2나노 공정의 함정: 애플과 퀄컴이 스마트폰의 미래를 걸고 벌이는 ‘패키징’ 기술 전쟁

흔히 반도체 성능의 척도는 ‘나노(nm)’ 공정이라 여겨집니다. 숫자가 작아질수록 더 빠르고 효율적인 칩이 탄생한다는 믿음은 지난 수십 년간 기술 발전의 상징이었습니다. 하지만 3나노에서 2나노로 넘어가는 지금, 이 공식은 더 이상 절대적이지 않습니다. 공정 미세화만으로 얻는 성능 향상 폭이 줄어들면서, 진정한 기술 혁신의 전쟁터는 ‘첨단 패키징’ 기술로 옮겨가고 있습니다. 특히, 스마트폰 AP(Application Processor) 시장의 두 거인 애플과 퀄컴은 이 새로운 전장에서 전혀 다른 철학으로 맞서고 있습니다. 애플은 '지속적 안정성'에, 퀄컴은 '압도적인 최고 속도'에 모든 것을 걸고 있으며, 이 두 철학의 충돌이 차세대 스마트폰의 미래를 결정할 것입니다.

 

 

1. 더 이상 ‘나노’가 전부가 아니다: 반도체 경쟁의 축이 바뀌는 이유

7나노에서 5나노, 5나노에서 3나노로 전환될 때마다 우리는 놀라운 성능 향상을 경험했습니다. 하지만 3나노에서 2나노로의 전환은 예전만큼 극적인 도약을 약속하지 못합니다. 반도체 회로의 선폭을 줄이는 물리적 한계에 가까워지면서 "점점 더 개선폭이 줄어드는 형태"가 나타나고 있기 때문입니다. 회로가 미세해질수록 제어하기 힘든 ‘누설 전류(leakage current)’가 증가하고, 더 높은 클럭 속도를 추구할수록 감당하기 힘든 ‘열(heat)’이 발생합니다. 이제 단순히 공정을 미세화하는 것만으로는 성능을 끌어올리는 데 한계가 명확해졌습니다.

이러한 물리적 한계는 칩 설계 기업들이 성능을 높일 새로운 방법을 찾도록 강요하고 있습니다. 그리고 그 해답으로 떠오른 것이 바로 ‘첨단 패키징’입니다. 칩을 어떻게 포장하고, 여러 칩을 어떻게 효율적으로 연결하느냐가 2나노 시대의 새로운 경쟁력이 된 것입니다.

 

2. 애플의 선택: ‘시스템’을 쌓아 올리는 안정성의 기술, WMCM

애플은 TSMC와 함께 단순히 칩 하나를 잘 만드는 것을 넘어, 전체 시스템의 안정성과 유연성을 극대화하는 방향을 선택했습니다. 애플 전략의 핵심을 이해하려면 먼저 ‘재배선층(RDL, Redistribution Layer)’이라는 개념을 알아야 합니다. 이는 칩 위에 금속 배선을 새로 깔아 신호선을 원하는 위치로 재배치하는 기술로, 여러 칩을 연결하는 기반이 됩니다. 애플은 이를 바탕으로 두 가지 핵심 기술을 활용합니다.

• WMCM (Wafer-Level Multi-Chip Module): 이는 모바일 칩렛(Chiplet) 아키텍처에 대한 애플의 해답입니다. 거대하고 복잡한 2나노 SoC 하나를 통째로 만드는 대신, CPU, GPU 등 각기 다른 기능을 가진 전문 칩렛들을 RDL을 이용해 웨이퍼 상태에서 미리 옆으로 나란히 연결하는 방식입니다. 작은 칩렛은 개별 생산 수율(Yield)을 높이는 데 유리하며, 향후 폴더블 아이폰과 같이 다양한 기기에 맞춰 칩 조합을 유연하게 변경할 수 있는 장점까지 제공합니다.

• SHP-MIM (Super High-Performance Metal-Insulator-Metal): 이는 칩의 전력 공급망(Power Delivery Network)에 고성능 커패시터(Capacitor)를 직접 추가하는 기술입니다. 쉽게 말해 ‘전력 안정 장치’와 같습니다. 칩이 최대 성능을 낼 때 순간적으로 전압이 떨어지는 ‘IR 드롭’ 현상을 방지하여, 온디바이스 AI처럼 지속적이고 안정적인 성능이 요구되는 작업에서 결정적인 역할을 합니다.

결론적으로 애플의 전략은 순간적인 최고 성능 경쟁보다는, 자사 생태계 전반에 걸쳐 안정적이고 지속적인 성능을 구현하는 데 초점이 맞춰져 있으며, 이는 곧 다가올 '애플 인텔리전스'와 같은 온디바이스 AI 시대를 위한 포석입니다.

 

3. 퀄컴의 반격: ‘내장 방열판’으로 열을 정복하려는 기술, HPB

퀄컴은 스냅드래곤 8 Gen 6에서 5GHz 이상의 극단적인 클럭 속도를 목표로 한다는 루머가 있습니다. 이처럼 압도적인 최고 속도를 달성하는 데 가장 큰 걸림돌인 '발열' 문제를 정면으로 돌파하기 위해, 삼성 엑시노스 2600에 도입된 HPB(Heat Path Block) 기술을 채택할 것으로 예상됩니다.

• HPB란? 간단히 말해, 칩 패키지 내부에 구리로 만든 작은 블록, 즉 **‘초소형 방열판’**을 직접 집어넣는 기술입니다.

• 목표는? 극도로 높은 클럭 속도를 달성할 때 발생하는 막대한 열을 신속하게 외부로 방출하는 것입니다.

• 효과는? 이 접근법의 효과는 매우 직관적이고 강력합니다. 열전도율이 높은 구리를 사용해 패키지 내부의 열 저항을 구조적으로 낮추기 때문입니다.

애플이 전력 안정성에 집중하는 것과 달리, 퀄컴의 접근법은 최대치의 피크 성능을 달성하는 과정에서 발생하는 가장 큰 난관인 ‘발열’을 해결하기 위한 직접적이고 공격적인 해법이라 할 수 있습니다.

 

 

4. 가장 놀라운 반전: 칩 제조사와 패키징 회사는 달라도 된다?

여기서 한 가지 흥미로운 사실이 있습니다. 퀄컴이 삼성의 HPB 패키징 기술을 사용한다고 해서, 칩 생산까지 삼성 파운드리에 맡긴다는 의미는 아니라는 점입니다. 업계의 상식을 뒤엎는 이 현실이 바로 첨단 패키징 시대의 복잡성을 보여줍니다.

핵심은 칩의 논리 회로를 만드는 파운드리 공정과 완성된 칩을 포장하는 패키징 공정이 분리될 수 있다는 점입니다. 퀄컴은 이론적으로 스냅드래곤의 핵심 로직 다이(Die)는 TSMC의 2나노 공정으로 제조하고, 이후 패키징 공정만 삼성의 HPB 기술을 이용하는 것이 가능합니다.

"패키징 기술과 파운드리 공정은 사실 별개로 봐야 됩니다."

하지만 여기에 또 다른 변수가 존재합니다. 삼성은 이미 자사의 엑시노스 2600을 통해 2나노 로직 다이 제작부터 D램 적층, HPB 패키징까지 전 과정을 성공적으로 수행할 경험을 쌓게 됩니다. 이 경험을 바탕으로 퀄컴에게 매력적인 '풀코스 번들 딜'을 제안할 수도 있습니다. 이는 기업들이 각 분야에서 최고의 기술을 가진 공급업체를 조합하는, 즉 협력과 경쟁이 뒤섞인 복잡한 관계망이 형성되고 있음을 의미합니다.

 

 

결론: 안정성 vs. 최고 속도, 차세대 스마트폰의 승자는 누가 될까?

결국 우리는 두 개의 상이한 미래를 목격하고 있습니다. 애플은 AI 시대를 대비해 시스템 전체의 전력 안정성과 지속 성능에 집중하고 있고, 퀄컴은 공격적인 열 관리 기술로 클럭 속도의 한계를 돌파하며 압도적인 피크 성능을 추구하고 있습니다.

온디바이스 AI와 고사양 모바일 경험이 일상이 될 새로운 시대에, 과연 어떤 철학이 궁극적인 성공을 거둘까요? 안정적인 효율일까요, 아니면 순수한 파워일까요? 그 해답이 앞으로 몇 년간 당신의 손에 들려 있을 스마트폰의 모습을 결정하게 될 것입니다.