'열 감옥' 족쇄 3D 반도체…냉각 솔루션이 양산 물꼬 트나

칩 미세화 한계로 수직 적층 전환 필연

평면(2D) 집적도 향상이 물리적 벽에 부딪히며 반도체 업계 관심이 '수직 적층(3D IC)'으로 쏠리는 가운데, 기술 도입 최대 장벽이었던 '발열 문제'를 해결할 냉각 솔루션이 속속 가시화하고 있다. 3D 반도체 시장도 본격 개화를 기대할 수 있다. 

11일 반도체 업계에 따르면 국내외 팹리스(반도체 설계전문) 기업이 차세대 반도체 아키텍처로 3D IC 도입을 적극 추진 중인 것으로 파악됐다. 최근 삼성전자 파운드리 생태계에 접수되는 고객 문의 중 상당수가 3D IC 구현에 집중되고 있다. 

3D IC 구조의 예시.(사진=코아시아)

이는 선단 공정으로 갈수록 트랜지스터 축소에 따른 면적 효율 한계가 뚜렷해지면서, 로직 칩 위에 메모리를 올리거나 이종 다이를 수직으로 쌓아 올려 성능과 면적 효율을 동시에 잡으려는 움직임이 본격화된 결과다.

국내 반도체 업계에서도 3D IC 양산 사례가 등장하고 있다. 코아시아세미가 대표 사례다. 회사는 로직 시스템온칩(SoC) 위에 D램을 수직 적층하는 3D IC 패키지 적용 제품 양산에 돌입한 바 있다.

하지만 3D 반도체는 태생적으로 열과의 싸움을 피할 수 없는 구조적 한계를 안고 있다. 칩을 수직으로 겹겹이 쌓을수록 안쪽 깊숙이 갇힌 다이(Die)의 열이 외부로 방출되지 못하는 열 감옥 현상이 발생하기 때문이다. 메모리 소자의 경우 일정 온도 이상 상승하면 전하 누설이 심화돼 데이터를 유지하기 위한 리프레시 주기를 억지로 단축해야 하는데, 이는 시스템 전반의 치명적 성능 저하로 이어진다.

업계에서는 최근 이 같은 발열 난제를 해결할 하드웨어·소프트웨어 방열 기술이 빠르게 성숙하면서 3D 구조 도입 속도가 붙기 시작했다는 평가가 나온다. 

반도체 업계 한 관계자는 "이전까지 발열을 이유로 칩 성능에도 제한이 있었는데 냉각 솔루션이 발전하면서, 발열 걱정 때문에 칩 성능을 제한하는 일이 줄었다"며 "냉각 기술이 3D 반도체 시장 개화에 결정적 역할을 할 것"이라고 말했다.

3D IC 시장 개화는 물리적 크기 한계에 부딪힌 반도체 구조와 방열 기술 발전이 맞물린 결과로 풀이된다. 평면상에서 집적도를 높이기 어려워진 칩 제조사의 적층 요구에 차세대 냉각 기술이 해법을 제시한 것이다.

전덕호 프라임마스코리아 대표는 "단순히 냉각 기술이 발전해서 3D로 쌓기 시작했다기보다는, 평면 미세화 한계로 더 이상 칩을 작게 만들 수 없다는 '적층의 당위성'이 먼저 임계점에 달했다"며 "수직으로 쌓아야만 하는 산업 요구가 확립된 이후 이를 구현하기 위한 핵심 전제조건으로 냉각 기술이 뒤따라 발전하면서 비로소 3D 상용화 물꼬가 트였다"고 설명했다.