AI 시대 PPACt 스케일링 비전 제시

지난 50년 동안 컴퓨팅 성능을 향상시킨 업계 로드맵인 무어의 법칙이 느려지고 있다. 피처 크기 감소 속도는 최근 급격히 느려졌다. 성능 향상 속도도 2018년 이후 3%로 상당히 감소했다. 기술 복잡성, 떨어지는 비용 경제성, 시장 출시에 소요되는 기간은 업계가 풀어야 할 주요 과제다. 반도체 업계는 이제 새로운 산업 플레이북이 필요하다.
 
반도체 산업은 4번의 컴퓨팅 물결과 함께 성장했으며 각 물결은 이전보다 거의 두 배에 달하는 매출 성장을 이끌었다. 메인프레임 컴퓨팅에서 PC와 모빌리티에 이르기까지 우리는 이제 수천억 개 디바이스가 연결된 AI 시대에 살고 있다.

AI 시대를 시각화 하는 좋은 방법은 강력한 5G 통신으로 연결된 한쪽에는 에지디바이스가, 다른 한쪽에는 클라우드 데이터센터가 있는 모습을 떠올려보는 것이다. 5G 도입은 데이터가 더욱 빠른 속도로 손쉽게 이동한다는 것을 의미한다.

컨텍스트나 패턴 감지, 예측 등 AI가 요구하는 모든 것이 없다면 데이터 자체는 그다지 가치가 없다. 따라서 AI의 가치는 행동 가능한 통찰력을 제공하는 데 있다. 우리는 이것이 산업 전반에 걸쳐 놀라운 가치를 제공하며 10년 안에 전체 산업을 변화시킬 것이라 예상된다.
 
전체 산업을 변화시킬 AI

클라우드의 AI는 다양한 워크로드를 처리하기 위해 다양한 컴퓨팅 접근 방식을 채택하고 있다. 공통적인 것은 추론과 훈련 모두에 대규모 컴퓨팅 증가가 요구되며 목표 개선을 위한 측정 지표가 제시된다는 것이다. 반도체 혁신은 고성능 컴퓨팅을 가능케 한다. 여기에는 교육 및 훈련을 위한 대형 AI 칩, 추론을 위한 맞춤형 칩 설계, 고대역폭 D램 메모리, 고밀도 낸드 메모리가 포함된다. AI가 첨단 노드 도입을 주도함에 따라 반도체 수요가 크게 증가하고 있다.

AI로 인한 전력 소비의 증가는 업계가 풀어야 할 숙제다. 이미 도입된 5억대의 스마트 카메라에 전력을 공급하려면 미국에 새롭게 건립되는 발전소와 동등한 양의 전력이 필요하다. 또한 AI 훈련은 매우 에너지 집약적인 작업이다. 훈련과 추론을 합친 관련 에너지 수요는 2025년까지 전 세계 전력의 15%를 차지할 것으로 예상된다. 이는 확실히 지속 가능하지 않으며 반도체를 위한 전력과 성능의 근본적 개선이 필요하다.


이와 동시에 지난 50년 동안 컴퓨팅 성능을 향상시킨 업계 로드맵인 무어의 법칙이 느려지고 있다. 피처 크기 감소 속도는 최근 급격히 느려졌다. 성능 향상 속도도 2018년 이후 3%로 상당히 감소했다. 기술 복잡성, 떨어지는 비용 경제성, 시장출시에 소요되는 기간은 업계가 풀어야 할 주요 과제다. 반도체 업계는 이제 새로운 산업 플레이북이 필요하다.

새로운 플레이북 ‘PPACt’

어플라이드의 새로운 PPACt(성능·전력·크기·비용·시장·출시·기간) 플레이북은 새로운 재료, 새로운 아키텍처, 3D 장치를 위한 새로운 구조, 새로운 축소 방식, 첨단 패키징으로 구현될 수 있다. 경제적 가치를 포착하는 데 가장 중요한 문자 t는 타임 투 마켓, 즉 시장 출시에 걸리는 기간을 단축하는 것이다.
 
플레이북의 기초는 재료공학이다. 적절한 속성으로 설계해야 하는 새로운 재료들이 엄청나게 증가하고 있다. 이 같은 증가는 금속, 반도체, 유전체 스펙트럼 전반에 걸쳐 나타난다.

원하는 속성을 얻으려면 하나의 재료만으로는 충분치 않은 경우가 많다. 원하는 속성을 얻기 위해서는 하나의 재료에서 재료 그룹으로 생각을 전환해야 한다. 이런 재료의 경우 두께가 매우 얇으며 인터페이스가 재료 자체보다 더 두꺼운 경우도 있다. 원하는 속성을 얻기 위해 그룹 행동을 이해하려면 ▲인터페이스와 표면을 포함해 생각해야 하며 ▲한 재료가 이웃 재료와 상호 작용하는 방식을 고려해야 하며 ▲공정 전과 후의 상호작용을 단계별로 감안해야 한다.

트랜지스터 전류 누출은 배터리 수명에 영향을 미친다. 장치 크기가 축소될수록 전류 누출이 악화되는 경향이 있다. 업계는 이 문제를 해결하기 위해 고군분투하고 있다. 어플라이드 머티어리얼즈는 새로운 재료 시스템 혁신을 통해 전류 누출을 줄이는 솔루션을 개발했다. 여러 재료와 인터페이스의 몇 가지 원자층을 엔지니어링함으로써 전류 누출을 최대 1000배까지 줄이는 경로를 확인할 수 있다.

단위 공정을 넘어 공동최적화 통합 솔루션

재료 시스템을 활성화하려면 단위 공정을 넘어 새로운 방식으로 역량을 발휘해야 한다. 어플라이드는 이를 솔루션이라 부르며 여기에는 두 가지 범주가 있다. 공동최적화(Co-optimized) 공정은 최상의 PPACt 값을 위해 인접한 단계 간 공정에 대한 상호작용을 최적화하는 것이다. 통합(Integrated) 장비는 웨이퍼를 공기에 노출시키지 않고 전 공정을 완전히 진공 상태에서 구축하는 것이다. 여기에서 다양한 기술이 동일한 툴에 적용된다.


또한 재료를 처리하는 새로운 기능이 필요하다. 원자층 공정과 같은 분야에서는 원자 단위의 조립, 분해, 수정에 대해 생각할 필요가 있다. 선택적 공정에서는 재료를 제거하거나 증착하는 것으로, 원하는 재료에서만 그리고 기하학 구조 내에서 원하는 곳에서만 재료를 제거하거나 증착하는 것이다. 3D 구조로의 마이그레이션과 함께 수직 및 수평 방향의 3D45공정 능력이 증가하고 있다.

새로운 구조와 3D 접근 방식에 대해 살펴보자. 3D 낸드는 현재 주류로 자리잡았으며, 첨단 로직을 위한 게이트 올 어라운드(GAA), 3D D램, 후면 파워 레일 등 새로운 변화가 눈앞에 있다.
 
GAA 장치는 핀펫(FinFET) 다음으로 트랜지스터 구조의 주요 변곡점이다. 이는 상당한 PPACt 개선을 이끌며 최대 30% 더 낮은 전력, 최대 15% 더 빠른 속도를 제공한다.

후면 파워 레일은 3D 구조의 혁신이다. 전력선은 크기가 더 커지는 경향이 있다. 웨이퍼 후면으로 이동함으로써 셀 크기를 최대 33%까지 줄여 저항과 전력 손실을 낮추고 전반적인 상호연결의 성능을 높일 수 있다. 어플라이드는 금속, 유전체, 식각, CMP 공정에 대한 전문성을 바탕으로 이 같은 변화를 주도하는 제품을 개발하고 있다.

PPACt 스케일링을 구현하는 첨단 패키징

첨단 패키징은 업계에서 다양한 방식으로 접근하고 있는 성장 분야다. 여기에는 세 가지 공통된 목표가 있다.

첫 번째는 대기 시간과 전력을 줄이기 위해 상호연결을 점점 더 짧게 구성하는 것이다.
두 번째는 3D 적층이다. 소자를 스태킹함으로써 대역폭을 늘리고 전력 소비를 줄이며 면적을 축소할 수 있다. 이는 현재 시스템 통합 및 성능을 위한 전략적 조력자이며 최근 많은 사례가 있다. 여기에서는 첨단 패키징이 성능을 3배 향상하고 전력을 50% 낮추는 GPU를 볼 수 있다.

세 번째는 칩렛이다. 다양한 구성 요소를 맞춤화해 사용함으로써 애플리케이션 별로 성능을 높이는 기능을 제공한다. 또한 다이를 더 작게 만들 수 있고 수율이 향상된다.

첨단 패키징은 로우엔드 기술이 아니며 프런트 엔드 배선 공정과 같은 형태가 되고 있다.
 
지속가능성을 위한 노력

2020년 어플라이드는 새로운 10년 간의 지속가능성 로드맵을 발표했다. 어플라이드가 업계 미치는 영향을 설명하는 1x, 100x, 10,000x 프레임워크다. 1x는 어플라이드의 비즈니스 운영 방식, 100x는 고객과 공급업체를 포함한 업계에 미치는 영향, 10,000x는 PPACt 플레이북이 전 세계적으로 지속가능성을 주도할 수 있는 방법이다.
 
어플라이드는 2030년까지 스콥 1과 스콥 2 탄소 배출량을 50%까지 줄이는 한편, 2022년까지 미국에서, 2030년까지 전 세계적으로 100% 재생 가능한 전력으로 전환할 전략이다. 업계 리더로서 어플라이드는 앞으로도 도전적인 목표와 스스로 설정한 약속을 지키기 위해 강력하게 전진해 나갈 것이다.