기업 시놉시스와 협력해 4나노 기반 HPC 칩렛 플랫폼을 개발 중이다.

아울러 D2D(다이 간 통신) 기술을 활용한 칩렛 플랫폼을 하고 있으며, IPO(기업공개) 이후에는 북미 칩렛 IP(설계자산) 기술 기업까지 인수하며 시장을 공략할 계획이다.

조명현 세미파이브 대표는 최근 인터뷰에서 ““3D IC와 칩렛, D2D 인터페이스 분야에서 선도적인 경험을 쌓고 있다”고 밝혔다.

에이디테크놀로지의 경우 삼성 파운드리의 2나노 공정과 Arm 네오버스 CSS V3, 리벨리온의 AI 가속기 칩렛을 결합한 AI CPU 칩렛 플랫폼을 개발하고 있다. 또, 회사는 ADP 6 시리즈 플랫폼을 통해 HPC, 엣지서버, AI 시장 점유율을 끌어올린다는 방침이다.

박준규 에이디테크놀로지 대표는 “칩렛 기술을 통해 AI 데이터센터 제품뿐 아니라 고성능 네트워킹 제품으로 확장할 수 있다"며, "파운데이션 라이브러리와 메모리를 경쟁력 있게 개발해 칩렛 솔루션의 컴퓨팅 기능을 강화하고, 고객의 실리콘에 경쟁력을 더할 것"이라고 말했다.

코아시아세미는 리벨리온과 협력해 2.5D 실리콘 인터포저 기술을 적용한 차세대 칩렛 제품을 개발하고 있다. 가온칩스는 케이던스, 시놉시스 등 IP 업체들과 협력하며 칩렛에 대한 접근성을 확보한 상황이다.

한편 글로벌 시장조사기관 글로벌 인포메이션에 따르면 세계 칩렛 시장 규모는 지난 2024년 142억2천만달러(약 20조6천억원)에서, 2030년 941억7천만달러(약 136조4천242억원)까지 성장할 것으로 전망된다.