차세대 패키징 기술 – CoWoS, Foveros, 3D 패키징의 현재와 미래

반도체 한계를 넘는 새로운 집적 혁신 전략

 

차세대 패키징?

반도체 산업은 지난 수십 년간 무어의 법칙(Moore’s Law)을 바탕으로 발전해 왔습니다.

즉, 반도체 집적도는 약 18~24개월마다 2배씩 증가하고, 성능은 높아지며 가격은 낮아진다는 법칙입니다.

 

하지만 5nm, 3nm, 2nm와 같은 초미세 공정에 다다르면서, 기술적·경제적 한계가 명확히 드러나고 있습니다.

 

• 더 미세한 선폭 구현에 따른 공정 난이도와 비용 폭등.
• 누설 전류 증가, 발열 문제 심화.
• 공정 수율 하락으로 인한 생산성 저하.

 

이런 한계 상황에서 주목받는 돌파구가 바로 차세대 패키징(Advanced Packaging)입니다.

즉, 반도체 성능 향상을 더 이상 트랜지스터 미세화에만 의존하지 않고,

패키징 기술을 통해 다수의 칩을 하나의 시스템처럼 동작하게 만드는 전략입니다.

 

대표적인 기술로는 CoWoS, Foveros, 3D 패키징이 있으며, 이는 AI 반도체·고성능 컴퓨팅(HPC)·데이터센터·모바일 등 모든 첨단 산업에서 핵심 경쟁력이 되고 있습니다.

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1. 패키징 기술의 진화

1) 전통적 패키징 (2D 패키징)

• 단일 칩(SoC)을 기판 위에 실장
• 와이어 본딩(Wire Bonding)이나 플립칩(Flip Chip) 방식 사용
• 한계: 단일 칩 크기와 집적도에 의존 → 확장성 부족

2) 2.5D 패키징

• 실리콘 인터포저(Silicon Interposer)를 이용해 여러 개의 칩렛(Chiplet)을 연결
• 대표 기술 : TSMC CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate)
• 장점 : 대역폭 확대, 발열 분산, 유연한 칩 설계 가능

3) 3D 패키징

• 칩을 수직(Stack)으로 쌓아 TSV(Through-Silicon Via)로 연결
• 대표 기술 : 인텔 Foveros, 삼성 X-Cube
• 장점 : 공간 절약, 초고속 연결, 전력 효율 개선

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2. 주요 차세대 패키징 기술

(1) CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) – TSMC

• 구조: 칩렛 여러 개를 실리콘 인터포저 위에 올리고, 이를 기판(Substrate)에 접합
• 특징
  • 초고대역폭 메모리(HBM)와 GPU/CPU를 근접 배치
  • AI 반도체용 대용량 연산에 최적화
• 적용 사례
  • NVIDIA H100/H200 GPU
  • AMD Instinct MI300
• 강점 : 메모리와 프로세서 간 대역폭 ↑, 병목 현상 최소화
• 한계 : 인터포저 제작 비용 상승, 대형 칩의 수율 문제

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(2) Foveros – Intel

• 구조 : 로직 칩을 수직으로 적층(3D 스태킹), TSV와 마이크로 범프(Micro-bump)로 연결
• 특징
  • 서로 다른 공정 노드의 칩을 결합 가능 (예: 고성능 로직 + 저전력 IO)
  • 이기종 집적(Heterogeneous Integration) 구현
• 적용 사례
  • 인텔 Lakefield 프로세서
  • 차세대 서버·PC CPU
• 강점 : 전력 효율, 공간 활용 극대화
• 한계 : 발열 관리가 까다로움, 공정 난이도 높음

 

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(3) X-Cube – 삼성전자

• 구조 : 로직 칩 위에 메모리(예: SRAM, HBM)를 적층
• 특징
  • TSV 기반 3D 패키징
  • 로직-메모리 통합 설계로 고성능 연산 가능
• 적용 사례
  • 차세대 AI SoC, HPC 반도체
• 강점 : 낮은 레이턴시, 고대역폭
• 한계 : 발열·공정 난이도 문제 인텔과 유사

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(4) 기타 기술

• InFO (Integrated Fan-Out, TSMC) : 모바일 칩 패키징, 경량화 강점.
• EMIB (Embedded Multi-Die Interconnect Bridge, Intel) : 소규모 인터포저 삽입으로 비용 절감.
• Fan-Out 패키징 (FO-WLP, FO-PLP) : AP, 모바일, IoT 기기용.

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3. 차세대 패키징이 중요한 이유

1) 무어의 법칙 한계 극복

• 트랜지스터 미세화 한계를 패키징으로 보완
• 칩 성능 향상 경로 다변화

2) 이기종 집적

• CPU, GPU, 메모리, AI 가속기 등 서로 다른 기능 칩을 통합
• 시스템 온 칩(SoC)보다 유연한 설계 가능

3) AI·HPC 최적화

• AI 학습·추론에는 초고속 메모리 대역폭 필수
• HBM + GPU/AI 칩 결합은 CoWoS의 대표 성공사례

4) 전력 효율

• 데이터 이동 거리를 줄여 전력 소모 최소화
• 모바일·웨어러블 기기에 적합

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4. 실제 적용 사례

1) NVIDIA H100 GPU

• TSMC CoWoS 기반
• HBM3 메모리와 GPU를 인터포저로 연결
• AI 연산 대역폭 극대화

2) AMD Instinct MI300

• CPU + GPU + HBM 통합
• 차세대 슈퍼컴퓨터에 적용

3) Intel Lakefield

• Foveros 3D 패키징
• 저전력 모바일 기기에 활용

4) 삼성 X-Cub

• 메모리-로직 적층
• 모바일 AP, AI 칩에 적용 예정

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5. 시장 동향과 전망

• 2025년 차세대 패키징 시장 규모 : 약 500억 달러
• 연평균 성장률(CAGR) : 10% 이상
• 성장 요인
  • AI·HPC 수요 폭증
  • 데이터센터, 클라우드 서비스 확대
  • 전기차, 자율주행, 5G/6G 인프라 성장

👉 차세대 패키징은 단순한 조립 기술이 아니라, 반도체 성능 향상의 새로운 패러다임이 될 것입니다.

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6. 한계와 도전 과제

1. 발열 관리 : 3D 패키징에서 열 집중 현상
2. 공정 수율 : 대형 인터포저, TSV 적층의 불량률 문제
3. 비용 증가 : 첨단 패키징 설비 투자 필요
4. 표준화 부족 : UCIe 같은 통합 인터페이스 표준 확산 필요

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7. 미래 전망

단기 (2025~2030)

• AI·HPC 칩 대부분 CoWoS, Foveros 기반
• 스마트폰·모바일에도 Fan-Out, X-Cube 확대

중기 (2030~2040)

• 패키징이 반도체 성능 경쟁의 핵심 요소로 자리매김
• 칩렛(Chiplet) 표준화, 생태계 확산

장기 (2040년 이후)

• 완전한 3D 적층 반도체 시대 개막
• 집적도는 더 이상 트랜지스터가 아닌 패키징 혁신으로 결정

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패키징이 반도체의 미래를 바꾼다

과거 반도체 성능 경쟁은 “누가 더 작은 공정을 먼저 구현하는가”의 싸움이었습니다.

하지만 이제는 “누가 더 효율적인 패키징을 통해 시스템을 최적화하는가”가 경쟁력을 좌우합니다.

 

• TSMC CoWoS → AI·HPC 시장 주도
• Intel Foveros → 이기종 집적 및 서버 CPU 강화
• 삼성 X-Cube → 메모리 강점을 살린 3D 통합

앞으로 반도체의 성패는 단순히 트랜지스터 수가 아니라, 패키징 설계와 생태계 구축 역량에 달려 있습니다.