AI 시대, 다시 시작하는 반도체 공부

프롤로그 아래에서 위로 향하는 반도체 여정

1장 무어의 시대
01. 소프트웨어와 컴퓨터
소프트웨어, 인간의 꿈
컴퓨터, 꿈을 이루는 도구

02. 인류의 축복, 트랜지스터와 컴퓨터
컴퓨터 부품의 벽돌: 트랜지스터
반도체 제조의 두 축복: 무어와 데너드
최초의 승자들: CPU, D램, 낸드 플래시

03. 반도체 만들기
반도체 설계
반도체 제조(전공정)
반도체 패키징(후공정)
다양한 반도체 사업 모델

2장 미세화의 진척과 반도체 제조의 고민
01. 노광 잔혹사: 패턴 그리기의 어려움
간략한 노광의 역사
EUV의 등장과 제조 회사의 어려움
새 광원이 없는 미래: 하이-NA

02. 데너드여 안녕: 작게 그려도 잘 동작하지 않는 반도체
트랜지스터 동작 자세히 보기
양자 효과와 누설전류

3장 아래층에서 위층까지: 전공정의 문제 극복하기
01. 전공정의 미세화 방식
소자층 기술 사용처 요약
일회용 밀도 부스터, 밀도와 성능

02. 소자층의 문제: 작은 트랜지스터 만들기
게이트를 강화하는 고품질 물질: High-k Metal Gate
채널 유효 폭 넓히기: 핀펫, 게이트 올 어라운드(나노시트)
D램 채널의 유효 거리 넓히기: Recessed Channel
D램 미세화의 한계와 소자 적층: 수직 채널(Vertical Channel)
단위 저장소의 3차원화: 3D낸드와 3D D램

03. 금속배선의 문제: 소자와 소자 연결하기
미세화가 금속배선에 일으키는 문제
새로운 배선 소재: 알루미늄, 구리, 그다음
미시 세계의 땜납: 컨택
얇은 절연막으로 전류 막기: 로우-k
웨이퍼의 뒷면까지: 후면전력공급(BSPDN)

04. 개선되지 않는 소자로 반도체 만들기: 설계와 미세화
미세화와 데이터 결함: 오류정정부호
미세화로 발생하는 물리적 보안 취약점: 로우해머
설계 회사가 함께하는 제조: DTCO
고밀도 제조와 고성능 제조의 완충재: 캐시 메모리
차를 빠르게 할 수 없다면 차선을 넓게: GDDR과 HBM

4장 전공정 바깥 세상의 전쟁: 패키징
01. 새로운 패키징의 등장
패키징 용어와 의미
패키징을 바라보는 관점: 공간 활용과 배선 효율성
패키징 황금기의 1등 공신: 모바일

02. 패키징 요소기술의 발전
배선 거리 좁히기: 와이어 본딩에서 플립칩까지
배선 밀도 높이기: 더 나은 패키지 기판을 향하여
부품 결합하기: 리드프레임(핀), 볼, 범프
전공정과 패키징 사이: 재배선층
여러 칩 함께 사용하기: 다이 스태킹과 PoP
생산성 향상과 패키지 크기: 웨이퍼 레벨 패키징, 팬인, 팬아웃

03. 다양한 패키징 예시
간단한 아이디어를 통한 큰 개선: 플립 칩과 CPU
상호작용이 큰 두 칩 결합: 멀티 칩 패키징
가격 효율이 높은 다중 칩 패키징: 와이어 본딩과 다이 스태킹
두께와의 싸움: 모바일 AP와 패키지 온 패키지
모바일 메모리의 새로운 패키징: 수직 팬아웃(VFO: Vertical Fan Out)과 수직 구리 기둥 스택(VCS: Vertical Cu-Post Stack)

5장 바깥세상으로 나오는 전공정: 3차원, 2.5차원 패키징
01. 전공정 기술과 함께
첨단 패키징 용어와 의미
공정 미세화의 한계와 패키징

02. 3차원, 2.5차원 패키징의 주요 요소 기술
전공정 기술로 구현하는 와이어 본딩: TSV
볼과 범프의 최종 진화: 하이브리드 본딩
기판을 대체하는 웨이퍼: 실리콘 인터포저
기판과 실리콘 인터포저의 장점만: 실리콘 브리지

03. 다양한 3차원 패키징 제품 예시
제조 효율 높이기: 낸드 플래시와 칩 3차원 적층
패키징을 통한 신규 제품: AMD의 3D V-Cache
공간 절약과 고밀도 연결을 위한 연결: HBM
액티브 인터포저 + 패키징 종합세트: 레이크필드

04. 다양한 2.5차원 패키징 제품 예시
2.5차원 패키징으로 만든 가속기: NVIDIA A100
CPU를 결합한 인공지능 가속기: AMD MI300A
가성비 패키징의 한계: 인텔 사파이어 라피즈

6장 패키지 밖으로: 전용 반도체, 새로운 개념
01. GPU, NPU, TPU: 역할과 구현
02. CXL: 새로운 표준을 통한 개선
03. PIM: 컴퓨터의 정의를 바꾸려는 메모리

7장 시점을 바꿔: 사용자가 보는 반도체
01. 모바일이 일으킨 저전력, 고밀도 유행
02. 인공신경망으로 인한 고성능 반도체 격변

결론
01. 미세화의 어려움: 1회용 부스터, 3차원화
02. 공장을 벗어나는 반도체 산업

반도체 산업은 반도체 제조 장비를 이용해 더 작고 효율 좋은 소자를 낮은 원가로 제조한 뒤, 이를 금속배선으로 연결함으로써 최종적으로는 더 나은 처리장치와 저장장치 등의 컴퓨터 부품을 만들어 내는 사업이다. 반도체 회사는 신제품을 개발하여 컴퓨터 회사로부터 더 많은 수익을 올리고, 새로운 고성능 컴퓨터를 구입한 사람은 기존 프로그램을 더욱 빠르게 구동하거나, 기존에는 구동할 수 없던 프로그램을 구동할 수 있게 된다. 이렇게 발생하는 부가가치 중 일부는 다시 반도체 회사에 매출의 형태로 유입되어 미세화에 추가 투자가 이루어짐으로써 반도체 산업, 나아가 IT 산업이 성장하는 선순환이 일어난다. 달리 말하면, 더 작고 효율 좋은 소자를 만들어 내지 못하면 이 선순환이 깨진다는 의미이다.

반도체 미세화는 채널 폭뿐만 아니라 채널의 길이에도 영향을 끼친다. 미세화로 인해 트랜지스터 채널의 양 끝인 소스와 드레인의 거리가 매해 가까워지자, 양자 효과 중 하나인 단채널 효과Short Channel Effect가 커지기 시작했다. 단채널 효과는 게이트가 닫힌 상태임에도 소스와 드레인 사이에 전류가 흐르는 현상이다. 앞서 하이-k 금속 게이트 기술에서 게이트와 채널 사이의 누설 전류에 관해 알아보았는데, 단채널 효과는 동일한 현상이 소스와 드레인 사이에서 발생하는 것이라고 이해하면 좋다. 당연하지만, 이 역시 더 작은 트랜지스터를 만들면 일어나는 피할 수 없는 물리 현상이다.