스마트폰 칩 발열 해결법, 삼성 엑시노스와 화웨이 로직 폴딩 비교

핵심 메시지

• 삼성과 화웨이의 최근 움직임은 정반대처럼 보이지만, 모두 미세 공정만으로는 스마트폰 칩 성능을 끌어올리기 어렵다는 같은 한계에서 출발한다.
• 삼성은 AP에서 냉각 장치까지 열이 빠져나가는 경로를 짧게 만드는 쪽이고, 화웨이의 로직 폴딩은 칩 내부 회로 사이 전기 신호가 이동하는 배선을 짧게 만드는 쪽이다.
• 엑시노스 2400은 팬아웃 WLP, 2600은 구리 히트패스블록(HPB)을 실제로 적용했고, 엑시노스 2700에서 메모리를 더 떼어낸다는 이야기는 아직 단일 유출 기반 루머다.
• 화웨이는 배선 길이 약 30% 감소, 최대 주파수 약 13%, 전력 효율 약 41% 개선을 주장하지만, 이는 대표 코어 하나에 대한 정식 심사 전 단계의 회사 측 수치다.
• 스마트폰은 팬이 없어 표면 온도 제약이 크기 때문에, 트랜지스터 하나의 효율만이 아니라 AP에서 프레임 바깥까지 이어지는 전체 열 경로를 함께 설계해야 한다.

쉽게 이해하기

스마트폰의 중심 프로세서인 AP(SoC) 위에는 오랫동안 모바일 D램을 한 층 더 올리는 PoP(패키지 온 패키지) 방식이 쓰였다. 보드 면적을 아끼고 두 부품 사이 연결 거리를 짧게 유지할 수 있기 때문이다. 그러나 성능이 오르면서 이 구조가 발열에 불리해졌다. AP에서 생긴 열이 D램의 솔더볼·기판·몰딩제처럼 열을 잘 전달하지 못하는 재료를 차례로 통과해야 냉각 부품인 베이퍼 챔버에 닿기 때문이다.

온도 상승은 대략 소비 전력과 열 저항의 곱(ΔT ≈ P × Rθ)으로 볼 수 있다. 냉각 경로의 열 저항이 커지면 같은 전력에도 칩 온도가 빠르게 오르고, 일정 온도를 넘으면 AP는 스스로 전압과 클록을 낮추는 스로틀링에 들어간다. 그래서 순간 최고 성능보다, 게임이나 촬영처럼 부하가 이어질 때 성능을 몇 분간 유지하는지가 체감 성능을 좌우한다.

삼성은 단계적으로 구조를 바꿔 왔다. 엑시노스 2400에서 AP 접점을 바깥으로 펼치는 팬아웃 WLP를 자사 AP 최초로 적용했고, 엑시노스 2600에서는 D램 패키지 면적을 절반가량 줄여 발열이 큰 영역과 겹치지 않게 옮긴 뒤 그 자리에 구리로 만든 히트패스블록(HPB)을 넣었다. 구리는 절연·접착 소재보다 열 전도가 약 500~1000배 높아, 삼성은 패키지 전체 열 저항 기준 엑시노스 2500 대비 최대 16% 감소를 공식 수치로 제시했다.

화웨이는 전혀 다른 방향이다. AP 내부의 논리 회로 자체를 위아래 두 층으로 나누는 로직 폴딩을 택했다. 신호가 가장 늦게 도착하는 크리티컬 패스를 한 평면에 길게 늘어놓는 대신 위아래로 접어 짧게 잇는 것이다. 두 실리콘 층은 솔더 범프 없이 절연막과 구리 접점을 직접 붙이는 하이브리드 본딩으로 연결하는데, 이 기술은 TSMC도 SoIC라는 이름으로 제공하는 업계 공용 기술이다.

화웨이는 같은 트랜지스터 공정에서 배선 길이 약 30% 감소, 최대 주파수 약 13%, 전력 효율 약 41% 개선, 회로 밀도 1mm²당 약 1억 5,500만 개에서 2억 3,800만 개로 상승을 주장한다. 다만 하이브리드 본딩 피치 1.5μm는 1.5nm 공정이 아니며, 높아진 것은 위에서 본 면적 기준 밀도이지 개별 트랜지스터의 체급이 아니다. 실제 공정도 아직 공식 확인되지 않았다.

주요 인사이트

• PoP, 팬아웃 WLP, HPB는 서로를 대체하는 기술이 아니다. PoP는 AP와 메모리를 어떻게 쌓느냐, 팬아웃 WLP는 AP 접점을 바깥으로 어떻게 연결하느냐, HPB는 그 위에 열을 빼는 길을 하나 더 놓느냐의 문제로 각각 다른 부분을 손본다.
• 메모리를 옆으로 펼치면 냉각 표면과 지속 성능은 얻지만 패키지 면적이 커지고 신호 이동 거리와 휘어짐(워피지) 관리 부담이 늘어난다. 즉 수평 배치가 PoP보다 무조건 우월한 것이 아니라 보드 면적·전기 효율을 일부 양보한 선택이다.
• 로직을 두 층으로 쌓으면 배선이 짧아져 소비 전력이 줄 수 있지만, 열이 나는 활성 층이 늘고 안쪽 층이 냉각면에서 멀어져 국부 전력 밀도와 핫스팟 관리가 어려워진다. 여러 층 중 하나만 결함이 나도 수율이 떨어지는 문제도 있다.
• 애플은 2016년 아이폰7 A10부터 TSMC InFO PoP를 써 왔고 A20에서 WMCM 전환이 거론되며, 퀄컴 스냅드래곤 8 엘리트 젠5는 여전히 기판 기반 PoP를 유지한다. 다만 이런 차세대 계획 상당수는 아직 공식 확인이 아닌 보도·유출 단계다.

자주 묻는 질문

관련 AI 소식