칩렛(Chiplet)과 UCIe 표준 – 반도체 모듈화의 미래

무어의 법칙을 넘어서는 차세대 반도체 패러다임

 

 

왜 칩렛과 UCIe인가?

2025년 현재 반도체 산업은 3나노 이하 초미세 공정 시대에 접어들며 새로운 도전에 직면하고 있습니다. 과거 수십 년간 반도체 발전을 이끌어온 무어의 법칙(Moore’s Law)은 공정 미세화로 집적도를 높이고 성능을 향상하는 전략이었지만, 이제는 물리적·경제적 한계에 직면했습니다.

 

• 공정이 미세해질수록 제조 난이도는 기하급수적으로 증가합니다.
• 단일 칩 크기가 커질수록 수율이 떨어지고 비용은 폭등합니다.
• AI, HPC, 6G, 자율주행 등 새로운 응용 분야는 더 높은 연산 성능과 메모리 대역폭을 요구합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 떠오른 것이 바로 칩렛(Chiplet) 아키텍처입니다. 칩렛은 하나의 거대한 단일 칩 대신 여러 개의 작은 칩을 조합해 하나의 시스템처럼 동작하도록 만드는 기술로, AMD와 인텔이 이미 상용화에 성공했습니다.

 

그러나 여기에는 한 가지 문제가 있습니다. 칩렛을 연결하는 방식이 기업마다 제각각이라 상호 호환성이 부족하다는 점입니다. 이를 해결하기 위해 2022년 발표된 것이 바로 UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express) 표준입니다. UCIe는 반도체 업계가 공동으로 합의한 칩렛 인터커넥트 통신 표준으로, 칩렛 생태계 확산의 핵심 열쇠로 평가받고 있습니다.

 

이번 글에서는 칩렛 아키텍처와 UCIe 표준의 개념, 기술적 특징, 글로벌 기업들의 전략, 장단점, 상용화 전망을 심층적으로 살펴보겠습니다.

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1. 칩렛 아키텍처란 무엇인가?

1) 정의

칩렛은 거대한 단일 SoC(System on Chip)를 여러 개의 작은 칩으로 분할하여 제작한 뒤, 패키지 수준에서 조립해 하나의 시스템처럼 동작하게 하는 방식입니다.

2) 특징

• 모놀리식(Monolithic) 칩 : 모든 기능(CPU, GPU, 메모리 컨트롤러, I/O)을 하나의 다이에 집적.
• 칩렛 아키텍처 : 기능별로 작은 칩으로 분할 → 필요한 기능만 조합.

3) 장점

1. 수율 개선 : 작은 다이는 결함 발생 확률이 낮아 제조 수율이 올라감.
2. 비용 절감 : 최첨단 공정이 필요한 부분(CPU 코어 등)에만 최신 노드를 적용, I/O 같은 부분은 구공정 활용 가능.
3. 유연성 : 기능별 칩 교체·조합으로 다양한 제품군 생산.
4. 확장성 : 필요에 따라 코어 칩렛을 추가해 HPC나 AI 가속기 제작 가능.

4) 예시

• AMD EPYC CPU : 코어 칩렛 + I/O 다이를 분리하여 성능·비용 최적화.
• 인텔 Meteor Lake : Foveros 기술을 활용한 칩렛 기반 아키텍처.

 

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2. 칩렛이 필요한 이유 – 무어의 법칙의 종말

1. 공정 미세화 비용 급등
   • 5nm → 3nm로 갈수록 제조 단가는 2배 이상 상승
2. 수율 저하
   • 단일 다이 면적이 커질수록 결함율 증가 → 불량률 확대
3. 이기종 집적(Heterogeneous Integration)
   • AI, 그래픽, 통신 등 서로 다른 기능을 최적화된 공정에서 제작 후 조합 필요

👉 칩렛은 단순히 “비용 절감”이 아니라, 포스트 무어 시대를 위한 필연적 아키텍처입니다.

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3. 칩렛과 인터커넥트 기술

칩렛을 조합하려면 고속·저지연·저전력의 인터커넥트 기술이 필요합니다.

1) 2.5D 패키징

• 실리콘 인터포저 위에 칩렛을 배치
• 예시 : TSMC CoWoS, 삼성 I-Cube

2) 3D 패키징

• TSV(Through-Silicon Via)를 이용해 칩을 수직 적층
• 예시 : 인텔 Foveros, 삼성 X-Cube

3) 고속 인터페이스

• PCIe, CXL, HBM 등이 있지만, 칩렛 간 통신에 최적화된 통합 표준은 부족했습니다.
• 이 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 UCIe입니다.

 

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4. UCIe 표준이란 무엇인가?

1) 정의

• UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express)는 2022년 발표된 칩렛 인터커넥트 표준입니다.
• 칩렛 간 플러그 앤 플레이(Plug & Play) 방식의 호환성을 목표로 함

2) 주요 참여 기업

• 인텔, AMD, ARM, TSMC, 삼성전자, 구글, 마이크로소프트, 메타, 알리바바, 시놉시스, ASE 등
• 글로벌 반도체·클라우드·팹리스·EDA·OSAT 기업 대부분이 참여

3) 기술 특징

1. 전송 대역폭 : 최대 32GT/s(PCIe 5.0 수준) 지원
2. 레이턴시 : 2ns 이하, 패키지 내부 인터커넥트 수준
3. 물리 계층 : 패키지 온 패키지(POP), 2.5D, 3D 패키징 모두 지원
4. 프로토콜 호환성 : PCIe, CXL과 호환 → 기존 소프트웨어 활용 가능
5. 확장성 : 범용 칩렛 생태계 구축 목표

 

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5. 글로벌 기업들의 칩렛 & UCIe 전략

1) AMD

• 칩렛 상용화의 선구자
• EPYC, Ryzen CPU에 칩렛 구조 적용
• UCIe 참여로 “개방형 칩렛 생태계” 확산 주도

2) 인텔

• Foveros(3D 적층), EMIB(2.5D 브리지) 기반 칩렛 구조
• UCIe 설립 주도, 자사 GPU/CPU/FPGA 통합에 활용

3) TSMC & 삼성전자

• CoWoS, I-Cube/X-Cube 등 첨단 패키징 솔루션 제공
• 파운드리 고객사들이 칩렛을 활용할 수 있도록 UCIe 지원 확대

4) 클라우드 기업 (구글, MS, 메타)

• 자체 AI 가속기 설계에 칩렛 적용 → 모듈화된 하드웨어 필요성
• 데이터센터 맞춤형 SoC를 빠르게 제작 가능

 

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6. 칩렛 & UCIe의 장점

1. 비용 효율성 : 최신 공정이 필요한 부분만 첨단 노드 적용
2. 성능 확장성 : 칩렛 추가·조합으로 HPC·AI 가속기 확장 용이
3. 이기종 집적 : CPU(3nm) + I/O(14nm) + 메모리 컨트롤러(28nm) 결합 가능
4. 생태계 확대 : 표준화된 인터페이스 → 다양한 기업의 칩 조합 가능

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7. 한계와 과제

1. 패키징 난이도 : 다이 간 열 관리·신호 무결성·전력 공급 문제
2. 표준 확산 : UCIe가 산업계 전반으로 얼마나 채택될지가 관건
3. 보안 문제 : 서로 다른 업체 칩을 조합 시, 보안 취약성 가능성
4. 소프트웨어 최적화 : 칩렛 하드웨어에 맞춘 OS·드라이버·툴체인 필요

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8. 시장 전망

• 시장조사기관 옴디아 : 2030년 칩렛 기반 반도체 시장 규모 600억 달러 이상
• UCIe 표준 채택 시, 칩 산업은 레고 블록처럼 모듈화 될될 가능성
• 데이터센터·AI 가속기·엣지 컴퓨팅에서 빠른 확산 예상

 

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칩렛과 UCIe는 반도체의 미래다

칩렛은 포스트 무어 시대의 필연적 진화입니다. 그리고 칩렛 생태계를 실질적으로 확산시킬 열쇠는 UCIe 표준입니다.

 

• 칩렛 = 비용 절감 + 유연성 + 성능 확장
• UCIe = 칩렛 생태계를 하나로 묶는 언어

 

앞으로 반도체 경쟁은 “누가 더 작은 공정을 먼저 도입하느냐”가 아니라, “누가 더 효율적으로 칩렛을 조합하고 UCIe 생태계를 활용하느냐”의 싸움이 될 것입니다.

 

칩렛과 UCIe는 단순한 기술이 아니라, 반도체 산업 구조 자체를 바꿀 새로운 표준으로 자리매김할 것입니다.