인텔, 19마이크로미터 초박형 GaN'으로 AI 전력 병목 뚫는다…삼성·TSMC에 패키징에 도전

에너지 효율이 반도체 패권 가른다인공지능(AI) 데이터센터의 고질적인 문제인 '전력 과부하'를 해결할 게임 체인저가 등장했다. 인텔은 두께가 19마이크로미터(㎛)에 불과한 세계 최박형 질화갈륨(GaN) 전력 칩렛(Chiplet) 기술을 공개하며 차세대 반도체 시장의 주도권 확보에 나섰다.

미국 IT 전문 매체 핫하드웨어(HotHardware)는 지난 10일(현지시간) 인텔이 질화갈륨-온-실리콘(GaN-on-Silicon) 전력 소자를 초미세 프로파일로 통합하는 데 성공했다고 보도했다. 이번 기술은 지난해 12월 국제전자소자학회(IEDM)에서 개념이 제시된 이후 구체적인 성과로 드러난 것으로, 기존 실리콘 기반 전력 체계의 효율 한계를 극복할 핵심 열쇠로 꼽힌다.


현재 반도체 업계는 프로세서의 성능이 높아질수록 전력 공급 장치와 냉각 시스템이 거대해지는 구조적 모순에 직면해 있다. 인텔은 이를 해결하기 위해 기존 실리콘보다 고전압에 강하고 스위칭 속도가 빠른 '꿈의 소재' GaN에 주목했다.

이 기술은 300㎜ 실리콘 웨이퍼 위에 GaN을 형성한 뒤, 실리콘 기판을 19㎛까지 박막화한 GaN‑on‑Silicon 전력 소자를 시연한 것으로 소개되며, 인텔은 해당 GaN 소자와 실리콘 CMOS 회로를 단일 칩에 집적해 인버터·논리 게이트·플립플롭 등 기본 회로까지 구현했다고 발표했다.
이종 물질을 결합해 각 소재의 장점을 극대화한 것이다. 19㎛ 두께는 차세대 3D 패키징에서 칩 사이에 전력 소자를 샌드위치처럼 끼워 넣을 수 있게 한다. 이는 전력 조절 장치를 연산 코어와 수 밀리미터(mm) 거리 내에 배치하는 '부하 지점(Point-of-load)' 전달이 가능할 수 있어, 송전 과정에서 열로 사라지는 전력을 최소화한다.


전 세계 AI 데이터센터는 막대한 전력을 소비하지만, 전력 변환 과정의 비효율성 탓에 실제 트랜지스터에 도달하지 못하고 버려지는 에너지가 상당하다. 인텔의 초박형 GaN 솔루션은 이 손실된 에너지를 회수하는 데 최적화되어 있다.

반도체 업계 관계자는 "GaN은 실리콘 대비 높은 주파수에서 작동하기 때문에 인덕터나 커패시터 같은 수동 부품의 크기도 줄일 수 있다"며 "이는 결과적으로 전원공급장치(PSU) 전체의 소형화와 저발열로 이어진다"고 분석했다. 급격한 전력 부하 변동이 잦은 AI 연산 환경에서 대응 속도가 빠르다는 점도 큰 강점이다.


이번 발표는 인텔이 단순한 칩 설계사를 넘어 '시스템 파운드리'로서의 입지를 굳히려는 전략의 일환이다. 인텔은 2024년 시스템 파운드리 출범 이후 GaN뿐만 아니라 광학 상호 연결(Optical Interconnect), 첨단 냉각 기술 등을 하나의 패키지 안에 통합하는 '시스템 단위 혁신'에 집중하고 있다. 다만 상용화 단계에서의 수율 확보와 비용 절감은 여전한 과제다.
이종 물질인 GaN과 실리콘을 한 웨이퍼에 구현하는 공정은 난도가 매우 높고, TSMC와 삼성전자 역시 첨단 패키징(CoWos, I-Cube 등) 기술을 고도화하고 있어, 인텔이 실제 양산에서 어느 정도의 가격 경쟁력을 확보할지가 관건이다.


AI 산업의 지속 가능성을 가늠하려는 투자자라면 이제 미세 공정 경쟁을 넘어 '에너지 효율'이라는 새로운 전장에 주목해야 한다. 반도체 회로를 얼마나 가늘게 그리느냐보다, 막대한 전력을 어떻게 효율적으로 전달하고 열을 다스리느냐가 기업의 실질적인 수익성을 결정짓기 때문이다.

우선 데이터센터 전력 효율(PUE) 지표를 살펴야 한다. IT 장비가 쓰는 전력 외에 냉각 등에 소비되는 에너지가 줄어들수록 기업의 운영비(OPEX)는 획기적으로 개선된다. 이어 질화갈륨(GaN)의 시장 침투율도 핵심이다. 단순 가전용을 넘어 서버용 전원공급장치(PSU)와 차량용 반도체 시장까지 GaN 채택이 확산하는 속도는 곧 전력 반도체 세대교체의 가늠자가 된다. 마지막으로 인텔 등 시스템 파운드리의 첨단 패키징 수주 현황을 확인해야 한다.

엔비디아나 구글 같은 거대 고객사의 물량 확보 여부는 기술력을 증명하는 동시에 실적 호전(Turnaround)의 가장 강력한 신호탄이 될 전망이다. 미래 반도체 전쟁의 승패는 효율적인 에너지 설계 능력에 달려 있다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com