인공지능의 부담은 프로세서와 HBM에만 집중되지 않는다. 모든 학습 또는 추론 작업은 저장하고 전송하며 빠르게 접근해야 하는 데이터를 생성한다. Semiconductor Engineering이 발표한 분석은 인공지능 인프라의 다음 병목이 칩 내부의 셀 수를 늘리는 것만이 아니라, 고집적 NAND 메모리를 어떻게 패키징하느냐와 관련될 수 있다고 주장한다.
이 글은 Amkor의 특집 홍보 자료에 게재된 분석이므로, 여기에 제시된 일부 전망은 특정 제품에 대한 발표가 아니라 산업계의 추정 또는 패키징 업계 관계자의 관점으로 받아들여야 한다. 그럼에도 이 자료는 데이터센터, 기기, 자동차에서 스토리지 용량을 높일 때 수반되는 공학적 문제를 유용하게 보여준다.
소비자 시장을 넘어 확대되는 NAND 수요
Yole Group의 2024년 자료에 따르면 독립형 메모리 시장 규모는 1,700억 달러에 달했으며, 2년간의 하락 이후 연간 78% 회복했다. HBM을 포함한 DRAM은 매출의 약 57%를 차지했고 NAND는 40%를 차지했다. 이 글에 따르면 2026년에 접어들면서 제조업체들은 더 많은 생산능력을 HBM과 첨단 DRAM 노드에 할당하고 있으며, HBM은 전체 메모리 시장의 10%를 넘어섰다.
이러한 집중은 DRAM과 NAND의 기존 생산능력 확대에 사용할 수 있는 투자를 제한할 수 있지만, NAND 수요는 줄어들지 않고 있다. 데이터센터에는 인공지능 서버용 SSD가 필요하고, 노트북의 SSD 탑재 비율도 높아지고 있으며, 플래그십 스마트폰은 더 큰 용량으로 향하고 있다. 자동차 시스템, 특히 전기화·커넥티드 차량은 기능을 실행하고 데이터를 처리하기 위해 신뢰성 높은 솔리드 스테이트 스토리지가 필요하다.
이 글은 누적되는 압박을 설명하기 위해 데이터 증가 사례를 제시한다. 2시간 분량의 영화를 1080p에서 4K로 옮기면 데이터 용량이 약 4.7배 증가하고, 1,200만 화소 휴대전화 카메라에서 4,800만 화소로 전환하면서 이미지 용량은 약 3배 증가했다. 또한 압축된 MP3에서 Dolby Atmos와 같은 몰입형 형식으로 전환하면 3분 분량의 오디오 파일 크기가 최대 6배까지 늘어날 수 있다. 코덱 기술이 도움이 되기는 하지만 메모리 집적도 확대의 필요성을 없애지는 못한다.
수십 개 패키지에서 하나의 패키지로
이 글은 필요한 면적이라는 관점에서 발전 경로를 설명한다. 2010년에는 2TB를 저장하려면 평면형 2D NAND가 주류였기 때문에 eMMC 칩이 50개 이상 필요했으며, 칩 하나의 패키지 크기는 약 17×22mm였다. 이후 2013년부터 3D NAND가 셀을 수직으로 적층하면서 경로를 바꾸었고, 2020년에는 100층을 넘는 아키텍처가 같은 용량에 필요한 패키지 수를 줄였다.
다음 단계는 칩 또는 웨이퍼 간 하이브리드 본딩(wafer-to-wafer hybrid bonding)이다. 이는 연결 밀도를 높이고 웨이퍼 수준에서 전기적 성능을 향상한다. 이 글은 이 방식이 다중 다이 적층과 결합해 현재 수준을 크게 넘어서는 아키텍처를 가능하게 하며, 향후 800층 또는 1,000층에 도달할 수 있을 것으로 전망한다. 또한 QLC의 확산은 출처가 소개하는 추세에 따르면 단일 eMMC 패키지의 용량을 2TB까지 높이는 데 기여한다.
패키징에서 실제로 무엇이 달라지는가?
더 많은 다이를 적층하기 위해 다이를 작게 만드는 것만으로는 충분하지 않다. 동시에 수율과 신뢰성을 유지해야 한다. 이 글은 300층을 넘는 메모리를 위해 설계된 제조 공정에서 웨이퍼의 응력과 휨을 제어해야 한다고 지적한다. 언급된 장비에는 레이저 그루빙, 초정밀 연삭, 블레이드 또는 스텔스 기술을 이용한 다이싱, 균열을 검출하기 위한 자동 광학 검사가 포함된다.
웨이퍼 두께는 약 700~800마이크로미터에서 불과 25~50마이크로미터까지 감소할 수 있다. 이 단계에서는 응력 집중을 줄이기 위해 후속 표면 처리와 미세 균열 제거가 중요해진다. 또한 dice-before-grind와 stealth dice-before-grind 같은 방식이 에지 손상을 줄이는 데 사용되며, 얇은 다이에는 정밀하게 제어된 진공 흡착을 이용하는 비침형 픽업을 포함한 특수 픽업 도구가 필요하다.
32개 이상의 다이를 포함하는 구조에서는 문제가 전체 시스템 관리로 전환된다. 초저루프·장선 와이어 본딩은 안전 간격을 유지하고, 계단식 또는 지그재그 배열은 와이어가 들어갈 공간을 확보하며 응력을 분산하는 데 도움을 준다. film-on-die, film-on-wire와 같은 소재 및 스페이서는 다이 처짐을 방지하고 연결부의 무결성을 유지하는 데 사용되며, 전체 높이를 늘리지 않는다. 이는 공간이 제한된 스마트폰과 기기에서 중요한 제약이다.
데이터센터와 공급망에 중요한 이유
높은 적층에는 와이어 변형을 줄이기 위한 첨단 압축 몰딩과 커버 두께, 재료 균형, 열팽창 계수의 제어도 필요하다. 수율을 유지하려면 제조 단계 중 검사가 필요하며, 각 유닛을 추적 데이터와 연결해 결함을 조기에 발견하고 이를 재료, 장비 또는 공정 조건과 연관시킬 수 있어야 한다.
여기서 OSAT, 즉 외주 반도체 조립·검사 업체의 역할이 부각된다. 모든 NAND 업체가 지식재산과 웨이퍼 제조부터 조립·검사까지 전체 가치사슬을 보유한 종합 업체인 것은 아니다. 출처는 선도적인 OSAT 업체들이 메모리 적층, 유닛 수준 추적, 웨이퍼 레벨 팬아웃 기술, 통합 검사를 제공한다고 설명한다. 또한 기업들이 더욱 다양하고 지리적으로 균형 잡힌 공급망을 추구하면서 다지역 네트워크가 전략적으로 중요해지고 있다. 다만 이 글은 이러한 역량에 대한 특정 일정이나 특정 제품을 입증하지는 않는다.
편집상의 결론은 인공지능 시대의 NAND 용량 확대가 셀 공정에만 의존하지 않는다는 것이다. 층수나 스토리지 집적도가 한 단계 높아질 때마다 두께, 열과 응력 관리, 연결부 무결성, 수율, 패키징 파트너의 대량 생산 능력에 관한 문제도 함께 제기된다. 여전히 열려 있는 문제는 하이브리드 본딩과 같은 기술이 전망과 첨단 엔지니어링 단계에서 안정적이고 비용 경쟁력 있는 상용 제품으로 얼마나 빠르게 전환될 수 있느냐이다.