AI, 5·6G 통신, 자율주행, 사물인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅, 데이터센터 등은 성능 향상과 전력 효율 개선을 위해 고성능 반도체와 칩렛 기술을 필요로 한다.

특히 AI와 IoT의 확산으로 생성되는 데이터 양이 기하급수적으로 증가하고 있으며, 자율주행 차량과 같은 응용 분야는 센서로부터 수집되는 데이터를 실시간으로 처리하는 고성능 반도체가 필수다.

나노 전자공학 및 디지털 기술 연구개발 기관 아이멕(Imec)이 18일 그랜드 인터컨티넨탈 서울 파르나스 호텔에서 ‘아이멕 테크놀로지 포럼 코리아(ITF 코리아)’를 개최해 반도체 칩 기술 현황과 향후 20년 로드맵을 발표했다.

아이멕 루크 반 덴 호브(Luc Van den hove) 회장 겸 CEO는 “아이멕은 칩 기술에 집중하면서 관련 애플리케이션도 함께 발전하는 방향으로 연구하고 있다.”라며 기술 현황을 소개했다.   

반도체 기술 발전

아이멕은 산업 제휴 모델을 도입해 인텔, TI, 삼성전자, TSMC 등 주요 기업과 연구 협력하며 첨단 반도체 및 시스템 확장, 실리콘 포토닉스, 인공지능, 5G 를 비롯한 통신 및 센싱 기술 등 다양한 응용 분야에서 연구개발을 하고 있다.

또한 200mm의 웨이퍼 기술에서 300mm로 발전시키고, 핵심 CMOS(상보적 금속산화막 반도체) 프로그램을 출범시켜 반도체 업계의 주요 기업들을 유치했다. 

이후 헬스 모니터링 연구로 확장했으며, IoT 및 디지털 애플리케이션 전문성을 강화하기 위해 벨기에 연구 기관 아이마인즈(iMinds)와 합병했다. 이를 계기로 스마트 헬스케어, 스마트 시티, 스마트 제조 등 다양한 응용 분야로 연구를 진행하고 있다.

반도체 기술의 핵심 요소는 인프라, 인재, 생태계

루크 회장은 향후 5~10년 내 필요할 반도체 기술 인사이트를 제조 공정으로 전환하는 세 가지 핵심 요소로 ▲인프라 ▲인재 ▲생태계를 강조했다.

① 인프라

아이멕은 EU 반도체법(EU Chips Act)의 일환으로 첨단 반도체 기술을 위한 주요 R&D 파일럿 라인으로 선정됐다. 이 프로젝트로 6천 평방미터 이상의 클린룸과 ASML의 5200 하이-NA EUV 스캐너를 포함해 100여 개 첨단 장비를 추가할 예정이다. 향후 첨단 장비를 보유하는 연구기관으로 나아갈 것으로 기대된다.

② 인재

그는 “인재는 아이맥의 가장 중요한 자산이다.”라고 강조했다. 현재 전 세계 6천 명 이상의 직원과 100개 이상의 국적을 가진 R&D 기관으로 성장했다. 특히 파트너사에서 파견된 인력과 2~4년 간 연구를 함께 진행하면서 다양한 기술과 전문성을 보유하고 있다.

③ 생태계

아이멕은 산업 및 학계와 협력해 반도체 생태계 조성하고 있다. 전 세계 200개 이상의 대학과 장기 연구를 진행 중이며, 특히 한국 주요 기업 및 대학과 협력을 지속적으로 확대하고 있다.

이 일환으로 아이멕은 18일 한국 과학기술정보통신부 산하 나노종합기술원과 인턴십 파견 업무협약을 체결했다. 올해 3월부터 5년 간 12명의 국내 대학원생을 아이맥에 파견할 예정이다.

이 외에도 주요 장비 제조사, 소재 공급업체, 소자 기업들과 협력해 첨단 기술 플랫폼을 개발하고, 이를 필요로 하는 스타트업을 지원한다.

향후 20년 로드맵  

그는 아이멕의 향후 20년 로드맵의 주요 분야로 ▲3D 칩렛 통합 및 백사이드 인터커넥트 기술 ▲자율주행과 칩렛 ▲유전자 분석 및 신경 연구를 꼽았다.

① 3D 칩렛 통합 및 백사이드 인터커넥트 로드맵

아이멕은 정밀해지는 웨이퍼 본딩 기술을 활용한 ‘백사이드 인터커넥트 로드맵’을 도입하고 있다고 말했다. 이 기술은 반도체 칩의 전력 및 데이터 신호 배선을 칩의 뒷면에 구성해 성능과 전력 효율을 향상한다. 

특히 ‘n-채널(NMOS)’과 ‘p-채널(PMOS)’ 소자를 수직 적층하는 3D 적층 기술로 나노시트(nanosheet) 컨셉을 확장해 기존 리소그래피 방식의 한계를 극복한다고 설명했다.

또한 다중 칩 플랫폼의 효율적인 통합을 위해 ‘칩렛(Chiplet) 통합’ 기술을 발전시키고 있으며, ‘3D 이종 통합’ 기술을 활용해 개별 칩렛 간 초고속 대역폭 연결을 구현하고 있다. 이를 통해 단일 칩 설계로는 실현할 수 없는 대규모 컴퓨팅 시스템을 구축할 수 있을 것이다.

② 자율주행과 칩렛

그는 “자율주행 자동차 산업에서 반도체의 역할 점점 더 중요해지고 있으며, 자율주행의 완성은 결국 칩 기술”라고 했다.

자율주행 자동차는 고성능 컴퓨팅을 요구하는데, 현재 기술로 하나의 칩에 모든 기능을 포함하면 칩의 크기와 비용이 증가한다. 이를 해결하는 기술이 ‘칩렛’이다. 칩렛은 작은 반도체 칩을 모듈화해 하나의 시스템을 구성하는 기술로, 성능을 유지하면서 맞춤화가 가능하며 비용 효율을 개선한다.

아이멕은 이러한 변화에 대응하기 위해 수백 개 센서를 통합하고 방대한 데이터를 처리하는 자동차 칩렛 프로그램을 출시할 예정이다. 특히 자율주행 차량의 핵심 요소인 센서 기술, 고성능 반도체, 통신 기술 등에 집중해 높은 에너지 효율과 안전 요구사항을 충족하는 방식으로 칩렛을 개발할 계획이다.

아울러, 주요 자동차 제조업체, 1·2 차 공급업체, 칩 및 EDA 공급업체 등 자동차 산업의 핵심 파트너들과 협력을 강화할 방침이다. 파트너로는 Arm, ASE, BMW 그룹, 보쉬, 케이던스 디자인 시스템즈, LG 전자, 지멘스, 실리콘오토, 시놉시스, 텐스토렌트, 발레오 등이 있다.

③ 유전자 분석 및 신경 연구

그는 “칩은 메티컬과 제약 산업에서 큰 변화를 이끌 것”이라고 전망했다. 주요 시퀀싱 기업과 협력해 자사 칩 기술로 DNA 시퀀싱을 가속화하고 있으며, 이를 위해 포토닉스, 이미징 기술, 마이크로플루이딕스(미세유체공학)를 칩에 통합하고 있다.

또한 아이멕의 나노전자 기술 기반 신기술 ‘뉴로픽셀 프로브(neuropixels probe)’는 5천 개 이상의 기록 지점을 작은 뇌 임플란트에 탑재해 뇌 영역과 회로에서 뉴런 기록을 할 수 있다. 이를 통해 뇌에 대한 연구를 가속할 것이다.

그는 “칩을 이용한 신기술 연구는 아직 초기 단계이지만, 메디컬 기업 및 대학과 공동 연구를 통해 다양한 어플리케이션을 개발하면서 산업을 발전시킬 수 있을 것”이라고 강조했다.

반도체 패권 강화 전략

그는 반도체 기술 발전을 위해서는 글로벌 협력이 필수라고 강조했다. 이에 따라 아이멕은 삼성전자, SK 하이닉스, LG 등 국내 주요 기업과 협력을 강화할 예정이다. 또한, 결정된 바는 없지만 국내에 R&D 센터를 구축할 의향을 내비쳤다.

AI와 딥테크 산업의 급속한 발전은 전례 없는 수준의 컴퓨팅 수요로 이어지고 있다. 딥테크 스타트업들이 헬스케어, 바이오테크, 나노테크 분야에서 혁신을 추구하려면 첨단 반도체 기술의 적용이 필수다. 자동차, 센서, 커넥티비티와 같은 기존 산업들도 이런 기술을 활용해 혁신과 새로운 성장 기회를 포착할 수 있을 것이다.