인텔과 TSMC 앞다퉈 도입하는 후면 전력공급 기술…누가 가장 잘 할까? [고든 정의 TECH+]

작년 9월 20일에 열렸던 인텔 이노베이션 2023 행사에서 팻 겔싱어 인텔 CEO는 깜짝 놀랄만한 물건을 들고 기조 연설 무대에 나왔습니다. 바로 18A 공정으로 만든 웨이퍼였습니다. 18A 공정은 인텔이 4년간 만들겠다고 5개 공정 가운데 마지막에 해당합니다. 따라서 이걸 들고 나왔다는 이야기는 모든 공정이 이미 마지막 단계까지 개발이 끝났고 양산 준비 중이라는 뜻입니다.

인텔의 차세대 미세 공정인 20A/18A의 가장 중요한 혁신은 업계에서 처음으로 도입하는 후면 전력 공급망(backside power delivery network·BSPDN) 기술인 파워비아(PowerVia)입니다. 현재 생산되는 프로세서는 트랜지스터 층을 가장 아래 놓고 그 위에 전력망을 올린 다음 또 그 위에 신호층을 쌓아 올린 방식입니다. 제조 방식은 단순하지만 신호층과 전력 층도 여러 층이 되고 트랜지스터를 포함한 논리 회로도 역시 매우 복잡해지면서 저항은 커지고 효율은 낮아지는 결과를 초래했습니다.

따라서 인텔은 올해 나오는 20A 제품부터 파워비아라는 자체 후면 전력 공급 방식을 이용해 전력층을 아래로 내리고 트랜지스터 층을 신호층과 전력층 사이에 샌드위치처럼 넣어 계획입니다. 이렇게 만들면 저항은 줄이고 속도는 높아져 프로세서의 성능이 향상됩니다. 그런데 인텔에 대응하기 위해 현재 파운드리 업계 1위인 TSMC 역시 가까운 미래에 후면 전력 공급 방식을 도입하겠다고 선언한 상태입니다. 본래 계획은 2025년에 2nm 공정인 N2를 도입하고 2026년 N2P 공정에서 후면 전력 공급 방식을 도입할 예정이었습니다.

그러나 최근 공개된 로드맵에서 TSMC는 이를 약간 수정했습니다. 후면 전력 공급 방식의 도입은 과거 1.6nm라고 불렀던 A16 공정에서 처음 도입할 예정입니다. 로드맵 상으로는 결국 후면 전력 공급 기술 적용이 한 걸음 뒷걸음친 셈이지만, TSMC는 새로운 사실을 추가로 공개했습니다. TSMC의 자체 후면 전력 공급 기술인 슈퍼 파워 레일(Super Power Rail, SPR)은 인텔의 파워비아처럼 나노 TSV를 이용해 전력망과 트랜지스터를 연결하는 방식이 아니라 전력층과 트랜지스터를 직접 연결하는 방식을 사용합니다. 효율은 높아지는 대신 비용과 복잡도가 증가하는 문제가 있으나, 나중에 나오는 만큼 상대를 추격하기 위해 이런 방식을 택한 것으로 보입니다.

덕분에 A16 공정은 바로 그 전 세대인 N2P와 비교해서 같은 전압에서 10% 클럭을 높이거나 같은 클럭에서 전력 소모를 15-20% 줄일 수 있습니다. 그리고 같은 복잡도에서 트랜지스터 밀도를 7-10% 높일 수 있습니다. 아무튼 TSMC는 경쟁자보다 늦게 N2, N2P, N2X 공정에서 게이트 올 어라운드 (GAA) 기술을 적용한 후 자체 후면 전력 공급 기술인 슈퍼 파워 레일을 사용할 계획입니다.

A16의 양산 시기는 2026년으로 실제 제품 출시는 2027년에 이뤄질 것으로 보입니다. 이 시기 인텔 역시 A14 공정으로 진행할 계획이라 파워비아 역시 2세대로 진화해 시장에서 경쟁을 벌일 수 있습니다. 올해 인텔부터 후면 전력 기술이 본격 도입하면 이를 둘러싼 경쟁도 본격화될 것입니다. 가장 먼저 포문을 연 인텔과 2년 늦지만, 더 진보한 기술을 썼다고 주장하는 TSMC, 그리고 지금은 조용하지만, 갑자기 양산 소식을 들고 올 가능성이 높은 삼성전자까지 누구 기술이 더 나은지를 두고 갑론을박을 벌일 것으로 예상됩니다. 시장은 선택은 어떤 기술이 될지 궁금합니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com