세미콘 타이완·KPCA, CPO가 핵심

인포마켓 강용운 대표는 최근 세미콘 타이완과 인천 송도 KPCA 행사의 공통된 핵심이 CPU(Co-Packaged Optics)라고 밝혔다. 대만 세미콘 타이완은 전 세계 반도체 업체들이 모인 행사였으며, 중화권 기업들의 참여도 두드러졌다. CPU가 불과 1년 전만 해도 상상하기 어려웠던 최우선 과제로 떠올랐다고 강 대표는 분석했다.

CPU는 컴퓨터 랙 안에서 구리 대신 광 연결을 활용하는 기술이다. 이는 칩의 근거리에 광소자를 부착하고, 광소자를 외부 파이버와 연결하여 칩의 전기적 신호를 광 신호로 전환하는 방식이다. 이 기술은 시장 규모가 크게 성장할 것으로 예상된다.

CPO 분야는 높은 성장성으로 인해 엄청난 자본이 몰리고 있으며, 아이디어를 가진 스타트업들이 대거 참여하고 있다. 대만 세미콘 타이완에서는 한국의 한 교수가 검사 장비를 들고 부스를 운영하며 큰 주목을 받았다. 중국 업체들도 발전된 기술을 선보였으며, 특히 TSMC와 엔비디아가 유망 기술을 서치하는 행사로 자리매김했다. 이들 기업 관계자들은 아주 작은 부스까지 꼼꼼히 살폈다.

세미콘 타이완에서 TSMC의 낙점을 받은 한국 업체도 있는 것으로 알려졌다. 언론에 알려지지 않은 이 업체는 아이디어만으로 TSMC 관계자로부터 여러 제안을 받았다고 한다. CPO 관련 기술 중 광원 레이저, 광원 개발, 커플링 기술이 특히 뜨거운 영역으로 꼽혔다. 이 중에서 커플링은 칩 안의 도파로와 외부 광 파이버를 연결하는 난이도 높은 기술로, CPO의 핵심 요소로 부상하고 있다.

도파로 끝과 광 케이블의 간극이 잘 맞지 않아 매끄럽게 이어 붙이는 것이 매우 어렵다. 이는 하이브리드 본딩에 버금가는 난이도를 요구하며, 이를 해결하기 위해 많은 연구 인력이 집중되고 있다.

EIC(Electrical Integrated Circuit)와 PIC(Photonic Integrated Circuit) 본딩은 광소자의 두 가지 구성 요소다. EIC는 전기적 신호를 처리하는 칩이고, PIC는 도파로, 변조기(MRM 변조기 등)와 같은 물리적 요소와 관련이 있다. 이 두 영역을 위아래로 붙이는 데 하이브리드 본딩이 필요하다. HBM처럼 8단, 12단과 같은 다층 본딩이 아니라 단층 하이브리드 본딩이어서 국내 업체도 충분히 경쟁력을 가질 수 있다는 분석이 나온다. 이 시장은 매우 크게 성장할 것으로 전망된다.

도파로는 칩 안에 빛이 지나가는 길을 내는 기술인데, 측면이 거칠면 빛이 새어 나간다. 따라서 도파로를 어떻게 정교하게 새길 것인지, 그리고 제대로 제작되었는지 검사하는 기술이 핵심 과제다. 현재 유리기판의 TGV는 당장 CPU와 직접적인 관련이 없지만, 광전 통합이 이루어지지 않은 현 단계에서는 서브스트레이트 단계만 진행 중이다. 미래에는 인터포저 대신 유리기판이 칩 바로 밑에 들어가야 할 시점이 올 것이며, 이때 TGV의 중요성이 매우 커질 것이다.

인터포저 대신 유리기판이 칩 바로 밑에 사용될 때 TGV의 중요성은 엄청나다. 커플링 정렬의 난이도를 완화하기 위해 아주 작은 마이크로렌즈가 사용된다. 대만의 라간 정밀이 이 기술을 선보였으며, 중국의 포커스 라이트 등 여러 회사들이 이 분야에 뛰어들고 있다. FAU(Fiber Array Unit)는 여러 가닥의 광 파이버를 정렬시키는 부품으로, '지그'라고도 불린다. V자 홈을 파서 광 파이버를 연결하는 부품이며, 라간 등 유수의 업체들이 이 분야에 적극적으로 참여하고 있다. 이는 큰 수익을 창출할 수 있는 분야로 인식되며, 대만, 중국, 일본이 CPO 관련 기술 개발에서 앞서나가고 있다.

광 연결 기술 발전을 위한 기술적 '빅뱅' 현상이 지속되고 있다. 과거 TGV는 크랙 발생 문제로 어려움을 겪었는데, 레이저 조사 후 액체 대신 가스를 사용하여 녹이는 기법이 등장했다. 이 방법은 마이크로 크랙을 완전히 없앨 수 있다고 한다. 애칭 속도는 느리지만 꼼꼼하게 녹일 수 있어, 만약 유리 인터포저가 상용화될 경우 이 기술이 중요해질 것이다. 칩 바로 밑에 위치하는 인터포저를 유리로 만들려면 매우 촘촘하고 작은 직경의 TGV를 마이크로 크랙 없이 깊이 파야 하는데, 대만 업체가 가스 방식을 통해 이 문제를 해결했다고 주장한다.

세미콘 타이완에 한국 업체들이 대거 참석했다. 특히 삼성 디스플레이가 참가하여 주목을 받았다. 삼성그룹 내에서 삼성전기는 서브스트레이트(글래스 코어 서브스트레이트)를 유리로 만드는 역할을 하고 있다. 삼성전자가 인터포저 개발을 주도했으나, 삼성전기의 여력이 부족해지자 삼성 디스플레이에 역할을 맡긴 것으로 보인다. 삼성 디스플레이는 이 분야의 가능성을 알아보기 위해 세미콘 타이완에 참여했다.

이들 기업은 모두 함께 부스를 운영한 것으로 알려졌다. 현재 CPU 기술의 가장 큰 문제는 열 관리이다. CPU 패키징 내에서 GPU와 HBM, 그리고 광소자들이 결합된 구조에서 열이 한 곳에 집중되어 문제가 발생한다. 국내 박사들도 이 패키징의 중앙 부분에 열이 엄청나게 뭉쳐있다고 지적한다.

광소자 주변에 열이 집중되어 정렬이 흔들릴 정도로 문제가 발생하며, 인터포저 내부를 어떻게 냉각할 것인가가 핵심 과제로 떠올랐다. 현재 액침 냉각이 유력한 해결책으로 제시되고 있다. 액침 냉각은 아예 액체에 칩을 담그는 방식인데, 액체에 담그기 전에도 마이크로 리드나 방열판 같은 냉각 장치를 추가로 부착하여 효율을 높인다고 한다. 즉, 액침 냉각과 다양한 방열 시스템을 결합하는 방향으로 기술이 발전하고 있다.

냉각 기술에 대한 다양한 솔루션이 중요하게 부각되고 있다. 한국 업체들의 CPO 관련 기술 수준은 현재 검사 영역에서 일부 두각을 나타내는 정도이다. CPU 관련 정렬 부품에서 아이디어가 나오고 있으며, 도금과 CMP(화학적 기계적 연마) 기술도 많이 진척된 것으로 평가된다. 특히 도금 분야에서는 불과 몇 개월 만에 유리 도금 TGV 내 도금 기술이 크게 발전한 우수한 회사들이 이번 행사에 참여했다.

삼성전자도 최근 조직을 정비하여 CPO 기술 개발에 박차를 가하고 있지만, 아직 TSMC나 엔비디아 수준에는 미치지 못하는 것으로 알려졌다. 한국 반도체 산업이 HBM과 광 기술이라는 '양바퀴'로 돌아갈 것이라고 강조했지만, 현재 광 기술 분야의 발전 속도는 매우 빠르며 한국은 상대적으로 뒤처진 상태다.

한국의 광 관련 업체는 많지 않으며, 현재 기초적인 단계에 머물러 있다. 삼성전자 내부에서도 자사 기술이 TSMC에 못 미친다는 분위기가 감지될 정도라고 한다. 빠르게 기술 격차를 따라잡아야 할 상황이다. CPO 확산은 AI 발전 속도를 더욱 가속화할 것이다. 한 참석자는 CPO가 도입된 이후 패키징 시스템 자체를 하나의 거대한 칩으로 볼 수 있다고 설명했다. 과거 전공정이 더 중요하다고 여겨졌지만, HBM 사례처럼 이제 후공정이 전공정 못지않게 중요해졌고, 어쩌면 더 중요해졌을 수 있다.

인포마켓 강용운 대표는 한국 반도체 기업들이 CPO 기술에 대한 투자 계획을 신중하게 세워야 한다고 강조했다. 이는 AI 발전 속도 가속화와 함께 반도체 패키징의 중요성이 증대되는 현 상황에서 필수적인 과제로 꼽혔다. 과거 '전공정' 위주의 사고에서 벗어나 '후공정' 기술 역량 강화가 시급하다는 판단이다.