2세대 16/14nm FinFET 프로세스로 향하는 A10


애플 16/14nm 프로세스의 애플 A9 모바일 SoC(System on a Chip)를 탑재한 아이폰 SE가 등장했습니다. 아이폰 SE의 A9 칩은 아이폰 6s/6s 플러스의 A9와 거의 같은 것으로 보입니다. A9는 FinFET 3D 트랜지스터로 전력 효율이 뛰어난 것이 특징인데요. 여기서 한차례 더 크게 바뀌는 건 다음 세대인 아이폰 7일 것입니다.

 

모델명이 애플 A10이 될 것으로 보이는 아이폰 7 세대의 SoC는 16/14nm FinFET 공정으로 만듭니다. 그러나 GPU 아키텍처를 비롯해 다양한 확장이 더해질 것으로 예상됩니다. 특히 주목 받는 건 패키지 기술입니다. Fan-Out 패키지 기술을 A10에 쓰면 아이폰이 더욱 얇아질 가능성이 높다는 소문이 있습니다.

 

또한 공정 기술도 같은 16/14nm 세대를 쓰지만 프로세스의 내용이 달라집니다. 현재 A9 프로세서는 16/14nm 프로세스 세대의 초기 생산 공정이나 A10에선 고성능 프로세서로 바뀔 것이 확실합니다. 트랜지스터 성능을 높여 셀 라이브러리의 변경이 가능하며, 칩의 성능이 향상될 뿐만 아니라 칩을 작게 만들고 더 많은 기능을 탑재할 수 있게 됩니다. 즉 SoC 아키텍처를 확장할 수 있게 됩니다.

 

애플은 A9의 생산을 2개의 파운드리에 분산시키고 있는데 TSMC의 16FF과 삼성의 14LPE 프로세스를 사용했습니다. 현재 TSMC와 삼성/글로벌 파운드리 연합은 모두 2세대 16/14nm 공정의 생산에 진입했습니다. TSMC의 16FF +와 삼성/글로벌 파운드리의 14LPP가 그것이지요. 모두 초기 생산 공정보다 성능이 개선된 버전입니다.

 

덧붙여서 A9처럼 두곳의 파운드리에 생산을 분산하는 건 엄청난 비용과 노력이 필요하기에 일반적이지 않습니다. 따라서 A10는 TSMC에 생산을 집중할 것으로 예상됩니다. TSMC에서 제조한다면 16FF +이 될 가능성이 아주 높습니다. TSMC의 16nm 공정은 상대적으로 고성능인 GL과 저전력인 LL의 두가지가 있습니다. 16FF +에선 16FFGL +과 16FFLL +가 되는 것이지요. A10이라면 16FFLL + 프로세스일 것으로 추측됩니다.

 

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ARM의 ARM Tech Symposia에서 공개된 16FFLL + 프로세스 옵션과 애플리케이션


 

패키지 기술을 크게 혁신할 가능성이 큰 A10


애플이 A10에서 채용한다고 알려진 패키지 기술은 Fan-Out Wafer Level Package (FO-WLP) 기술의 일종입니다. 일반적인 SoC나 프로세서 패키지는 다이의 범프를 칩 패키지의 범프와 연결하기 위해 유기 기판을 사용합니다. 반면 FO-WLP는 유기 기판을 사용하지 않고 얇은 Redistribution Layer (RDL)를 사용합니다. 칩 스케일 패키지와 달리 핀 수가 많고 패키지가 다이보다 큰 칩에도 사용할 수있는 것이 특징입니다.

 

FO-WLP는 사이에 들어가는 유기 기판이 없어지니 두께가 그만큼 얇아집니다. 또한 저항을 줄이고 I/O 성능이 높아 소비 전력도 줄일 수 있습니다.

 

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ASM Pacific Technology의 FO-WLP 기술 설명


애플이 A10 제조를 위탁하는 TSMC는 InFO WLP (Integrated Fan-Out Wafer-Level Package)라고 부르는 FO-WLP 기술을 제공하려 합니다. 이는 TSMC의 in Height 패키지 기술로서, TSMC는 InFO-WLP 기술이 패키지의 두께를 20% 줄이고, I/O 속도를 20% 높이면 열은 10% 줄어든다고 설명합니다.

 

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아이폰의 Ax 시리즈 SoC는 DRAM과 적층해 PoP (Package On Package)에 탑재합니다. SoC의 패키지 위에 DRAM까지 두개의 패키지를 겹친 구조입니다. InFO 기술에서도 DRAM 다이를 적층할 수 있어 아이폰용 SoC에 적용 가능합니다.

 

애플의 A10가 TSMC의 InFO 기술을 사용한다는 소문이 퍼진 건 TMSC가 InFO 기술의 보급에 자신감을 보였기 때문입니다. 특히 2015년 10월의 금융 컨퍼런스에선 TSMC가 2016년부터 InFO를 대량 생산해 2016년 4분기에는 InFO 쪽으로 1억 달러의 매출을 낼 것이라 발표, A10 = InFO WLP 설이 유력해졌습니다.

 

또한 차세대 아이폰이 더욱 얇아진다는 소문이 들면서 더욱 신뢰성이 높아지고 있습니다. InFO를 사용하면 아이폰을 더욱 얇게 만들 수 있기 때문입니다. 이처럼 아이폰 자체의 소문과 반도체 기술의 소문이 맞물려 Ax 시리즈의 패키지 쇄신 가능성이 높습니다.

 

그러나 FO-WLP 기술은 단순히 스마트 을 얇게 만드는 기술이 아닙니다. 칩 패키지 기술의 대전환이며 멀티 칩 통합을 비롯한 다양한 가능성을 갖고 있습니다. 칩 공정 기술이 기존의 평면에서 FinFET 3D 트랜지스터로 바뀐 정도로 큰 충격이 FO-WLP에 있다고 하네요. 만약 애플이 A10에서 FO​​-WLP을 채용한다면 또 다시 애플이 기술의 선도하게 됩니다.

 

 

아직 알 수 없는 A11의 제조 공정

 

2017년의 아이폰 7s 세대 SoC인 애플 A11을 어떤 공정으로 만들지는 아직 알려지지 않은 부분이 있습니다. 16/14nm 프로세스 다음은 10nm 프로세스입니다. 10nm의 양산은 TSMC에서 2016년 4분기에 시작할 예정입니다. 차기 아이폰이 2017년 여름에 나온다면 늦을 수도 있습니다.

 

아이폰은 초기 출하량이 매우 많기에 SoC의 생산 재고가 일정 수준 필요합니다. 16/14nm 프로세스에서 TSMC와 삼성을 모두 쓴 것은, 이 세대에서 한 곳의 파운드리만으론 생산량 확보가 어려울지도 몰라서였던 것으로 추측됩니다. 2017년 중반에 10nm로 아이폰 정도의 제품을 출시하는 건 16/14nm 프로세서처럼 위험할 가능성이 있습니다. 무엇보다 파운드리 입장에선 새로운 프로세스를 견인하는 모바일 SoC니 가능한 애플의 일정을 따를 것입니다.

 

물론 이번에 그랬던 것처럼 TSMC와 삼성의 2가지 공급원을 쓸지도 모릅니다. 하지만 TSMC의 InFo 패키지 기술을 사용하면 패키지 높이를 맞추기 위해 삼성이나 글로벌 파운드리의 칩 패키지 기술까지 고려해야 합니다.

 

그러나 A11에서 10nm 프로세스를 사용할 수 없다고 해도 애플에겐 개량형 공정 기술이란 대안이 있습니다. 그것은 TSMC의 16FFC 프로세스를 사용하는 것입니다. 16FFC는 TSMC의 3세대 16nm 공정으로 저전력과 낮은 다이 면적(가격)을 실현합니다. 저전력 프로세스니 GPU같은 고성능 제품에는 적합하지 않지만, 모바일 SoC라면 아이폰 같은 제품에도 쓸 수 있을 것으로 추측됩니다. 애플이 A11에 16FFC을 사용할 경우 비용 절감이나 확장이 가능합니다.

 

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각 제조사의 프로세스 기술 로드맵

 

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각 제조사의 프로세스 노드 비교

 

이렇게 보면 애플은 16/14nm 공정에 3세대, 3년 동안 머물러 같은 프로세스 노드를 개선함으로서 점차 SoC를 진화시킬 수 있습니다. 또한 반도체 업체들은 현재 10nm의 다음 공정인 7nm의 기술 목표가 나온 상태라고 언급했습니다. 7nm까진 기존의 16/14nm 프로세스의 FinFET 기술을 연장해 나갈 것으로 보입니다. 즉 2020~2021년까지 프로세스 미세화는 계속 유지 가능합니다.

 

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지금까지 나온 Ax 시리즈의 확장 역사

 

그러나 아이폰 입장에선 SoC 아키텍처의 혁신 속도가 다소 떨어지게 됩니다. 아이폰의 애플 A 시리즈 SoC는 2012년에 32nm의 A6, 2013년에 28nm의 A7, 2014년에 20nm의 A8, 2015년에 16/14nm의 A9로 1년 간격으로 프로세스를 미세화하거나 개선해 왔습니다. 20nm에서 16/14nm 노드로 가면 숫자가 변한 만큼 줄어들진 않았지만 그래도 성능/전력이 개선됐습니다. 그러나 앞으로 프로세스 노드의 전환은 2~3년 주기로 늘어나고 속도 역시 늦춰집니다.

 

애플은 칩의 다이 크기를 늘려 기능을 더할 수도 있습니다. 그러나 현재 A10/A10X의 다이 크기는 이미 모바일 SoC 치고는 큰 편이니 기능을 더하기도 어렵습니다. 그러니 프로세스 개선을 통해 아키텍처를 확장할 수밖에 없습니다. 10nm 전환에서도 이런 추세는 지속될 것으로 보입니다.

 

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Ax 시리즈의 다이 크기 변화

 

상황이 이러다보니 애플은 앞으로 SoC 뿐만 아니라 패키지 기술과 메모리 기술로 SoC를 확장해 나갈 것으로 보입니다. 패키지 기술의 혁신에는 스택 메모리도 있습니다.

 

 

저가형 SoC를 만들지 않는 애플의 정책

 

아이폰은 첨단 반도체 기술을 사용해 왔습니다. 아이폰 SE처럼 저렴한 모델을 위해 저렴한 SoC를 따로 만들 생각은 없는 듯 합니다. 아이폰 SE는 SoC를 그대로 하며 3D 터치 같은 비싼 기술을 빼는 식으로 비용을 절감한다고 판단한 듯 합니다.

 

하이엔드 모바일 SoC의 제조 원가는 스마트폰에 들어가는 게 20달러 초반으로 알려져 있습니다. IHS Technology가 발표한 아이폰 SE의 비용을 봐도 A9는 22달러입니다. 아이폰 SE를 위해 SoC를 새로 설계하려면 설계와 마스크 비용이 필요하니, SoC를 그대로 쓰는 게 오히려 합리적일지도 모릅니다.

 

덧붙여 애플은 A5 세대에서 32nm 공정으로 축소한 A5를 초기형 아이패드 미니 등의 저가형 모델에 넣었습니다. 그러나 신형 프로세스의 비용 절감 비율이 이전보다 줄었기에, 지금 이 방법은 효과가 없을 것으로 보입니다.

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