“‘마더보드’가 하드웨어 발전 막아”

▲출처: Pexels

하드웨어의 발전을 저해하고 있는 것은 ‘마더보드(Mother Board, 주기판)’라는 지적이 나왔다. 마더보드를 대체할 차세대 기술을 개발해야 한다는 것이다.

마더보드에 포함되는 컴퓨터 부품들의 경우 중앙처리장치(CPU), 마이크로프로세서, 보조프로세서(옵션), 메모리, 바이오스, 확장슬롯, 접속회로 등이다. 이러한 여러 가지 회로는 단단한 표면 위에 눌려 찍히는데, 보통 일괄적으로 단번에 만들어진다.

미국 전기전자학회(IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers)가 운영하는 하드웨어 엔지니어링 관련 뉴스 사이트 ‘IEEE Spectrum’이 지난 24일(현지 시각)  마더보드와 같은 인쇄회로 기판이 하드웨어 발전을 저해하고 있다고 지적했다.

▲출처: UCLA

스마트폰이나 노트북 PC 등의 장치는 가능한 작은 부품이 들어가야 한다. 하지만 문제는 기판에 있다. 스마트폰 등의 핵심 부품인 시스템온칩(SoC)은 기능의 본질적인 부분이다. 이러한 칩을 20배 크기의 패키지에 일부러 넣은 인쇄회로 기판 때문이다.

인쇄회로 기판은 그 구조상 칩 사이의 거리가 멀어질수록 처리 속도가 느려진다. 또한 하나로 포장되어 버리면, 방열 효율이 떨어진다는 문제도 있다. 이 방열 문제는 그간 수십 년 동안 하드웨어에서 심각한 문제가 되고 있다.

이러한 문제를 해결해 주는 것이 실리콘 조각 배선에 칩을 직접 연결하는 ‘실리콘 인터커넥트 패브릭(Si-IF, Silicon-interconnect fabric)’이다. Si-IF는 500μm에서 1mm라는 비교적 두꺼운 실리콘 칩 프로세서 메모리다. 여기에 각종 칩을 직접한 경우, 인쇄회로 기판에 비해 각 칩 사이의 거리를 500μm에서 2μm까지 낮출 수 있다. 

또한, 칩 및 I/O 포트 사이의 거리를 500μm에서 10μm로 줄일 수 있어 공간 절약이 가능하다. 칩 사이 거리가 가까워지기 때문에 프로세서의 성능이 높아진다. 또한, 실리콘은 열전 도성이 우수한 소재이기 때문에 실리콘 기판에 방열판을 설치하면, 효율을 70% 이상 높일 수 있다.

하지만, 실리콘의 단점은 그 가격이 높다. 인쇄회로 기판의 재료인 FR-4에 비해 실리콘은 단위 면적당 10배나 비싸다. 그럼에도 IEEE는 “공간 절약으로 얻어지는 이점으로, 가격 차이를 충분히 상쇄할 수 있다”라고 주장했다.

▲출처: UCLA

현재 Si-IF 디자인 및 프로토타입은 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA)와 일리노이 대학교 어배너샴페인캠퍼스(UIUC)의 공동 연구팀은 40개의 GPU를 심은 웨이퍼 스케일 시스템을 만들었다. 이는 기존 기판에 40개의 칩을 연결한 GPU에 비해 5배 이상 연산 속도와 에너지 소비를 80%나 절감하는 데 성공했다.

Si-IF 장점은 생산 측면에도 기존 인쇄회로 기판은 SoC는 면적이 커질수록 수율이 기하급수적으로 감소하는 특징을 가지고 있어 설계가 어려워 제조비용도 높다. 하지만, Si-IF는 실리콘 기판에 칩을 직접 연결하는 것이어서 설계도 저렴할 뿐만 아니라 실리콘 기판은 이 기판은 제조하기 쉬운 몇 가지 층으로 구성되어 있어 수율 문제가 발생하지 않는다.

Si-IF를 실용화하기 위해서는 아직 몇 가지 넘어야 할 산이 있다. ▲먼저 Si-IF 제조 공정을 확립해야 한다. ▲두 번째는 실리콘의 뛰어난 열전도율을 살릴 새로운 방열판을 설계해야 한다. ▲세 번째는 완전한 시스템을 구현하려면 실리콘 웨이퍼용 섀시, 마운트, 커넥터 및 케이블을 설계해야 한다. ▲마지막으로 Si-IF는 실리콘 칩을 직접 하는 특성상 결함 발생 시 칩 교환이 어렵기 때문에 우회할 수 있는 물리적 이중화 기술을 확보할 필요가 있다.

현재 미국 방위고등연구계획국(DARPA)은 칩스(CHIPS, Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies)라는 프로젝트를 통해 문제의 해결에 착수하고 있는 것으로 알려졌다. 이 프로젝트의 목표는 마이크로 전자 산업의 혁신을 촉진하고 시스템 통합을 가속화하는 전략이다.


김들풀 기자 itnews@