Chiplet과 HBM – 고성능 컴퓨팅을 위한 통합 설계 전략

 

목차

1. Chiplet 아키텍처란 무엇인가

2. HBM의 구조와 통합 필요성

3. Chiplet + HBM 통합 구조의 실제 사례

4. 설계 전략 - 통합을 위한 기술적 접근

5. 시장 동향 및 수익성 분석

6. 미래 전망 - Chiplet + HBM이 바꾸는 생태계

 

고성능 컴퓨팅 시대, 구조의 전환이 시작되다.

AI, HPC, 자율주행, 5G 및 클라우드 기반의 데이터 폭증이 가속화되면서, 기존의 단일 SoC(System on Chip) 아키텍처만으로는 성능, 전력, 집적도의 균형을 맞추기 어려운 한계에 직면하게 되었다.
이에 따라 반도체 산업은 모놀리식 설계에서 모듈화 된 구조, 즉 Chiplet 아키텍처로 방향을 선회하고 있다.

 

Chiplet과 HBM

 

Chiplet은 여러 기능 블록을 소형 칩으로 나누어 설계하고, 이를 고속 인터커넥트로 통합하는 방식이다.
이러한 구조에서 성능 병목을 막고 전력 효율을 확보하기 위해, 고대역폭 메모리인 HBM(High Bandwidth Memory)과의 결합이 필수적으로 떠오르고 있다.

1. Chiplet 아키텍처란 무엇인가?

Chiplet이란 기존의 단일 칩 설계를 분해해, 기능별로 분리된 복수의 칩(Chiplets)을 단일 패키지 내에서 통합하는 기술이다.
이 방식은 다음과 같은 장점을 제공한다:

• 수율 향상: 큰 다이 대신 작은 다이들을 사용해 제조 불량률 감소
• 재사용성: 동일한 Chiplet을 다양한 제품군에 반복 활용
• 설계 유연성: 이기종(heterogeneous) 칩 조합 가능
• 공정 최적화: 필요한 블록만 고급 공정(예: 3nm) 사용 가능

AMD는 이미 Zen 아키텍처 기반 CPU에 Chiplet을 도입하고 있으며, 인텔은 Foveros 3D 패키징, TSMC는 CoWoS, 삼성은 I-Cube를 통해 본격적인 Chiplet 통합 시대를 열고 있다.

 

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2. HBM의 구조와 통합 필요성

HBM은 TSV(Through Silicon Via) 기술을 통해 DRAM을 수직 적층하고, 인터포저 기반의 2.5D 패키징 기술로 SoC와 연결되는 구조다.
HBM은 다음과 같은 이유로 Chiplet 구조에 필수적이다:

• 초고속 인터페이스 제공: 병목 없는 데이터 처리
• 저전력 연산 환경 구현: SoC와의 근접 연결로 소비 전력 절감
• 공간 최적화: 다층 스택 구조로 패키지 내 집적도 향상
• AI 연산에 특화된 메모리 아키텍처: 대용량, 고속, 병렬 처리에 유리

즉, Chiplet 구조가 이기종 연산을 가능하게 만든다면, HBM은 그 연산에 필수적인 데이터 흐름을 원활하게 연결하는 역할을 한다.

3. Chiplet + HBM 통합 구조의 실제 사례

AMD Instinct MI300 시리즈

• CPU + GPU + HBM3 통합 구조 (APU 아키텍처)
• 146B 트랜지스터, HBM3 메모리 최대 128GB 탑재
• HPC, AI 연산에 최적화된 하이브리드 설계

Intel Ponte Vecchio

• 47개의 Chiplet, EMIB + Foveros 패키징 기술 사용
• HBM2 E 탑재, AI 트레이닝 성능 극대화
• 인텔 최초의 본격적인 Chiplet + 고대역폭 메모리 통합 구조

NVIDIA GH200 (Grace Hopper)

• ARM 기반 Grace CPU + Hopper GPU + HBM3 통합
• 10,000개 이상의 AI 모델 동시 추론 가능
• 데이터센터와 AI 클러스터 최적화 설계

이처럼 세계 주요 반도체 기업들은 Chiplet과 HBM을 조합해 고성능·고효율 아키텍처를 구현하고 있으며, 이는 산업 표준이 되어가고 있다.

 

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4. 설계 전략 – 통합을 위한 기술적 접근

1. 인터포저 및 패키징 기술

• 2.5D 패키징(CoWoS, I-Cube): 인터포저 위에 Chiplet과 HBM을 함께 배치
• 3D 패키징(Foveros): 칩 위에 칩을 적층, 수직 연결
• Hybrid Bonding: 미세한 접합 기술로 데이터 처리 속도 향상

2. 인터커넥트 및 프로토콜

• UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express): Chiplet 간 표준 인터페이스
• XSR (Extra Short Reach): 초고속 데이터 전송을 위한 PHY 기술
• CXL (Compute Express Link): 메모리 및 I/O 공유를 위한 차세대 프로토콜

이러한 기술은 HBM과 Chiplet이 마치 하나의 칩처럼 작동할 수 있도록 결합해 준다.

 

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5. 시장 동향 및 수익성 분석

기술 수요 성장

구분202320252027(예상)

Chiplet 기반 칩 비중	15%	35%	55% 이상
HBM 수요량 (단위: PB)	800	1,800	3,200
패키징 장비 시장 규모	$10B	$18B	$30B 이상 예상

 

Chiplet과 HBM의 수요는 서버, 클라우드, AI, 자율주행, 6G 통신 산업 확대와 함께 지속적으로 증가하고 있다.

주요 수혜 기업

• TSMC: CoWoS 패키징 독점 기술 보유
• Samsung: I-Cube, X-Cube, HBM3 E 개발
• SK하이닉스: NVIDIA에 HBM3 공급
• ASE, Amkor: 고밀도 패키징 외주 전문 기업
• Synopsys, Cadence: Chiplet 설계용 EDA 툴 공급

투자 전략

• HBM 생산 업체 중심 ETF(예: SOXX, SMH)
• Chiplet 패키징/설계 툴 기업에 집중 투자
• HBM + Chiplet 동시 채택 제품 출시 기업 모니터링
• 반도체 장비 기업 (TSV, Hybrid Bonding 분야)에 분산 투자

 

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6. 미래 전망 – Chiplet + HBM이 바꾸는 생태계

Chiplet과 HBM의 결합은 단순한 성능 향상을 넘어, 반도체 설계의 패러다임을 바꾸는 기술 조합이다.
단일 칩의 한계를 넘어서, 모듈화 된 고성능 연산 아키텍처를 구축할 수 있게 되며, AI·클라우드·로봇·통신 등 거의 모든 고성능 컴퓨팅 분야에 적용 가능하다.

또한 이 통합 전략은 전력 효율과 집적도, 유연한 설계 확장성, 기술 간 상호 보완성을 통해, 향후 칩셋 설계 방식의 새로운 표준이 될 것이다.

 

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결론

통합이 미래다.

Chiplet과 HBM의 통합은 고성능 컴퓨팅을 위한 최적의 전략이자, 향후 반도체 경쟁의 핵심 축이다.
AI 서버, HPC, 에지 컴퓨팅, 스마트팩토리 등 폭증하는 데이터 환경에 대응하기 위한 유연하고 확장 가능한 설계 방식이 바로 이 조합이다.

단순히 기술의 진보를 넘어서, 설계, 제조, 패키징, 투자 전략까지 전 영역에서 구조적 전환이 일어나고 있으며, 이는 장기적으로 막대한 수익을 창출할 기술 생태계로 자리매김할 것이다.