실리콘 다이 이란 무엇인가요?

실리콘 다이 를 만드는 과정은 초순수 실리콘으로 구성된, 직경이 대개 8~12인치인 커다란 원형 웨이퍼를 제조하는 것에서 시작됩니다. 이 웨이퍼는 일련의 정교한 포토리소그래피 및 에칭 공정을 거쳐, 미세하고 복잡한 회로 패턴이 새겨집니다. 웨이퍼의 가공이 완료되면, 각 다이에는 회로 설계의 완전한 복사본이 담겨 있는 여러 개의 개별 다이로 절단됩니다. 이후 이 다이들은 패키징되어 외부와 연결되며, 마이크로프로세서, 메모리 칩 및 기타 반도체 소자의 핵심을 형성합니다.

실리콘 다이는 모놀리식 (단일 공정) 칩의 기반일 뿐만 아니라, 새롭게 등장하는 멀티다이 및 칩렛 기반 아키텍처에서도 핵심적인 역할을 합니다. 특정 기능에 최적화된 여러 다이를 단일 패키지에 통합함으로써, 설계자들은 기존의 단일다이 솔루션에 비해 더 뛰어난 성능, 유연성 및 확장성을 확보할 수 있습니다. 멀티다이 아키텍처에서는 다이를 패키지 위에 나란히 배치하거나 수직으로 적층할 수 있습니다.

실리콘 다이 가 어떻게 작동하는지 이해하려면, 원자재에서 작동 가능한 집적 회로가 만들어지는 과정을 단계별로 살펴보는 것이 도움이 됩니다.

제조 공정

이 과정은 길이가 수 피트에 달하는 대형 단결정 실리콘 잉곳을 절단하여 실리콘 웨이퍼를 만드는 것으로 시작됩니다. 이 웨이퍼들은 길고 복잡한 일련의 포토리소그래피 공정을 거치며, 이 과정에서 감광성 화학 물질과 마스크를 사용하여 회로 패턴이 웨이퍼에 전사됩니다. 각 층은 트랜지스터, 상호 연결선(트랜지스터를 연결하는 전선), 절연 영역 등 서로 다른 회로 소자에 해당합니다. 반복적인 적층, 에칭, 도핑, 증착 공정을 통해 웨이퍼는 현대 집적 회로에 필요한 복잡한 3차원 구조를 점차 형성해 나갑니다.

다이싱 및 패키징

제조 공정이 완료되면 웨이퍼에는 수백 개에서 수천 개의 동일한 회로가 포함됩니다. 그런 다음 웨이퍼를 절단하거나 “다이싱(dicing)”하여 개별 실리콘 다이로 분리합니다. 각 실리콘 다이( 다이 )는 소프트웨어 및 하드웨어 테스트 방법을 모두 사용하여 결함 여부에 대해 철저한 검사를 거치며, 상세하고 엄격한 품질 기준을 충족하는 다이만 다음 단계로 진행됩니다. 모든 테스트를 통과한 선별된 다이는 패키징 과정을 거쳐 보호 재료로 캡슐화되며, 회로 기판상의 다른 부품들과 전기적으로 연결될 수 있도록 와이어 본딩(wire bonds)이나 솔더 범프 과 같은 전기적 연결 장치가 장착됩니다.

기기 내 작동

장치에 장착되면 실리콘 다이 는 연산 엔진 또는 메모리 저장소 역할을 합니다. 전기 신호는 다이 의 미세한 트랜지스터와 배선을 통해 전달되며, 이를 통해 기본적인 계산부터 복잡한 신경망 AI 추론에 이르기까지 모든 것이 가능해집니다. 첨단 시스템에서는 여러 개의 다이를 단일 패키지에 통합(multi-다이 하거나 3D-IC 기술) 형태로 통합될 수 있으며, 이를 통해 프로세서, 메모리 및 특수 가속기(예: 그래픽)를 소형 형식으로 결합하여 이종 집적 를 구현할 수 있습니다.

다중다이 및 칩렛 시스템에서 진화하는 역할

과거에는 하나의 실리콘 다이 칩이 칩의 모든 기능을 포함하고 있었습니다. 오늘날, 멀티다이 솔루션의 등장으로 설계자들은 크고 복잡한 기능을 여러 다이(die)에 분할하여, 각 다이를 특정 기능에 최적화된 공정 기술로 제작할 수 있게 되었습니다. 이러한 다이들은 유니버설 칩렛 인터커넥트 익스프레스(UCIe)와 같은 첨단 패키징 및 고속 인터커넥트 표준을 통해 상호 연결되어, 단일 패키지 내에서 멀티다이 설계를 구현합니다. 이러한 모듈식 접근 방식은 더 높은 수율, 더 빠른 시장 출시 기간, 그리고 더 높은 수준의 맞춤화를 가능하게 합니다.

Synopsys 이 회사는 자체 도구 및 IP 플랫폼을 통해 신속하고 효율적인 멀티-다이 통합을 가능하게 하며, 초기 아키텍처 탐색, 소프트웨어 및 다이 설계 개발 및 검증, 그리고 간소화된 다이/package 공동 설계 를 지원합니다. Synopsys다중다이 솔루션의 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 초기 아키텍처 탐색: 다음과 같은 도구를 활용하면 Platform Architect 디자이너들이 설계 과정 초기 단계에서 시스템을 최적으로 분할하고, 상호 연결 구조를 분석하여 비용, 성능, 전력 및 열적 특성이 가장 우수한 설계를 도출할 수 있도록 돕습니다.
• 소프트웨어 개발 및 검증: 가상 모델 및 다음과 같은 하이브리드 에뮬레이션 플랫폼 Virtualizer, ZeBu, 및 HAPS 와 같은 가상 모델 및 하이브리드 에뮬레이션 플랫폼은 실리콘 다이 설계가 완료되기도 전에 신속한 소프트웨어 시동 및 검증을 가능하게 합니다.
• 설계 구현: 다음과 같은 통합 환경 Fusion Compiler, 3DIC Compiler, 및 3DSO.ai 와 같은 통합 환경은 타당성 조사, 프로토타이핑, 플로어플래닝, 설계, 최적화, 분석, 검증 및 첨단 패키징을 지원합니다.
• 설계 테스트 및 검증: 다음과 같은 제품의 경우 VCS, Formality, PrimeTime, IC Validator, 그리고 TestMAX DFT와 같은 제품을 통해, Synopsys 는 다중다이 설계가 실제 양산에 들어가기 전에 설계의 정확성, 기능성, 타이밍 및 제조 가능성을 시뮬레이션, 테스트 및 검증하는 포괄적인 툴 모음을 제공하여 “첫 번째 실리콘 성공”을 가능하게 합니다.
• 실리콘 IP 다이 에서 로의 연결을 위해:다이 Synopsys UCIe, HBM3 및 3DIO를 포함한 실리콘 검증완료된 IP(사전 설계 및 검증된 기능적 빌딩 블록 설계) 를제공하여 다이 간에 견고하고 고대역폭이며 에너지 효율적인 연결을 보장함으로써, 고객이 이를 처음부터 설계하고 검증하는 수고를 덜어줍니다.
• 제조 및 신뢰성: ‘실리콘 수명주기 관리 ’ 제품군과 같은 솔루션을 통해 ‘ 다이’의 전체 수명 주기 동안 포괄적인 모니터링, 테스트 및 최적화가 가능합니다.

반도체 업계 선도 기업 및 생태계 파트너들과의 긴밀한 협력을 통해, Synopsys 실리콘 다이 및 멀티다이 설계 분야에서 차세대 혁신을 지속적으로 주도하며, 고객이 시장 출시 기간 단축, 성능 향상 및 시스템 신뢰성 강화를 달성할 수 있도록 지원합니다.