반도체 전력 공급 방식의 변화

반도체 공정이 2 나노 이하를 목표로 하면서 전력 공급 방식에도 변화가 필요하게 되었다.

기존에 전력을 공급하는 방식인 앞면 전력 공급 방식이 한계에 부딪혔기 때문이다.

가장 큰 구조적인 변화는 앞면 (Front-side)에서 뒷면(Back-side)의 변화이다.

이를 두고 백사이드 파워 딜리버리라고 부른다.

기존 방식인 전면 공급 방식 (FSPDN)은 웨이퍼의 앞면 한쪽 층에 데이터 신호선과 전력 공급선이 복잡하게 얽혀있다.

회로가 미세해질수록 이 선들이 서로 공간을 차지하려 싸우면서 전력 손실(전압 강하)과 신호 간섭이 발생했다.

새로운 방식인 후면 공급 방식 (BSPDN)은 데이터 신호선은 그대로 앞면에 두고 전력 공급선만 웨이퍼 뒷면으로 완전히 옮겨버리는 것이다.

후면으로 전력을 공급할 경우 전력의 통로가 분리되어 병목 현상이 사라지게 된다.

칩 면적도 약 15% 정도 줄일 수 있고, 전력 효율은 10~15% 이상 향상되게 된다.

전력 공급 방식을 변화시킬 수 있는 기술적인 변화도 진행되었다.

트랜지스터의 구조 자체가 변하면서 전력을 제어하는 방식도 정교해졌다.

FinFET에서 GAA(Gate All Around)로 변하면서 기존 Fin FET의 3면 전류제어에서 GAA를 통한 4면 전체 제어가 가능해졌다.

전류가 새어나가는 누설 전류를 획기적으로 차단할 수 있게 되었다.

이는 낮은 전압에서도 반도체가 안정적으로 작동하게 만들어 전체적인 전력 소모를 크게 낮춰준다.

시스템적인 변화도 함께 이루어지고 있는데 칩렛과 전력을 분산시키고 있다.

칩 하나에 모든 기능을 넣는 방식에서 여러 개의 칩을 이어 붙이는 방식으로 변하고 있다.

공성능 AI칩의 경우, 전력 소모가 엄청나다. 이를 해결하기 위해 전력을 관리하는 전용 칩 (PMIC)을 메인 프로세서와 최대한 가깝게 배치하거나, 3D 적층 기술을 통해 수직으로 전력을 공급하고 있다.

각 칩렛마다 필요한 전력량만큼만 정밀하게 공급하여 불필요한 에너지 낭비를 줄이고 있다.

제조사별로는 도입 방식에 차이는 있지만 궁극적인 목적은 모두 전면과 뒷면 공급 방식을 모두 도입할 것으로 보인다.

인텔은 파워비아(PowerVia)라고 부르며 1.8 나노(18A) 공정부터 가장 먼저 뒷면 공급 방식 도입할 것으로 예정되고 있다.

TSMC는 슈퍼 파워레일(Super Power Rail)이라고 말하며 2 나노 강화 버전부터 도입하여 안정적인 수율 확보에 주력하고 있다.

삼성전자는 BSPDN (Back Side Power Delivery Network)을 적용해서 2 나노 공정 로드맵에 맞춰 뒷면 전력 공급 기술 상용화를 준비 중에 있다.

요약해 보면 과거의 반도체는 한 면에서 전선을 모두 배치한 것에 비해서 미래의 반도체는 앞면과 뒷면 모두 전력을 공급하겠다는 것을 목표로 한다.

예를 들어 앞면에는 데이터가 지나가는 통신선을 깔고 뒷면에는 전력을 공급하는 전력망을 깔아서 배선을 분리하겠다는 것이다.