Chiplet 칩릿 or 칩렛 과 UCIe

Chiplet 개념을 쉽게 설명하려면 다음과 같이 접근할 수 있습니다:

"칩렛(Chiplet)은 한 개의 큰 칩을 여러 작은 조각으로 나눈 것을 말합니다. 원래 반도체 칩은 한 개의 실리콘 웨이퍼에 모든 기능을 담았지만, 칩이 복잡해질수록 이런 방식이 비효율적이고 비용이 많이 듭니다. 칩렛은 특정 기능을 독립된 작은 칩으로 만들어, 필요한 기능끼리 조합해 하나의 시스템처럼 동작하게 합니다. 이렇게 하면 개별 칩렛을 따로 개발, 제조, 조립할 수 있어서 비용과 개발 시간을 줄일 수 있습니다. 즉, 여러 작은 칩들이 모여 큰 칩처럼 동작하도록 만드는 방법입니다."

이렇게 비유할 수 있습니다:
"레고 블록처럼 각 부분이 따로 만들어져 서로 조립되는 구조를 생각하면 됩니다. 필요한 기능만 모아 조립할 수 있으니까 유연하고 효율적입니다."

이를 통해 칩 설계의 유연성과 경제적 이점을 쉽게 전달할 수 있습니다.

'칩렛(Chiplet)'이라는 단어는 '칩(chip)'과 '렛(let)'이 결합된 형태로, 영어에서 작고 분리된 조각을 나타내는 '-let' 접미사를 활용한 표현입니다.

기존의 반도체 칩 설계에서는 하나의 큰 칩에 모든 기능이 포함된 형태가 일반적이었지만, 반도체 기술이 발전하면서 칩을 더 작고 효율적으로 만들고, 필요한 기능만 조립할 수 있는 방식이 필요하게 되었습니다. 이로 인해 큰 칩을 여러 개의 작은 모듈로 나누어 각기 독립적인 기능을 가진 작은 '칩 조각'들을 조합하여 하나의 큰 칩처럼 구성하는 개념이 탄생한 것입니다.

이때 'let'을 붙여 'chip'을 작게 나누고 조립할 수 있는 작은 단위로 표현하는 것이 적절했기에 'chiplet'이라는 용어가 만들어진 것입니다.

칩렛 구조는 여러 장점이 있지만 인터커넥트 비용이 증가하는 단점도 있습니다. 여러 칩렛이 하나의 큰 칩처럼 동작하려면, 각 칩렛을 서로 연결하는 고속 인터커넥트가 필요하기 때문입니다. 이로 인해 다음과 같은 단점이 발생할 수 있습니다:

1. 인터커넥트의 복잡성과 비용 증가: 칩렛 간 데이터를 주고받기 위해 더 많은 배선과 고속 인터커넥트 기술이 필요합니다. 인터커넥트 설계는 물리적으로도 복잡하며, 고속 데이터 전송을 지원해야 해서 추가 비용이 발생합니다.
2. 전력 소모 증가: 각 칩렛 간 신호를 전달하려면 보통 더 많은 전력이 필요합니다. 단일 칩 내부의 데이터 전송보다 칩렛 간 전송은 효율이 낮을 수 있으며, 특히 고속 데이터 전송에서는 전력 소모가 더 큽니다.
3. 데이터 전송 지연: 여러 칩렛 간에 데이터를 주고받는 과정에서 지연(latency)이 발생할 수 있습니다. 단일 칩 내부에서는 신호가 매우 빠르게 이동하지만, 칩렛 사이의 인터커넥트에서는 물리적 거리가 더 멀어져 지연이 늘어날 수 있습니다.
4. 열 관리 문제: 여러 칩렛이 각각의 기능을 수행하면서 열이 발생합니다. 특히, 고속 인터커넥트가 추가된 경우 열이 더 많이 발생할 수 있어 효과적인 냉각 설계가 필요합니다.

이러한 이유로, 칩렛 구조는 고성능이나 복잡한 작업을 요구하는 애플리케이션에 적합하면서도, 인터커넥트와 관련된 비용과 기술적 어려움이 발생할 수 있는 단점이 있습니다.

UCIE 등장

UCIE(Universal Chiplet Interconnect Express)는 칩렛 간 통신을 위한 표준 인터커넥트 프로토콜로, 고성능, 전력 효율, 호환성을 목표로 설계되었습니다. 칩렛 기반의 시스템이 증가하면서 UCIE는 상호운용성과 효율적인 데이터 전송을 보장하기 위해 등장했으며, 다양한 칩렛을 쉽게 연결하고 조합할 수 있도록 돕습니다.

1. UCIE의 주요 특징

UCIE는 칩렛 구조에서 발생할 수 있는 통신 문제를 해결하기 위해 몇 가지 중요한 특징을 제공합니다:

• 범용성 및 호환성: UCIE는 다양한 제조사와 플랫폼 간 호환성을 보장하는 범용 표준입니다. 이를 통해 여러 회사에서 개발된 칩렛을 서로 호환하게 만들어 상호 운용성을 높입니다.

• 고속 데이터 전송: UCIE는 높은 대역폭을 제공하여 칩렛 간 데이터 전송이 빠르고 안정적으로 이루어지도록 합니다. 이를 통해 칩렛 구조에서도 고성능 컴퓨팅이 가능하도록 지원합니다.

• 전력 효율성: 고속 데이터 전송과 함께 전력 효율성을 갖춘 설계를 지향합니다. 이를 통해 칩렛 간 통신이 에너지 소모를 최소화하면서도 높은 성능을 유지할 수 있습니다.

• 모듈식 설계 지원: UCIE는 각기 다른 기능을 하는 칩렛을 유연하게 조합할 수 있게 하여 설계와 제조의 효율성을 높여줍니다. 이로 인해 칩렛 기반의 반도체 설계에서 비용과 개발 시간을 절감할 수 있습니다.

2. 진화된 내용 및 발전 방향

UCIE는 반도체와 시스템 설계 요구가 발전함에 따라 지속해서 진화하고 있으며, 새로운 기술적 요구사항에 맞춰 확장되고 있습니다:

• 확장 가능한 PHY 및 프로토콜 계층: UCIE는 다양한 물리 계층(PHY) 기술을 지원하며, 이를 통해 칩렛이 다양한 거리, 전력 요구, 속도에서 연결될 수 있습니다. 또한, 다양한 프로토콜을 포함하여 칩렛 간 통신의 유연성을 높입니다.

• 패키지 간 통신 및 3D 스태킹 지원: 초기에는 2D 패키지 통신에 중점을 두었으나, 점차 3D 스태킹(적층) 기술을 포함해 여러 칩을 수직으로 쌓는 3D 인터커넥트 기술을 지원하도록 진화하고 있습니다. 이를 통해 고집적 시스템이 가능해집니다.

• 고급 보안 기능: UCIE는 칩렛 간 통신을 위한 보안 기술을 강화하고 있습니다. 데이터 무결성 및 권한 관리가 중요한 데이터 전송 통로에서 안전성을 보장합니다.

3. 관리 주체와 표준화 현황

UCIE는 여러 기업과 단체의 협력으로 표준화되고 있으며, 현재는 UCIE 컨소시엄이라는 관리 기구가 주도적으로 운영하고 있습니다. 이 컨소시엄은 주요 반도체 제조사, 패키징 기술 회사, 그리고 시스템 설계 회사들이 참여하여 UCIE 표준의 확산과 기술 발전을 지원하고 있습니다.

• 컨소시엄 회원사: 인텔, AMD, 삼성전자, TSMC, 구글, 마이크로소프트, 엔비디아 등 주요 반도체 및 시스템 설계 기업들이 UCIE 표준을 지원하며 회원사로 활동하고 있습니다. 이들은 UCIE 표준의 발전과 실질적인 적용을 위해 협력하고 있습니다.

• 표준화 및 규격 정의: UCIE 컨소시엄은 칩렛 간 인터커넥트 표준을 정의하고 규격을 관리하여, 다양한 제조사가 표준을 준수하며 칩렛을 설계할 수 있게 돕습니다. 이를 통해 칩렛 기반 시스템의 상호 호환성과 효율성을 보장하고 있습니다.

UCIE의 역할 및 미래 전망

UCIE는 칩렛 기반의 반도체 설계에서 핵심적인 역할을 하며, 앞으로도 새로운 요구사항에 맞춰 지속적으로 진화할 것입니다. 반도체 집적도가 높아지고, 더 많은 기능이 칩렛으로 구성되면서 UCIE는 미래의 시스템 설계 표준으로 자리잡아, 고성능 컴퓨팅, AI, 데이터 센터와 같은 분야에서도 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.