SiP vs SoC vs Chiplet 비교 심화: 반도체 집적 방식의 진화

반도체 집적 기술은 오랜 기간 SoC(System on Chip)를 중심으로 발전해 왔습니다. 하나의 실리콘 다이에 모든 기능을 통합하는 SoC는 성능과 전력 효율 측면에서 매우 이상적인 구조로 여겨졌습니다. 그러나 공정 미세화가 물리적·경제적 한계에 도달하면서, 단일 칩 집적 방식의 한계가 점차 분명해지고 있습니다. 이러한 배경 속에서 SiP(System in Package)와 Chiplet 아키텍처가 새로운 대안으로 부상하고 있습니다.

 

 

SoC(System on Chip)의 구조와 한계

SoC는 CPU, GPU, 메모리 컨트롤러, 인터페이스, 전력 관리 로직 등을 하나의 실리콘 다이에 통합한 구조입니다. 내부 인터커넥션이 매우 짧기 때문에 지연이 적고, 전력 효율과 성능 면에서 뛰어난 장점을 가집니다. 스마트폰 AP나 임베디드 프로세서가 대표적인 SoC 응용 사례입니다.

그러나 SoC는 설계 복잡도가 매우 높고, 다이 면적이 커질수록 수율(Yield)이 급격히 저하되는 문제가 있습니다. 또한 모든 블록이 동일한 공정 노드에 묶이기 때문에, 아날로그·전력·고속 로직을 각각 최적의 공정으로 구현하기 어렵다는 구조적 제약을 안고 있습니다. 이로 인해 개발 비용과 리스크가 크게 증가하는 한계가 드러나고 있습니다.

 

 

 

SiP(System in Package): 집적의 현실적 대안

SiP는 여러 개의 반도체 다이와 수동 소자를 하나의 패키지 안에 집적하는 방식입니다. SoC와 달리, 각 기능 블록을 별도의 칩으로 구현한 뒤 패키지 수준에서 시스템을 구성합니다. 이 접근 방식은 설계 유연성과 개발 속도 측면에서 큰 장점을 제공합니다.

SiP에서는 로직 칩, 메모리, 전원 관리 IC, RF 회로 등을 각각 최적의 공정으로 제작할 수 있습니다. 이를 통해 공정 비용을 절감하면서도 전체 시스템 성능을 균형 있게 설계할 수 있습니다. 특히 모바일, 웨어러블, IoT 기기와 같이 소형화와 빠른 제품 출시가 중요한 시장에서 SiP는 매우 실용적인 선택지로 자리 잡았습니다.

다만 SiP는 다이 간 인터커넥션이 패키지 배선 수준에 머무르기 때문에, SoC 대비 대역폭과 지연 성능에서는 불리할 수 있습니다. 고속 연산이 핵심인 응용에서는 이 한계가 분명하게 드러납니다.

 

 

Chiplet 아키텍처: 집적 방식의 패러다임 전환

Chiplet은 SoC의 기능 블록을 물리적으로 분리한 뒤, 초고속 인터커넥션을 통해 하나의 시스템처럼 동작하도록 구성하는 아키텍처입니다. 각 Chiplet은 CPU, GPU, I/O, 메모리 인터페이스 등 특정 기능에 특화되어 있으며, 인터포저(Interposer)나 고밀도 패키지 배선을 통해 연결됩니다.

Chiplet의 핵심 가치는 확장성과 수율 개선에 있습니다. 작은 다이 여러 개를 조합하는 방식은 대형 SoC 대비 제조 수율을 크게 향상시키며, 필요에 따라 기능 조합을 변경할 수 있는 유연성을 제공합니다. 또한 고성능 로직과 I/O, 메모리를 서로 다른 공정에서 제작할 수 있어 비용과 성능을 동시에 최적화할 수 있습니다.

이러한 이유로 Chiplet 아키텍처는 고성능 CPU, AI 가속기, 데이터센터용 프로세서에서 빠르게 확산되고 있습니다. 단, 패키지 설계 난이도와 인터커넥션 표준의 복잡성은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있습니다.

 

 

SiP vs SoC vs Chiplet: 핵심 비교 관점

세 가지 집적 방식은 각각 명확한 장단점을 가지고 있습니다. SoC는 최고의 집적도와 전력 효율을 제공하지만 개발 비용과 리스크가 높습니다. SiP는 설계 유연성과 빠른 양산에 강점이 있지만, 성능 확장에는 한계가 있습니다. Chiplet은 고성능과 확장성을 동시에 추구할 수 있는 구조이지만, 패키징 기술과 생태계 성숙도가 요구됩니다.

 

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SiP, SoC, Chiplet은 서로 경쟁 관계라기보다, 응용과 시장 요구에 따라 선택되는 서로 다른 해법입니다. 단일 칩 집적이 어려워진 현재의 반도체 환경에서, Chiplet과 SiP는 SoC의 한계를 보완하는 현실적인 대안으로 자리 잡고 있습니다. 향후 반도체 설계는 공정 기술뿐 아니라 패키징 아키텍처 선택이 성능과 경쟁력을 좌우하는 중요한 요소가 될 것 같습니다.