AI 경쟁의 핵심 반도체 기술 보유 가능?

TSMC에 1,000억 달러 투자해 애리조나에 공장 설립

AI 기술에 꼭 필요한 두 가지 첨단 기술 보유

미국과 중국 간의 AI 경쟁에 열쇠가 되는 핵심 반도체 기술이 중요하다. 미국은 역사상 단일 외국인 기업에 대한 투자로는 최대 규모인 1,000억 달러를 대만 반도체 제조 회사(TSMC)에 투자했다. 이는 전 세계의 관심을 끌고 대만에 대한 우려를 불러일으켰다. 스마트폰과 인공지능(AI) 애플리케이션부터 무기에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 세계 첨단 반도체 칩의 90% 이상을 생산하는 대만 반도체(TSMC)는 애리조나에 두 개의 새로운 첨단 패키징 제조 시설을 건설할 예정이다. 전 세계적 AI 열풍과 함께 기하급수적인 수요 증가를 보인 첨단 패키징 기술에 대해 알아야 할 모든 것과 이것이 AI 패권을 위한 미국과 중국 간의 투쟁에 의미하는 바가 있다.

양국은 90일 동안 파괴적인 세 자릿수 관세를 철회하는 임시 휴전을 발표했지만, 미국이 부과한 칩 제한과 기타 문제를 둘러싼 지속적인 반목으로 인해 양국 관계는 긴장 상태를 유지하고 있다. 이런 상황에서 미국 기업이 받기도 힘든 어마어마한 투자를 대만의 반도체 제조 업체가 받았다는 것인 이 회사가 만드는 반도체에 AI의 주도권을 가져올 핵심 기술이 있다는 것을 보여준다.

고급 패키징이란?

AI 붐으로 주목을 받고 있는 타이베이의 연례 무역 박람회인 컴퓨텍스(Computex)에서 칩 제조업체 엔비디아(Nvidia)의 CEO는 "AI를 위한 고급 패키징의 중요성은 매우 높다며 자신보다 고급 패키징을 더 열심히 밀어붙인 사람은 없다고 단언했다. 패키징은 일반적으로 반도체 칩의 제조 공정 중 하나를 말한다.

이는 보호 케이스 내부에 칩을 밀봉하고 전자 장치에 들어가는 마더보드에 장착하는 것을 의미한다. 특히 고급 패키징은 그래픽 처리 장치(GPU), 중앙 처리 장치(CPU) 또는 고대역폭 메모리(HBM)와 같은 더 많은 칩을 더 가깝게 배치해 전반적인 성능을 향상시키고 데이터를 더 빠르게 전송하며 에너지 소비를 줄일 수 있는 기술을 말한다.

이런 칩을 회사 내의 다른 부서로 생각하면, 이런 부서가 서로 가까울수록 사람들이 서로 이동하며 아이디어를 교환하는 것이 더 쉬워지고 시간이 덜 걸리며 운영 효율성이 높아진다. 그래서 반도체 제조업체들은 칩을 가능한 한 가깝게 놓으려고 노력하고 있고, 칩 사이의 연결을 매우 쉽게 만들기 위해 다른 솔루션을 넣고 있다. 이것이 일종의 고급 기술이 되는 셈이다. 어떤 면에서 첨단 패키징은 무어의 법칙(Moore's Law, 즉 칩 제조 공정의 돌파구가 점점 더 비싸지고 어려워짐에 따라 마이크로칩의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가한다는 아이디어)을 유지하고 있다.

다양한 유형의 첨단 패키징 기술이 있지만, 대만 반도체(TSMC)가 개발한 CoWoS(Chips-on-Wafer-on-Substrate의 약자)는 AI 열풍을 일으킨 OpenAI의 챗GPT가 출시된 이후 각광받은 가장 잘 알려진 기술이라고 할 수 있다. 이제 CoWoS는 대만에서는 누구나 아는 이름이 되었고 또한 CoWoS라고 말하면 누구나 대만이라고 이해할 수 있는 수준으로 널리 퍼졌다.

이 고급 패키징은 많은 복잡한 컴퓨팅이 필요한 AI 애플리케이션이 지연이나 오류 없이 실행되도록 해주기 때문에 기술 세계에서 큰 화두가 되었다. CoWoS는 AI 서버나 데이터 센터에 사용되는 엔비디아와 AMD에서 생산하는 그래픽 처리 장치(GPU)와 같은 AI 프로세서를 생산하는 데 없어서는 안 될 필수 요소다. 원한다면 엔비디아 패키징 프로세스라고 부를 수 있지만 AI 칩을 만드는 거의 모든 회사가 CoWoS 공정을 사용하고 있다.

이것이 CoWoS 기술에 대한 수요가 급증한 이유다. 그 결과, 대만반도체(TSMC)는 생산 능력을 늘리기 위해 분주히 움직이고 있다. 지난 1월 엔비디아의 CEO가 대만을 방문했을 때, 현재 사용 가능한 첨단 패키징 용량의 양이 2년도 채 되지 않아 거의 4배에 달한다고 했다. 패키징 기술은 컴퓨팅의 미래에 매우 중요하다. 그래서 이제 많은 칩을 하나의 거대한 칩으로 통합하려면 매우 복잡한 고급 패키징이 필요하다.

대만반도체의 기술

1987년에 설립된 대만반도체(TSMC)는 다른 기업들이 주문하는 칩을 생산한다. 대만은 전 세계 "파운드리"(반도체 제조 아웃소싱) 시장의 60%를 차지하고 있고, 그 중 대부분은 대만반도체(TSMC)에서 독점적으로 생산된다. 대만반도체(TSMC)의 최첨단 마이크로칩은 다른 기업들의 다양한 기기에 사용된다. 아이폰, 아이패드, 맥(Mac)에 사용되는 애플의 프로세서를 생산하고, 머신 러닝과 AI 애플리케이션에 사용되는 엔비디아의 그래픽 처리 장치(GPU)를 생산한다. 또한 전 세계 슈퍼컴퓨터에 사용되는 AMD의 라이젠 및 EPYC 프로세서를 생산하며, 삼성, 샤오미, 원플러스, 구글 폰에 사용되는 퀠컴의 스냅드라곤 프로세서도 생산한다.

대만의 마이크로칩 산업은 안보와 밀접한 관련이 있다. "실리콘 방패"라고도 불리는데, 이는 광범위한 경제적 중요성으로 인해 미국과 동맹국들이 중국의 침략 가능성으로부터 대만을 방어하도록 유도하기 때문이다. 대만반도체(TSMC)는 최근 미국에 5개의 신규 공장을 건설하기 위한 1,000억 달러 규모의 계약을 체결했다. 그러나 일부 관계자들은 2나노미터 칩이 대만 외부에서 생산될 경우 대만의 안보가 위협받을 수 있다고 우려하고 있기 때문에 2나노미터 칩의 해외 생산 가능성에 대한 불확실성이 존재한다.

CoWoS가 최근에 등장하기는 했지만, 이 기술은 실제로 최소 15년 전부터 존재해 왔다. 2009년에 더 많은 트랜지스터를 칩에 장착하고 성능 병목 현상을 해결하기 위해 이 기술 개발을 처음 제안했다. 하지만 이 기술이 개발되었을 당시에는 높은 비용 때문에 이 기술을 채택하는 회사는 거의 없었다.

그러나 AI 붐은 CoWoS를 역전시켜 가장 인기 있는 기술 중 하나가 되었다. 글로벌 반도체 공급망에서 패키징 및 테스트 서비스를 전문으로 하는 회사들을 OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test) 기업이라고 한다. 대만반도체(TSMC) 외에도 한국의 삼성과 미국의 인텔, 중국의 JCET 그룹, 미국의 앰코, 대만의 ASE 그룹, SPIL 등 OSAT 기업들이 첨단 패키징 기술 분야의 핵심 업체들이다.

2025년 4월 1일, 대만반도체(TSMC)는 세계에서 가장 진보된 마이크로칩 2나노미터(2nm) 칩을 선보였다. 양산은 하반기로 예정되어 있고, 성능과 효율성 측면에서 큰 진전을 이뤄 기술 지형을 재편할 것이라고 했다. 마이크로칩은 전동 칫솔, 스마트폰, 노트북, 가전제품 등 거의 모든 전자 기기에 사용되는 현대 기술의 기반이다.

마이크로칩은 실리콘과 같은 재료를 적층하고 에칭해 수십억 개의 트랜지스터를 포함하는 미세 회로를 만든다. 이 트랜지스터는 사실상 작은 스위치로서 전기 흐름을 제어하고 컴퓨터 작동을 가능하게 한다. 일반적으로 칩에 트랜지스터가 많을수록 칩의 속도와 성능이 향상된다.

마이크로칩 업계는 더 작은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적해 더 빠르고 강력하며 에너지 효율적인 기술 장치를 개발하기 위해 끊임없이 노력하고 있다. 대만반도체(TSMC)의 2나노미터 기술은 기존의 최첨단 칩인 3나노미터 칩과 비교했을 때 주목할 만한 이점을 제공한다. 동일한 전력 수준에서 컴퓨팅 속도가 10~15% 향상되거나 동일한 속도에서 전력 사용량이 20~30% 감소하는 것이 그 예다. 또한 2나노미터 칩의 트랜지스터 밀도는 3나노미터 기술보다 약 15% 향상되었다. 이를 통해 장치의 작동 속도가 빨라지고 에너지 소비량이 줄어들며 더 복잡한 작업을 효율적으로 관리할 수 있게 된다.

미국에는 어떤 이점이 있을까?

칩 제조 측면에서 첨단 제조가 일종의 퍼즐 한 조각이라면, 첨단 패키징은 또 다른 퍼즐 조각에 해당한다. 애널리스트들은 애리조나에서 이 두 개의 퍼즐 조각을 모두 갖게 된다는 것은 미국이 칩 생산을 위한 "원스톱 공장"을 갖게 되고 AI 무기고에 대한 입지를 강화해 준다고 했다.

그리고 결과적으로 대만반도체(TSMC)의 주요 핵심 고객인 미국의 첨단 기업들 애플, 엔비디아, AMD, 퀠컴 그리고 브로드컴의 기술 발전에 이익이 된다는 것을 의미한다. 시장조사업체 디지타임즈 리서치의 애널리스트는 이는 미국이 첨단 제조에서 첨단 패키징에 이르기까지 완전한 공급망을 갖도록 보장해주는 것이며, AI 칩에서 미국의 경쟁력에 도움이 될 것이라고 보았다.

AI의 핵심이 되는 첨단 패키징 기술은 현재 대만에서만 생산되고 있기 때문에 애리조나에서 생산하면 잠재적인 공급망 위험도 줄어든다. 한 바구니에 모든 달걀을 담는 대신 CoWoS는 대만과 미국에 있을 것이므로 더 안전하고 안심할 수 있다. 전 세계의 가장 앞선 첨단 칩 생산이 미국에서 가능해지는 것을 의미하는데 대만반도체(TSMC)가 최첨단 칩 제조 시설을 미국의 애리조나에 설립할 지는 두고 봐야 한다. 대만 입장에서는 세계의 유일한 기술을 미국에 제공하는 것을 의미하기 때문이다.

2나노미터 칩을 탑재한 스마트폰, 노트북, 태블릿은 더 나은 성능과 더 긴 배터리 수명을 누릴 수 있다. 이를 통해 전력 소모 없이 더 작고 가벼운 기기를 만들 수 있다. 칩의 효율성과 속도는 음성 비서, 실시간 언어 번역, 자율 컴퓨터 시스템(인간의 개입을 최소화하거나 전혀 없이 작동하도록 설계된 시스템)과 같은 AI 기반 애플리케이션을 향상시킬 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 데이터 센터는 에너지 소비를 줄이고 처리 능력을 향상시켜 환경 지속가능성 목표 달성에 기여할 수 있다.

자율주행차 및 로봇 공학과 같은 분야는 새로운 칩의 향상된 처리 속도와 안정성을 통해 이점을 얻을 수 있고, 이런 기술은 더욱 안전하고 실용적이 되어 광범위한 도입을 가능하게 할 것이다. 이 모든 것이 매우 유망해 보이지만, 2나노미터 칩이 기술적 이정표를 제시하는 동시에 과제도 안고 있다.

첫번째는 제조 복잡성과 관련이 있다. 2나노미터 칩 생산에는 극자외선(EUV) 리소그래피와 같은 최첨단 기술이 필요하다. 이 복잡하고 값비싼 공정은 생산 비용을 증가시키고 매우 높은 정밀도를 요구한다.

또 다른 중요한 문제는 열이다. 소비 전력이 상대적으로 낮더라도 트랜지스터가 작아지고 밀도가 증가함에 따라 방열 관리가 중요한 과제가 된다. 과열은 칩 성능과 내구성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 이처럼 작은 규모에서는 실리콘과 같은 기존 소재가 성능 한계에 도달할 수 있으며, 이는 새로운 소재 개발의 필요성을 시사한다.

그럼에도 불구하고, 이런 칩을 통해 가능해진 향상된 연산 능력, 에너지 효율, 그리고 소형화는 소비자 및 산업용 컴퓨팅의 새로운 시대를 여는 관문이 될 수 있다. 더 작은 칩은 미래 기술의 획기적인 발전을 이끌어, 강력할 뿐만 아니라 눈에 띄지 않고 환경 친화적인 장치를 만들어낼 수 있다.