퀼트처럼 반도체를 제조, 3차원에서 꿰매고 혼합

라비 마하잔은 전자기기를 다루는 사람들에게는 조금 의외일 수 있는 ‘역사책’으로부터 영감을 얻는다. 

마하잔은 “변화를 주도했던 사람들의 열정을 살펴보면, 일을 다르게 하려고 노력한 후 기회와 혁신을 하나로 결합했던 것을 확인할 수 있다”라고 말했다. 



마하잔은 당시 고등학교 교장 선생님이었던 어머니의 영향으로 역사, 수학, 철학 그리고 로저 펜로즈(Roger Penrose)와 같은 위대한 사상가에 높은 학구열을 보였다고 말했다. 그는 1992년 박사과정을 마치고 인텔에 입사한 뒤 혁신의 기회를 지속적으로 탐색하고 있다. 

그는 “나는 우연하게도 적절한 시간에 기차에 올라탔다”고 말했다. 

마하잔은 인텔 펠로우 겸 실리콘 다이 패키징 관련 혁신에 대해 지속적으로 연구하는 인텔 조립 테스트 기술 개발 그룹을 총괄하고 있다. 그는 “우리는 인프라를 구축하는 그룹”이라며 “실리콘과 실제 세상 사이를 잇는 가교와 같다”고 설명했다. 

패키징 분야에서의 ‘조용한 혁명’ 

마하잔은 패키징 기술이 원재료와 설계와 같은 주요 변화는 물론 전력 상승과 같은 ‘조용한 혁명’을 경험했다고 말한다. 그러나 최근 패키징 기술의 발전, 특히 모듈식 디자인과 이기종 통합이 가능한 방향으로 발전함에 따라 패키징 기술이 크게 주목받고 있다. 

라비 마하잔에게도 일부 책임이 있다. 

그는 2007년 “일부 사람들이 더 큰 조각의 실리콘을 제작할 수 없다는 것을 깨달았으며, 칩 설계를 더 작은 개별 다이로 분해한 다음 패키지로 재구성해야 한다”고 말한 바 있다. 그는 “이 경우 발생하는 문제는, 이러한 다이가 어떻게 기존과 동일하게 작동하도록 서로 연결할 수 있을지에 관한 것이었다”라고 말했다. 

즉, 칩을 분해하고 재조립 하는 과정에서 발생할 수 있는 단점을 어떻게 제거할 것인가? 

기존의 밀리미터당 입출력, 즉 패키지 레이어 당 다이에 연결되는 와이어 수를 도표로 표시한 라비 마하잔은 “직선으로 연결된다는 것을 확인했다”고 말했다. 상호연결 밀도는 지속적이고 느린 속도로 증가해, 세대당 약 10%씩 증가했다. 그는 “항상 선형적이라는 사실에 매우 괴로웠다”고 밝혔다. 

마하잔은 “하루는 EMIB의 핵심 아이디어를 생각해 냈었고 기존 패키지보다 5배에서 10배 높은 밀도를 기록했다”고 말했다. 

EMIB 및 포베로스 결합을 통한 다차원 설계 

EMIB는 임베디드 멀티-다이 인터커넥트 브릿지의 약자로 간단하지만 구현하기는 매우 어려운 아이디어다. EMIB는 서로 연결하고자 하는 두 칩을 적당한 크기의 작은 실리콘 칩으로 서로 연결하는 것으로(마치 문의 경첩처럼), 이 칩을 연결하고자 하는 두 칩 사이 패키지 안으로 이식하는 방식이다. 

마하잔은 브릿지 칩 자체는 간단하고 실리콘 칩과 같이 제작하기도 쉽지만, “종이 한 장 두께의 절반으로 얇아지고, 조심스럽게 배치하여 제자리에 삽입하며, 하나도 빠지지 않고 약 8,000개의 솔더 조인트와 결합해야 한다”고 설명했다. 

그는 이렇게 복잡한 과정을 완벽하게 해내온 지난 시간에 대해 “꽤 흥미로운 경험”이라고 회상했다. EMIB는 현재 주로 인텔 스트라틱스 10 및 인텔 아질렉스 FPGA는 물론 서버용 수백만 개의 인텔 칩에 있어 중요한 구성요소다.  

마하잔과 팀이 결실을 맺는데 도움을 준 또 다른 혁신적인 기술은 바로 포베로스(Foveros)다. 포베로스는 영역 상호연결을 사용해 수직으로 쌓아 올린 두 개의 프로세서가 서로 통신할 수 있게 지원한다. EMIB는 다이를 엣지에서 엣지로 연결한다. 

그는 “액티브 다이 적층에 대한 아이디어는 개념적으로는 존재했었다. 그러나 인텔은 이를 실현하기 위해 정말 대담한 조치를 취했다”고 말했다. 

마하잔은 EMIB와 포베로스는 인텔에서 Co-EMIB라고 부르는 것과 결합할 수 있으며 “3차원에서 꿰매고, 혼합하며 조화할 수 있는 빌딩 블록을 구현할 수 있게 됐다”고 설명했다. 그는 “이렇게 하면 엄청난 기능을 손에 넣을 수 있다. 즉, 패키지 위에 각각 최적화된 여러가지 재료를 꿰매듯이 붙일 수 있으며 이는 기존의 실리콘 칩에서는 할 수 없는 방법”이라고 설명했다. 

이런 기능은 칩 제조 분야를 완전히 혁신할 수 있는 게임 체인저로, 칩의 설계와 혼합 그리고 조화할 수 있는 영역을 크게 확장할 수 있다. 

전체 시스템에 칩 패키징 혁신 적용 

인텔이 패키지 온 시스템에 많은 칩을 조립할 수 있는 새로운 방법을 지속적으로 개발하고 발명함에 따라, 마하잔은 실리콘과 함께 포장할 수 있는 포토닉스의 등장을 컴퓨팅과 통신 방식을 바꿀 수 있는 잠재력으로 본다.   

포토닉스는 빛을 사용해 데이터를 유선보다 기하급수적으로 빠르게 이동시킨다.

마하잔은 “EMIB와 포베로스가 온 패키지(on-package) 인터커넥트라면, 포토닉스는 오프 패키지(off-package) 인터커넥트”라고 설명한다. 엄청난 규모의 칩-투-칩(chip-to-chip) 및 시스템-투-시스템(system-to-system) 처리량의 새로운 차원을 통해 집적, 세분화된 컴퓨팅 및 메모리 클러스터를 구축할 수 있다. 시스템을 설계해야 하는 더 나은 방식에 대한 모든 아이디어에 대해 인텔은 이러한 툴을 제공하기 위해 노력하고 있다. 

마하잔은 “로드맵에는 많은 길이 있다”고 주장한다. 그는 혼합 칩 제조의 미래를 안내하기 위한 업계의 노력인 IEEE의 이기종 시스템 로드맵(Heterogeneous System Roadmap)에서 인텔을 대표하고 있다. 

마하잔은 “우리는 1세대다. 우리는 5세대 이상까지 성장할 가능성이 있다”며, “패키징 분야에서 일을 시작한 누군가는 적어도 향후 30년의 미래를 가지고 있다”고 말했다.  

이는 스마트한 사고를 비롯해 도구 제작, 식량 생산 또는 역사를 통한 다른 발전으로부터 교훈을 적용할 수 있는 충분한 시간이다. 마하잔은 “나는 어디서든 영감을 찾는다”고 말했다. 

또한, 그는 “매일이 매우 즐겁다”며, “풍부한 엔지니어링 경력을 쌓길 원한다면 패키징은 지금 매우 유망한 분야”라고 말했다.