인텔, 웨이퍼 후면 전력공급 기술 '파워비아' 최초 구현

[박찬 기자]

웨이퍼 후면 전력 공급 기술 ‘파워비아’ (사진=인텔)

인텔이 파운드리 사업 경쟁력 강화를 위한 반도체 구조 혁신에 나섰다. 반도체를 구동하는 전력을 웨이퍼 후면에서 공급하는 차세대 기술 개발에 성공했는데, 이는 전력 배선을 웨이퍼 후면에 배치해 전력 및 신호 라인의 병목 현상과 셀 활용률 등을 개선하는 기술이다.

인텔은 반도체 소자 후면에서 전력을 공급하는 '파워비아(PowerVia)' 기술을 테스트 칩에 구현했다고 5일(현지시간) 밝혔다. 후면 전력 공급(backside power delivery) 기술을 구현한 건 인텔이 반도체 업계 최초다.

업계에서는 인텔이 파워비아 솔루션 도입을 통해 파운드리 주도권 탈환을 목표하고 있다고 분석했다. 인텔은 2024년 상반기 양산 예정인 인텔 20A 공정 반도체부터 이 기술을 적용할 계획이다.

인텔 20A는 2나노미터 수준의 반도체 제조 공정이다. 인텔 파운드리 서비스 고객사도 기술을 활용할 수 있도록 해 반도체 산업의 판을 바꾸겠다는 전략이다.

기존 반도체는 회로가 그려진 웨이퍼 전면에 배선을 적용해 전력을 공급하는 전면 전력 공급(frontside power delivery) 방식을 썼다. 가장 아래에 트랜지스터를 두고 전력 배선을 가장 위에, 그다음 신호를 전달하는 배선을 두는 식이다.

전면 전력 공급은 신호를 전달하는 회로와 전력공급 배선을 같이 배치해 많은 면적을 차지한다는 한계를 지닌다. 전력과 신호 라인이 동일한 리소스를 활용하는 탓에 연결 라인의 병목 현상 문제가 발생한다. 신호와 전력 배선이 혼재돼 노이즈가 발생하기 쉬운 탓에 반도체 성능에 부정적 영향을 미친다. 또 트랜지스터 확장에 따른 배선 레이어 확대에 막대한 비용을 소모하기도 한다.

웨이퍼 후면 전력 공급 기술 (사진=인텔)

파워비아는 신호와 전력을 공급하던 배선이 섞여 있던 구조에서 벗어나, 트랜지스터 위쪽에서는 신호만 주고받고 아래쪽에 전력을 공급하는 배선을 두는 방식이다. 웨이퍼 뒤에서 전력을 공급해 신호와 전력 배선을 분리한 것이 핵심이다.

아파트로 이해하면 쉽다. 기존에는 20층 아파트에 파워선과 신호선이 함께 있어 신호 전달에 어려움이 있었다면, 이제는 파워선을 지하에만 배치하고 신호선은 지상층에만 배치해 효율적인 신호 전송이 가능해지는 식이다.

기존 반도체 구조와 달리 신호 라인-트랜지스터-전력 라인 순으로 배치를 변경해 병목 현상을 해결한다. 전력 라인을 웨이퍼 후면에 배치하는 만큼, 웨이퍼 상단의 셀 활용률도 개선할 수 있다. 간섭이 발생하지 않아 전력 효율성을 높이고 반도체 성능까지 끌어 올릴 수 있다.

인텔은 파워비아 솔루션 적용을 통해 90% 이상의 표준 셀 활용률, 6% 빠른 클럭 스피드, 30% 이상 플랫폼 전압 강하 등의 개선 효과를 거뒀다고 설명했다.

차세대 트랜지스터 구조인 '리본펫'도 함께 적용할 예정이다. 리본펫은 게이트가 채널을 감싸는 방식인 '게이트올어라운드(GAA)'의 자체 네이밍이다. 3면을 감싸는 핀펫보다 닿는 면이 1면 더 늘어난다. 세밀한 전류 조정이 가능해 전력효율을 높일 수 있다.

파워비아와 리본펫을 앞세워 TSMC와 삼성전자의 첨단 반도체 공정을 빠르게 추격한다는 의도다.

벤 셀 인텔 기술개발 부문 부사장은 "후면 전력공급 기술을 경쟁사 대비 한발 먼저 시장에 선보일 수 있게 됐다"며 "2030년까지 단일 패키징에 1조개 트랜지스터 탑재라는 목표 달성에 주요한 이정표가 될 것"이라고 자신했다.

인텔은 오는 11일부터 16일까지 일본 교토에서 열리는 VLSI 심포지엄에서 파워비아 연구 결과를 발표할 예정이다.

인텔 아크 프로 A60 GPU (사진=인텔)

더불어 이날에는 인텔 아크 프로(Arc Pro) A 시리즈 전문가용 GPU의 신제품인 아크 프로 A60 및 아크 프로 A60M도 공개했다.

인텔 아크 프로 GPU는 컴퓨터 지원 설계 및 모델링(CAD/CAM), AI 추론 작업 및 미디어 데이터 처리에 적합한 작업 환경을 제공한다.

데스크톱용인 아크 프로 A60과 모바일용의 아크 프로 A60M은 최대 12GB의 비디오 메모리(VRAM)를 지원하며, HDR(High Dynamic Range) 및 돌비 비전을 지원하는 최대 4개의 디스플레이에 연결 가능한 전문가용으로 설계됐다. 아크 프로 A60 GPU는 레이 트레이싱 하드웨어와 그래픽 가속 및 머신 러닝 기능을 내장했다. 이 외에도 기존 단일 슬롯 팩터에서 최신 시각화 기술 및 풍부한 콘텐츠 제작을 지원하는 유동형 뷰포트(fluid viewports)를 통합했다.

인텔 아크 프로 A60과 A60M은 최대 16개 PCIe 레인, 초당 384GB(기가바이트) 메모리 대역폭, 256개 전용 AI Xe 매트릭스 확장(XMX) 엔진, 16개 레이 트레이싱 유닛을 탑재했으며 CAD/CAM, AI 추론 등을 가속한다. 내장 미디어 엔진은 H.264/265, AV1 등 최신 코덱 인코딩 및 디코딩을 지원한다. 최대 소모 전력은 130W, FP32 연산 성능은 최대 10.04PF(테라플롭스)다.

아크 프로 GPU는 오토데스크의 3ds 맥스, 오토캐드, 퓨전, 인벤터, 마야를 비롯해 벤틀리 마이크로스테이션, 다쏘시스템 솔리드웍스, 네메첵 벡터웍스, PTC 크레오, 지멘스의 NX 및 솔리드 엣지 등의 건축 및 산업용 애플리케이션에 최적화했다.

아크 프로 A60 탑재 그래픽카드는 주요 공급업체를 통해 수 주 내에 공급할 예정이다. A60M 탑재 모바일 워크스테이션도 주요 PC 제조사를 통해 출시 예정이다.

박찬 기자 cpark@aitimes.com

<저작권자 Copyright ⓒ AI타임스 무단전재 및 재배포 금지>