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멀티칩 모듈

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목차

1. 개요

멀티칩 모듈(MCM)은 여러 개의 반도체 칩을 하나의 패키지에 통합하여 고성능, 고밀도, 소형화된 전자 시스템을 구현하는 기술이다. MCM은 다양한 형태로 제공되며, 인쇄 회로 기판(PCB) 위에 사전 패키징된 IC를 사용하는 것부터 고밀도 상호 연결(HDI) 기판에 여러 칩 다이를 통합하는 맞춤형 칩 패키지까지 다양하다. MCM은 CPU, GPU, 메모리, 저장 장치 등 다양한 전자 부품에 적용되었으며, IBM, 인텔, AMD, 애플 등 주요 기술 기업에서 널리 사용되었다.

2. 역사

2. 1. 초기 발전

2. 2. 현대적 발전

3. MCM의 종류 및 구성

멀티칩 모듈(MCM)은 설계자의 복잡성과 개발 철학에 따라 다양한 형태로 제공된다. 이는 기존 칩 패키지의 패키지 풋프린트를 모방하기 위한 소형 인쇄 회로 기판(PCB)에 사전 패키징된 IC를 사용하는 것부터 고밀도 상호 연결(HDI) 기판에 여러 칩 다이를 통합하는 완전히 맞춤형 칩 패키지까지 다양하다. 최종 조립된 MCM 기판은 다음과 같은 방법 중 하나로 수행될 수 있다.


  • 기판은 AMD의 Zen 2 프로세서에 사용되는 것과 같은 다층 라미네이트 인쇄 회로 기판(PCB)이다.
  • 기판은 저온 동시 소성 세라믹과 같은 세라믹으로 제작된다.
  • IC는 박막 기술을 사용하여 기본 기판에 증착된다.


MCM 패키지를 구성하는 IC는 다음과 같다.

  • CPU와 같이 컴퓨터 구성 요소의 대부분, 아니 전부의 기능을 수행할 수 있는 IC이다. 이에 대한 예로는 IBM의 POWER5 및 인텔의 Core 2 Quad 구현이 있다. 동일한 IC의 여러 복사본을 사용하여 최종 제품을 제작한다. POWER5의 경우 여러 POWER5 프로세서와 관련 오프 다이 L3 캐시를 사용하여 최종 패키지를 제작한다. Core 2 Quad의 경우, 두 개의 Core 2 Duo 다이가 함께 패키징되었다.
  • 컴퓨터 구성 요소의 일부 기능, 즉 "지적 재산 블록"("IP 블록")만 수행하는 IC이다. 이것은 칩렛으로 알려져 있다.[4][5] 이에 대한 예로는 AMD의 Zen 2 기반 프로세서의 프로세싱 IC 및 I/O IC가 있다.


인터포저가 IC를 연결한다. 이는 종종 유기적(탄소를 포함하는 라미네이트 회로 기판, 따라서 "유기적")이거나 실리콘으로 만들어진다(고대역폭 메모리의 경우).[6] 각각은 장점과 한계를 가지고 있다. 여러 개의 모놀리식 IC를 별도의 패키지로 연결하는 대신 인터포저를 사용하여 여러 IC를 연결하면 IC 간 신호 전송에 필요한 전력이 줄어들고, 전송 채널 수가 증가하며, 저항 및 커패시턴스(RC 지연)로 인한 지연이 줄어든다.[7] 그러나 칩렛 간 통신은 모놀리식 IC 내의 구성 요소보다 더 많은 전력을 소비하고 대기 시간이 더 길다.[8]

3. 1. 기판 유형

3. 2. IC 구성

3. 3. 인터포저

3. 4. 칩 스택 MCM

3차원 집적 회로의 무선 NoC


MCM 기술의 비교적 새로운 발전은 소위 "칩 스택" 패키지이다.[9] 특정 IC, 특히 메모리는 시스템 내에서 여러 번 사용될 때 매우 유사하거나 동일한 핀아웃을 갖는다. 신중하게 설계된 기판을 사용하면 이러한 다이를 수직으로 쌓을 수 있어 결과적인 MCM의 풋프린트가 훨씬 작아진다(더 두껍거나 더 높은 칩이라는 단점은 있음). 소형 전자 제품 설계에서 면적이 더 자주 중요하기 때문에 칩 스택은 휴대폰 및 개인 정보 단말기(PDA)와 같은 많은 응용 분야에서 매력적인 옵션이다. 3차원 집적 회로와 칩 얇게 만들기 공정을 사용하면 최대 10개의 다이를 쌓아 고용량 SD 메모리 카드를 만들 수 있다.[10] 이 기술은 또한 고대역폭 메모리에도 사용될 수 있다.

칩 스택에서 데이터 전송 성능을 향상시키는 가능한 방법은 무선 칩 네트워크(WiNoC)를 사용하는 것이다.[11]

4. 주요 MCM 기술 적용 사례

IBM은 1970년대에 버블 메모리 MCM을, 1980년대에는 IBM 3081 메인프레임에 열 전도 모듈을 사용했다. 1990년대에는 초전도 멀티칩 모듈이 사용되었다.

인텔은 펜티엄 프로,[22] 펜티엄 II 오버드라이브, 펜티엄 D Presler,[22] 제온 Dempsey, Clovertown, Harpertown 및 Tigerton, 코어 2 쿼드 (Kentsfield, Penryn-QC 및 Yorkfield), 클라크데일, 아란데일, 카비 레이크-G, 크리스탈웰이 탑재된 모델 (GT3e 또는 GT4e 그래픽 포함), 브로드웰 마이크로아키텍처, 메테오 레이크 마이크로프로세서, 루나 레이크 등 다양한 프로세서에 MCM 기술을 적용했다.

AMD는 젠 또는 젠+ 아키텍처 기반의 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU에 두 개 또는 네 개의 칩으로 구성된 MCM을 사용했다. 젠 2 또는 젠 3 아키텍처 기반의 AMD APU가 아닌 라이젠, 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU는 CPU 코어가 포함된 하나, 둘, 넷 또는 여덟 개의 칩과 하나의 더 큰 I/O 칩으로 구성된 MCM이다.

CDNA 2 아키텍처 기반의 AMD 인스팅트 MI 시리즈 GPU는 하나 또는 두 개의 그래픽 컴퓨트 다이(GCD) 칩으로 구성된 MCM이며, RDNA 3 아키텍처 기반의 AMD 라데온 RX 7000 시리즈 GPU는 하나의 GCD와 최대 6개의 메모리 캐시 다이(MCD) 칩으로 구성된 MCM이다.

인텔 Xe 폰테 베키오 GPU와 CPU 및 메모리가 탑재된 애플 M 시리즈, Apple M1 Ultra, M2 Ultra도 MCM 기술을 사용한다.

IBM의 POWER2, POWER4, POWER5, POWER7, POWER8, Power10 및 IBM z196도 MCM을 탑재하고 있다.

닌텐도의 Wii U 에스프레소 (마이크로프로세서)는 CPU, GPU, 온보드 VRAM(GPU에 통합)을 하나의 MCM에 탑재하고 있으며, VIA 나노 쿼드코어, 마이크론 테크놀로지의 PoP에 결합된 플래시 및 RAM 메모리, 모바일 DRAM 및 낸드 스토리지를 결합한 삼성 MCP 솔루션도 MCM의 예시이다.

SD 카드, microSD 카드 및 소니 메모리 스틱, 단일 패키지 솔루션의 eMMC, eUFS, 및 NVMe, Xenos, ATI 테크놀로지스가 Xbox 360용으로 설계한 GPU (eDRAM 탑재)도 MCM 기술을 활용한다.

4. 1. 프로세서

IBM은 1970년대에 버블 메모리 MCM을, 1980년대에는 IBM 3081 메인프레임에 열 전도 모듈을 사용했다. 1990년대에는 초전도 멀티칩 모듈이 사용되었다.

인텔은 펜티엄 프로,[22] 펜티엄 II 오버드라이브, 펜티엄 D Presler,[22] 제온 Dempsey, Clovertown, Harpertown 및 Tigerton, 코어 2 쿼드 (Kentsfield, Penryn-QC 및 Yorkfield), 클라크데일, 아란데일, 카비 레이크-G, 크리스탈웰이 탑재된 모델 (GT3e 또는 GT4e 그래픽 포함), 브로드웰 마이크로아키텍처, 메테오 레이크 마이크로프로세서, 루나 레이크 등 다양한 프로세서에 MCM 기술을 적용했다.[22]

AMD는 젠 또는 젠+ 아키텍처 기반의 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU에 두 개 또는 네 개의 칩으로 구성된 MCM을 사용했다. 젠 2 또는 젠 3 아키텍처 기반의 AMD APU가 아닌 라이젠, 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU는 CPU 코어가 포함된 하나, 둘, 넷 또는 여덟 개의 칩과 하나의 더 큰 I/O 칩으로 구성된 MCM이다.

CDNA 2 아키텍처 기반의 AMD 인스팅트 MI 시리즈 GPU는 하나 또는 두 개의 그래픽 컴퓨트 다이(GCD) 칩으로 구성된 MCM이며, RDNA 3 아키텍처 기반의 AMD 라데온 RX 7000 시리즈 GPU는 하나의 GCD와 최대 6개의 메모리 캐시 다이(MCD) 칩으로 구성된 MCM이다.

인텔 Xe 폰테 베키오 GPU와 CPU 및 메모리가 탑재된 애플 M 시리즈, Apple M1 Ultra, M2 Ultra도 MCM 기술을 사용한다.

IBM의 POWER2, POWER4, POWER5, POWER7, POWER8, Power10 및 IBM z196도 MCM을 탑재하고 있다.

닌텐도의 Wii U 에스프레소 (마이크로프로세서)는 CPU, GPU, 온보드 VRAM(GPU에 통합)을 하나의 MCM에 탑재하고 있으며, VIA 나노 쿼드코어, 마이크론 테크놀로지의 PoP에 결합된 플래시 및 RAM 메모리, 모바일 DRAM 및 낸드 스토리지를 결합한 삼성 MCP 솔루션도 MCM의 예시이다.

SD 카드, microSD 카드 및 소니 메모리 스틱, 단일 패키지 솔루션의 eMMC, eUFS, 및 NVMe, Xenos, ATI 테크놀로지스가 Xbox 360용으로 설계한 GPU (eDRAM 탑재)도 MCM 기술을 활용한다.

4. 2. 메모리 및 저장 장치

IBM 버블 메모리 MCM (1970년대)과 IBM 3081 메인프레임의 열 전도 모듈 (1980년대)을 시작으로, 초전도 멀티칩 모듈 (1990년대) 등이 개발되었다.

인텔의 펜티엄 프로, 펜티엄 D Presler,[22] 제온 Dempsey, Clovertown, 코어 2 쿼드 (Kentsfield, Yorkfield), 브로드웰 마이크로아키텍처, 메테오 레이크 마이크로프로세서, 클라크데일, 아란데일, 카비 레이크-G, 및 크리스탈웰이 탑재된 모델 (GT3e 또는 GT4e 그래픽 포함)등 다양한 프로세서에 사용되었다.

SD 카드, microSD 카드 및 소니 메모리 스틱, 단일 패키지 솔루션의 eMMC, eUFS, 및 NVMe에 적용되었다.

ATI 테크놀로지스가 Xbox 360용으로 설계한 Xenos GPU는 eDRAM을 탑재했다. IBM의 POWER2, POWER4, POWER5, POWER7, POWER8, 및 Power10와 IBM z196에도 사용되었다.

닌텐도의 Wii U 에스프레소 (마이크로프로세서)는 CPU, GPU, 온보드 VRAM(GPU에 통합)을 하나의 MCM에 탑재하고 있다. VIA 나노 쿼드코어, 마이크론 테크놀로지의 PoP에 결합된 플래시 및 RAM 메모리, 모바일 DRAM 및 낸드 스토리지를 결합한 삼성 MCP 솔루션 등이 있다.

젠 또는 젠+ 아키텍처 기반의 AMD 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU는 두 개 또는 네 개의 칩으로 구성된 MCM이며, 젠 2 또는 젠 3 아키텍처 기반의 AMD APU가 아닌 라이젠, 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU는 CPU 코어가 포함된 하나, 둘, 넷 또는 여덟 개의 칩과 하나의 더 큰 I/O 칩으로 구성된 MCM이다.

CDNA 2 아키텍처 기반의 AMD 인스팅트 MI 시리즈 GPU는 하나 또는 두 개의 그래픽 컴퓨트 다이(GCD) 칩으로 구성된 MCM이며, RDNA 3 아키텍처 기반의 AMD 라데온 RX 7000 시리즈 GPU는 하나의 GCD와 최대 6개의 메모리 캐시 다이(MCD) 칩으로 구성된 MCM이다.

인텔 Xe 폰테 베키오 GPU, 인텔 메테오 레이크 CPU, 고대역폭 메모리를 탑재한 기타 모든 프로세서, CPU 및 메모리가 탑재된 애플 M 시리즈, CPU 및 메모리가 탑재된 인텔 루나 레이크, Apple M1 Ultra, M2 Ultra등이 있다.

4. 3. 기타

IBM 버블 메모리 MCM (1970년대)과 IBM 3081 메인프레임의 열 전도 모듈 (1980년대), 초전도 멀티칩 모듈 (1990년대) 등이 초기의 멀티칩 모듈(MCM) 기술을 활용한 사례이다.

인텔은 펜티엄 프로, 펜티엄 II 오버드라이브, 펜티엄 D Presler[22], 제온 Dempsey, Clovertown, Harpertown 및 Tigerton, 코어 2 쿼드 (Kentsfield, Penryn-QC 및 Yorkfield), 클라크데일, 아란데일, 카비 레이크-G, 크리스탈웰이 탑재된 모델 (GT3e 또는 GT4e 그래픽 포함) 등 다양한 프로세서에 MCM 기술을 적용했다.

SD 카드, microSD 카드 및 소니 메모리 스틱, 단일 패키지 솔루션의 eMMC, eUFS, NVMe 등도 MCM 기술을 활용한다.

ATI 테크놀로지스가 Xbox 360용으로 설계한 GPU인 Xenos는 eDRAM을 탑재한 MCM이다.

IBM의 POWER2, POWER4, POWER5, POWER7, POWER8, Power10, IBM z196, 닌텐도의 Wii U 에스프레소 (마이크로프로세서) (CPU, GPU, 온보드 VRAM을 하나의 MCM에 탑재), VIA 나노 쿼드코어, 마이크론 테크놀로지의 PoP에 결합된 플래시 및 RAM 메모리, 모바일 DRAM 및 낸드 스토리지를 결합한 삼성 MCP 솔루션 등도 MCM을 활용한 예시이다.

AMD는 젠 또는 젠+ 아키텍처 기반의 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU는 두 개 또는 네 개의 칩으로 구성된 MCM이며, 젠 2 또는 젠 3 아키텍처 기반의 AMD APU가 아닌 라이젠, 라이젠 스레드리퍼 및 에픽 CPU는 CPU 코어가 포함된 하나, 둘, 넷 또는 여덟 개의 칩과 하나의 더 큰 I/O 칩으로 구성된 MCM이다. CDNA 2 아키텍처 기반의 AMD 인스팅트 MI 시리즈 GPU는 하나 또는 두 개의 그래픽 컴퓨트 다이(GCD) 칩으로 구성된 MCM이며, RDNA 3 아키텍처 기반의 AMD 라데온 RX 7000 시리즈 GPU는 하나의 GCD와 최대 6개의 메모리 캐시 다이(MCD) 칩으로 구성된 MCM이다.

인텔 Xe 폰테 베키오 GPU, 인텔 메테오 레이크 CPU, 고대역폭 메모리를 탑재한 기타 모든 프로세서, CPU 및 메모리가 탑재된 애플 M 시리즈, CPU 및 메모리가 탑재된 인텔 루나 레이크, IBM 자기 버블 메모리 MCM(1970년대), 소니 메모리 스틱, Apple M1 Ultra, M2 Ultra 등도 MCM 기술이 적용되었다.

5. 한국의 MCM 기술

6. 3D 멀티칩 모듈

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3차원 집적 회로와 패키지 온 패키지 문서를 참고하십시오.


참조

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[2] 뉴스 Chiplets: A Short History https://www.eetimes.[...] EE Times 2021-04-26
[3] 웹사이트 IMAPS Advancing Microelectronics 2020 Issue 3 (Advanced SiP) https://online.flipp[...] 2023-12-05
[4] 뉴스 Intel's View of the Chiplet Revolution https://spectrum.iee[...] IEEE Spectrum 2021-04-26
[5] 뉴스 Chiplets https://semiengineer[...] Semi Engineering 2021-04-26
[6] 웹사이트 2.5D - Semiconductor Engineering https://semiengineer[...] Semiengineering.com 2022-05-13
[7] 웹사이트 Interposers https://semiengineer[...]
[8] 뉴스 Intel Moving to Chiplets: 'Client 2.0' for 7nm https://www.anandtec[...] AnandTech
[9] 웹사이트 Intel migrates to desktop Multi-Chip Modules (MCMs) with 14nm Broadwell http://www.fudzilla.[...] 2012-04-15
[10] 뉴스 Memory vendors pile on '3D' stacking standard https://www.theregis[...] The Register 2013-04-02
[11] 간행물 Pyramidal design of nanoantennas array https://slyusar.kiev[...] 2011-09-20
[12] 서적 Proceedings 1992 IEEE Multi-Chip Module Conference MCMC-92
[13] 학술 논문 Multichip module using multilayer YBa2Cu3O7−δinterconnects
[14] 뉴스 Changes in Television http://iwataasks.nin[...] Iwata Asks 2015-08-04
[15] 웹사이트 VIA's QuadCore: Nano Gets Bigger https://www.anandtec[...] 2020-04-10
[16] 웹사이트 MCP (Multichip Package) | Samsung Semiconductor http://www.samsung.c[...]
[17] 웹사이트 NAND based MCP | Samsung Memory Link https://memorylink.s[...]
[18] 웹사이트 e-MMC based MCP | Samsung Memory Link https://memorylink.s[...]
[19] 웹사이트 The AMD Ryzen Threadripper 1950X and 1920X Review: CPUs on Steroids https://www.anandtec[...] 2020-04-10
[20] 웹사이트 AMD Ryzen Threadripper 3960X, 3970X Meet Scalpel For Zen 2 Delidding Operation https://hothardware.[...] 2019-12-17
[21] 웹사이트 AMD Zen 2 Microarchitecture Analysis: Ryzen 3000 and EPYC Rome https://www.anandtec[...] 2020-04-10
[22] 뉴스 Intel's upcoming chips revealed in pix http://www.theinquir[...]
[23] 뉴스 SoC vs. MCM vs SiP vs. SoP http://electroiq.com[...] Solid State Technology 2015-08-04
[24] 뉴스 Chiplets: A Short History https://www.eetimes.[...] EE Times 2021-04-26
[25] 웹인용 IMAPS Advancing Microelectronics 2020 Issue 3 (Advanced SiP) https://online.flipp[...] 2023-12-05


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