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GPU와 NPU의 설계적 한계 AI 시대의 반도체는 단순한 연산 장치를 넘어 ‘데이터 폭풍’을 처리하는 고성능 엔진으로 진화했다. 하지만 성능이 높아질수록 발열 문제는 더욱 심각해지고 있다. 특히 GPU와 NPU 같은 AI 전용 칩은 높은 병렬 연산 구조와 전력 밀도로 인해 열 설계가 반도체 산업의 최대 난제로 떠올랐다.1. AI 칩의 구조적 특징과 발열 요인GPU나 NPU는 CPU보다 훨씬 많은 연산 유닛을 동시에 구동한다. 수천 개의 코어가 병렬로 작동하며, 데이터 이동과 연산이 동시에 발생한다. 이때 전력 소모는 기하급수적으로 증가하고, 그만큼 발열도 커진다. 특히 딥러닝 모델 학습 과정에서는 메모리 접근이 빈번하여 전류가 끊임없이 흐르기 때문에 열 누적이 빠르게 진행된다.2. 전력 밀도와 ‘핫스팟(Hot Spot)’ 문제AI ..
반도체 트랜지스터는 왜 뜨거워질까? 현대의 반도체 칩은 수십억 개의 트랜지스터가 초당 수십억 번의 스위칭을 반복하며 연산을 수행한다. 이 작은 소자들이 끊임없이 전류를 제어하고 신호를 증폭하는 과정에서 열이 발생한다. 반도체에서의 발열은 단순한 부수 현상이 아니라, 성능과 안정성을 결정짓는 핵심 물리 현상이다.1. 트랜지스터 내부에서 열이 생기는 이유트랜지스터는 전류를 제어하는 스위치 역할을 한다. 전자가 흐를 때 저항에 의해 일부 에너지가 열로 변환되는데, 이것이 바로 ‘저항열(Joule Heating)’이다. 또 스위칭 과정에서 전류가 순간적으로 겹치는 구간이 발생하면서 ‘스위칭 손실(Switching Loss)’이 생긴다. 미세공정이 진행될수록 전류 밀도는 높아지고, 단위 면적당 발열량도 급격히 증가한다.2. 열이 칩 내부에서 이동하..
TSV 기반 3D 적층 패키징의 구조와 원리 반도체 미세공정이 한계에 다다르면서, 더 이상 평면 위에서만 성능을 높이는 것이 어려워졌다. 이에 따라 칩을 세로로 쌓아 올려 공간 활용을 극대화하는 3D 패키징 기술이 등장했다. 그 중심에는 실리콘을 관통하는 미세 전극, 즉 TSV(Through-Silicon Via)가 있다. TSV는 반도체를 수직으로 연결하는 전기적 통로로, 차세대 고성능 패키징의 핵심 기술이다.1. TSV란 무엇인가?TSV는 ‘Through-Silicon Via’의 약자로, 실리콘 웨이퍼를 수직으로 관통하는 미세 구멍에 금속을 채워 만든 전도 경로다. 기존의 2D 패키지에서는 신호가 칩 주변의 배선과 솔더볼을 통해 전달되었지만, TSV를 이용하면 칩과 칩 사이를 바로 연결할 수 있다. 즉, 수평이 아닌 수직 방향으로 신호가 이동하..
Fan-Out 패키징(FOWLP, InFO)의 원리와 구조 반도체의 성능 향상은 더 이상 칩 내부 트랜지스터만으로 설명되지 않는다. 오늘날의 핵심 경쟁력은 ‘패키징’에 있다. 그중에서도 Fan-Out 패키징은 모바일 AP, AI 칩, 고성능 SoC 등에서 혁신의 중심에 서 있다. 이 기술은 칩 크기를 줄이고 전력 효율을 높이면서도, 고속 I/O 연결을 구현할 수 있는 첨단 패키징 방식이다.1. Fan-Out 패키징이란?Fan-Out은 말 그대로 ‘신호를 바깥으로 펼친다(Fan-Out)’는 의미다. 기존의 패키징은 칩 위에 납볼을 배치해 기판에 연결했지만, Fan-Out은 칩 주변 영역까지 배선을 확장해 더 많은 입출력 단자를 확보한다. 즉, 칩 크기보다 큰 패키지를 만들면서도 기판이 필요 없는 구조다.이 방식은 웨이퍼 레벨에서 공정을 수행하기 때문에 WLP(Wa..
하이브리드 본딩과 플립칩 반도체 성능 향상이 미세공정의 한계에 다다르면서, 이제는 칩을 ‘어떻게 연결하느냐’가 핵심 경쟁력이 되었다. 그 중심에는 두 가지 패키징 기술이 있다. 바로 오랜 기간 표준으로 자리한 플립칩(Flip-Chip)과 차세대 기술로 떠오른 하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)이다.1. 플립칩 본딩(Flip-Chip Bonding)의 원리플립칩은 반도체 칩을 뒤집어 솔더 범프(Solder Bump)를 통해 기판과 직접 연결하는 기술이다. 이름 그대로 칩을 ‘뒤집어서 붙이는’ 방식이다. 이 구조는 전통적인 와이어 본딩보다 배선 길이를 획기적으로 줄여 신호 지연과 전력 손실을 감소시킨다.플립칩 공정은 주로 다음과 같은 단계로 이루어진다. ① 칩 표면에 솔더 범프 형성 ② 칩을 뒤집어 기판 패드와 정렬 ③ 리..
플라즈마 식각(Plasma Etching)의 원리 1. 왜 플라즈마 식각인가반도체 공정에서 회로는 포토리소그래피로 그려지지만, 실제로 물질을 제거해 구조를 만드는 단계는 식각이다. 미세화가 진행될수록 수직 방향으로만 정확히 깎아내는 이방성 식각이 필수적이며, 이를 가능하게 하는 기술이 바로 플라즈마 식각이다. 플라즈마는 기체를 전자와 이온, 라디칼로 분리한 상태로, 화학 반응성과 방향성 제어를 동시에 제공해 나노 스케일의 정밀 가공을 실현한다.2. 플라즈마란 무엇인가플라즈마는 고주파 전력 등으로 기체에 에너지를 가해 이온화시킨 상태다. 이때 생성되는 구성 종은 다음과 같다.전자: 낮은 질량, 높은 에너지로 충돌 이온화를 유도양이온: 전기장에 의해 가속되어 표면을 물리적으로 두드림라디칼: 화학 반응성이 매우 높은 중성 종으로 표면을 화학적으로 반응시킴메타..
남성우: 나노소재 남성우교수는 미국 일리노이대학교 어배너-섐페인(UIUC) 기계공학과 및 전기·컴퓨터공학과 교수로, 나노소재와 반도체 공정을 융합해 새로운 전자소자 구조를 제시한 세계적 연구자다. 그는 전자소자의 한계를 극복하기 위해 2차원 소재, 나노기계, 유연전자 등 다양한 분야를 통합적으로 연구하며, 미래 반도체의 설계 방향을 제시하고 있다. 특히 기계적 구조 제어를 통해 전자적 특성을 조정하는 ‘기계-전자 결합’ 연구로 주목받고 있다.학문적 배경과 연구 여정남성우 교수는 서울대학교 기계항공공학부를 졸업하고, 스탠퍼드대학교에서 기계공학 박사학위를 취득했다. 박사과정 동안 나노소재의 기계적 특성과 전기적 특성의 상관관계를 연구했으며, 이후 하버드대학교 박사후 연구원으로 있으면서 그래핀과 나노구조체의 변형 제어 기술을 ..
히데오 오노: 스핀트로닉스 히데오 오노(Hideo Ohno) 교수는 일본 도호쿠대학교 총장이자, 스핀트로닉스(spintronics) 분야의 세계적 선구자다. 그는 전자의 전하뿐 아니라 스핀(자기적 성질)을 활용해 정보를 저장하고 처리하는 기술을 실현하며, 차세대 반도체 산업의 방향을 근본적으로 바꿔놓았다. 그의 연구는 자성 반도체, 비휘발성 메모리, 저전력 로직 소자 개발로 이어지며, 정보기술과 물리학을 융합한 새로운 공학 영역을 만들어냈다.학문적 배경과 연구 여정오노 교수는 도쿄대학교에서 물리학을 전공하고, 미국 코넬대학교에서 박사학위를 받았다. 이후 벨연구소에서 반도체 자성 현상을 연구하며, 스핀을 제어하는 전자소자 개발에 몰두했다. 1990년대 중반 도호쿠대학교 교수로 부임한 후, 그는 스핀 기반 전자공학을 ‘스핀트로닉스’라..

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