왜 삼성은 반도체 기술력에서 TSMC에 뒤쳐지고 있는가?

• 삼성전자와 TSMC의 FOUNDRY BUSINESS 현황

결과적으로 삼성 파운드리가 TSMC에 애플 물량을 빼앗긴 이유는 패키징 기술에 있다. 

현재 TSMC 패키징 기술은 어디까지인가? 또 삼성의 대책은 어떠한 것인가?

 

실제로 삼성전자가 3nm 공정 양산에 먼저 성공했음에도 엔비디아를 비롯한 글로벌 빅테크 기업은 TSMC의 파운드리 생산라인에 의지하고 있다. 이는 TSMC의 독보적인 패키징 기술에 있고, 결국 AI 시장이 성장하면서 엔비디아의 체제가 이어질 수록 독점생산하고 있는 TSMC의 실적은 올라갈 것으로 보인다. 전 세계가 AI 시장에 사용되는 엔비디아의 GPU를 구매하고자 하나, 공급은 TSMC에 달려있다. 또한 최근 TSMC는 엔비디아의 chat gpt용 GPU인 A100/H100 의 수요급증 요구에 의해 CoWoS(chip on wafer on substrate) 패키징 생산을 늘리기로 결정했다. 

현재 삼성전자의 패키징 기술력은 TSMC와 10년 이상 차이가 난다고 보고 있고, 지난해 기준 16곳의 패키징관련 파트너사를 확보한 TSMC에 비해 삼성전자는 이제 막 패키징 협의체를 구성한 상태이다.

 

• 엔비디아의 GPU 개발현황

현재 '챗GPT'를 비롯한 생성 인공지능(AI) 돌풍으로 엔비디아의 슈퍼컴퓨터용 GPU 모듈인 H100 가격이 폭등하고 있다. 
4/14일 기준 CNBC 는 이베이에서 판매되는 H100 가격이 지난해 3만6000달러 에서 최고 4만6000달러(약 6000만원)까지 상승했다고 기사를 내었다. H100은 엔비디아가 지난해 10월 출시한 '호퍼' 아키텍처 기반의 최신 GPU 시스템이다. 최대 256개를 연결해 엑사스케일의 작업을 가속화하고, 전용 트랜스포머 엔진으로 조 단위 매개변수를 가진 대형언어모델을 처리할 수 있는 GPU 이다. 최근 가격이 폭등한 것은 챗GPT 인기가 폭발하면서 이와 유사한 대형 언어모델을 개발하려는 기업이 급증한 때문으로 풀이된다. 공급에 비해 수요가 훨씬 많아진 것이다. 

실제 엔비디아는 지난해 10월 H100 GPU를 출시했으나 그동안에는 우선 순위가 높은 기업을 위주로 공급해 왔다. 특히 그래픽카드를 생산하더라도 이를 모듈로 구성하는데 적지않은 시간이 소요돼 아직은 늘어나는 수요를 모두 감당하지 못하는 상황이다. 더구나 엔비디아는 오는 10월께 H100 모듈을 8개까지 연결한 데이터센터용 슈퍼컴퓨터인 DGX도 양산해 공급하는 동시에 자체 임대서비스에도 나설 예정이다. 공급 부족 현상은 쉽사리 해소되지는 않을 것으로 보인다.

한편 최근 슈퍼컴퓨터 구성에 사용한 GPU는 대부분 '암페어' 아키텍처 기반의 A100 시스템이었다. A100 모듈 가격은 대당 1만달러(약 1300만원) 수준이다. 오픈AI가 챗GPT 개발에 활용한 슈퍼컴퓨터도 이 GPU를 탑재했다. 엔비디아가 올 초 월 3만7000달러(약 4800만원)에 임대 서비스를 진행하겠다고 밝힌 데이터센터용 DGX도 A100을 탑재한 인프라다. H100을 탑재한 DGX 서비스 가격은 이보다 최소 4배 이상 비쌀 것으로 예상된다. 

 

H100

 

 

출처 : AI타임스(https://www.aitimes.com)

 

• 삼성전자의 대책 및 개발현황

삼성전자는 TSMC의 CoWoS 를 뛰어넘기 위해 기존 2015년 HBM2 출시를 시작으로 I-Cube(2.5D, 2018, 얇은 인터포저를 사용해 GPU와 HBM을 묶는 기술로  TSMC의 CoWoS 와 유사함) 및 X-Cube(3D, 2020) 패키징 기술을 개발 중이고, 이는 무어의 법칙을 뛰어 넘는 반도체 기술 진화에 따라 첨단 이종 집적화 ( Advanced Heterogeneous Integration ) 기술을 이용한 고성능 저전력 패키징 구현하는 기술을 메모리와 파운드리 사업부 모두를 이용해 처음부터 끝까지 생산하여 고객사에 턴키로 납품할 계획을 세우고 있으며, 삼성전자 천안/온양 캠퍼스의 AVP(Advanced Package) 사업부의 패키징 기술 개발을 위해 부사장으로 TSMC 출신의 린징청을 영입하는 조직개편을 진행했다. 

 또한 삼성전자는 성능별로 공정을세분화해 비용 절감에 초점을 맞춘 서비스를 제공하겠다는 전략으로 로직칩과 8개의 HBM을 구현한 I-Cube8과 HBM 12개인 I-Cube12를 개발할 계획이다. 게다가 더 많은 데이터 처리를 위한 마이크로범프(u-Bump)형 X-Cube를 2024년까지 양산할 계획이며, 2026년에 범프리스형 X-Cube를 선보일 것으로 예산된다. 

 현재 삼성전자는 엔비디아에 엔터프라이즈용 GPU에 사용되는 HBM3와 2.5D 패키지를 턴키로 공급하겠다는 제안을 했는데, 엔비디아의 파운드리 전공정은 TSMC의 선단공정이 담당하고 있고, HBM3는 SK Hynix 가 100% 공급하고 있으며, 패키징은 TSMC의 CoWoS 에 해당한다. 

 

 

• Packaging 비교

2.5D : 삼성전자 I/H Cube  //  TSMC CoWoS

3D    : 삼성전자 X-Cube  //  TSMC SoIC (System on Integrated Chip)

 

 

 

• 향후 관전 point

첨단 3나노 이하 전공정 대결뿐 아니라, 후공정에서 양산 간 기술 구현과 로드맵 비교 또한 파운드리 대전의 관전 요소이다. 또, TSMC가 향후 패키징 시장의 어느 영역까지 장악할 것인가? 이다. TSMC는 전공정 파운드리만을 고집하는 회사가 아니라 '이윤 극대화를 위한 첨단 후공정 시장'까지 노리고 있다. 그 동안 12inch wafer 미세 전 공정을 고급 패키징 기술에 응용해 , ASE 등 기존 패키징 회사들이 차지하고 있던 영역을 빠르게 침투할 것이라는 전망 또한 패키징 업계가 긴장의 끈을 놓지 않는 이유이다. 또 어플라이드 머터리얼즈, 램리서치 등 전공정 장비 회사의 선단 패키징 장비 개발 여부도 중요한 요소이다.