인텔, 19㎛ 초박형 GaN 칩렛 세계 최초 공개…AI 서버 전력효율 30% 개선 전망

인텔이 반도체 업계 최초로 실리콘 기판 두께 19마이크로미터(㎛)에 불과한 초박형 질화갈륨(GaN) 칩렛 기술을 선보였다. 칩렛은 하나의 대형 반도체를 여러 개 작은 칩으로 나눠 제작한 뒤 패키지 안에서 연결해 하나의 시스템처럼 작동하게 하는 기술이다.

36kr이 4일(현지시각) 보도한 내용에 따르면, 인텔은 지난해 말 열린 국제전자소자학회(IEDM) 2025에서 300밀리미터(㎜) 실리콘 기반 GaN 칩렛을 최초로 실증했다. 이 기술은 고성능 전력 반도체와 고주파 응용을 단일 칩에 구현해 차세대 인공지능(AI) 시스템과 데이터센터 전원 공급 장치의 효율을 크게 높일 것으로 전망된다.


인텔이 공개한 GaN 칩렛의 핵심은 극단적으로 얇은 기판 구조다. 완전히 가공된 300㎜ 실리콘 기반 GaN 웨이퍼를 박막화해 실리콘 기판 두께를 19㎛까지 줄였다. 이는 업계에서 가장 얇은 수준으로, 기존 대비 절반 이하 두께다.

이처럼 얇은 기판은 실용성이 크다. 칩렛을 다른 칩과 수직으로 쌓는 3차원(3D) 패키징 구조에서 실리콘 웨이퍼를 수직으로 관통하는 미세 구멍을 뚫고 그 안을 금속(주로 구리)으로 채워 전기 연결을 만드는 기술인 실리콘 관통 전극(TSV)의 종횡비(깊이와 직경 비율)를 낮춰 저항 손실을 줄이고 방열 성능을 개선할 수 있다.
인텔 측은 "3D 패키징 구조에서 칩렛이 차지할 수 있는 공간이 매우 제한적"이라며 "GaN 트랜지스터가 고밀도·고성능을 구현하려면 10암페어(A)/제곱밀리미터(㎟) 이상 전류밀도를 제공해야 한다"고 설명했다.

실제 시연된 GaN 금속산화물반도체 고전자이동도 트랜지스터(MOSHEMT)는 성능이 뛰어났다. 트랜지스터 핵심 부품인 게이트 길이를 30나노미터(㎚)로 줄인 상태에서도 전기가 흐를 때 저항(온-저항)이 낮았고, 전기가 새어나가는 현상(누설 전류)을 3피코암페어(pA)/㎛ 이하로 억제했다. 게이트와 드레인 사이 간격이 1000㎚인 소자는 78볼트(V)까지 견디면서도 전압-전류 특성 변화가 2% 미만에 그쳤다. 이는 고전압 환경에서도 안정적으로 작동함을 뜻한다.



이번 기술의 또 다른 혁신은 GaN 소자와 실리콘 CMOS 회로를 하나의 칩에 통합한 데 있다. 인텔은 GaN N형 MOSHEMT와 실리콘 P형 금속산화물반도체(PMOS)를 단일 공정으로 집적해 컴퓨터 칩에서 쓰이는 기본 회로인 인버터, 논리 게이트, 멀티플렉서, 플립플롭, 링 오실레이터 등을 모두 구현했다. 이들은 디지털 회로를 만드는 기본 부품으로, 이를 모두 갖춘다는 것은 완전한 컴퓨터 칩을 만들 수 있다는 의미다.

300㎜ GaN 웨이퍼에서 측정한 링 오실레이터는 7213개 인버터를 연결하고 214분 주기로 구성했으며, 인버터 하나당 신호 지연시간은 33피코초(ps)±2ps(표준편차 1σ)를 기록했다. 이는 신호가 매우 빠르게 전달된다는 뜻이다. 300㎜ GaN-실리콘 PMOS 단일 공정으로 완전히 작동하는 디지털 회로 라이브러리를 만든 것은 업계 최초다.
칩렛 내부에 CMOS 제어기, 저누설 드라이버, 바이어스 회로, 원격측정 회로 등을 집적하면 3D 패키징 구조에서 별도 CMOS 칩 없이 최적 효율과 빠른 스위칭을 달성할 수 있다. 인텔은 "복합 구조 내에서 소수 CMOS 소자에 접근하려고 칩 간 배선을 하는 것은 비효율적"이라며 "GaN 칩렛 기술에서는 핵심 CMOS 요소를 동일 칩에 집적하는 것이 필수"라고 강조했다.


성능 측면에서도 주목할 만한 결과가 나왔다. 게이트 길이 30㎚ GaN MOSHEMT는 전력 성능을 나타내는 지수(FoM)에서 약 1밀리옴-나노쿨롱(mΩ-nC)을 달성했다. 이 수치는 전력 손실이 적고 효율이 높다는 의미로, 게이트-드레인 간격을 200~250㎚로 설계했을 때 가장 우수했다.

고주파 성능도 뛰어났다. 게이트 길이 30㎚ 소자는 전류이득차단주파수(fT) 212기가헤르츠(GHz), 최대발진주파수(fMAX) 304GHz를 기록했다. 이는 매우 빠른 신호 처리가 가능하다는 뜻이다. 게이트 길이를 130㎚까지 늘려도 fMAX는 200GHz 이상을 유지했다. 인텔은 이러한 고주파 특성이 5세대(5G)·6세대(6G) 통신과 포토닉스(광전자) 응용에서도 활용 가능하다고 밝혔다.

신뢰성 검증도 완료했다. 장시간 사용 시 절연체가 파괴되는지 확인하는 시험(TDDB), 높은 온도와 전압에서 성능이 떨어지는지 보는 시험(pBTI), 고온에서 역방향 전압을 가했을 때 견디는지 확인하는 시험(HTRB), 뜨거운 전자가 소자를 손상시키는지 보는 시험(HCI) 등에서 모두 양호한 결과를 얻었다. 300㎜ GaN MOSHEMT 기술이 실제 제품에 요구되는 신뢰성 기준을 충족한다는 의미다.


업계에서는 이번 기술이 AI 시스템과 데이터센터 전력 공급 효율을 획기적으로 개선할 것으로 전망한다. 그래픽처리장치(GPU)와 서버 플랫폼이 더 높은 전력을 요구하는 가운데, GaN 칩렛을 활용한 고밀도 전원 솔루션은 기판 전압조정기(MBVR)에서 칩렛 통합 방식으로 전환을 가속화할 것으로 분석된다.

시장조사업체 욜 디벨롭먼트에 따르면 GaN 전력반도체 시장은 2024년 22억 달러(약 3조 1800억 원)에서 2030년 83억 달러(약 12조 원)로 연평균 24.8% 성장할 전망이다. 특히 AI 데이터센터 전원 관리 분야에서 GaN 채택이 가속화하면서 기존 실리콘 기반 전력반도체를 빠르게 대체하고 있다. 인텔이 선보인 칩렛 기술은 삼성전자와 TSMC가 주도하는 3D 패키징 경쟁에서 전력효율이라는 새로운 차별화 요소를 제시했다. 업계 관계자는 "AI 서버 한 대당 전력 소비가 10킬로와트(kW)를 넘어서면서 전원 효율 개선이 데이터센터 운영비 절감의 핵심 과제로 떠올랐다"며 "GaN 칩렛이 상용화되면 전원 손실을 30% 이상 줄일 수 있어 시장 파급력이 클 것"이라고 전했다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com