이처럼 반도체 산업에서 팹리스(설계)와 파운드리(위탁 생산) 업체 간 협업이 새로운 국면을 맞고 있다. 기존에는 팹리스가 설계를 완료한 후 파운드리에 생산을 맡기는 방식이 일반적이었지만 최근에는 설계 초기 단계부터 협력해 맞춤형 반도체를 최적화하는 방향으로 바뀌고 있다.
17일 업계에 따르면 AI와 고성능 컴퓨팅(HPC) 시장이 급성장하면서 단순한 반도체 제조를 넘어 하드웨어와 소프트웨어 간 최적화가 파운드리 기업의 주요 경쟁력으로 떠오르고 있다. 특히 3나노미터(nm) 이하 초미세 공정에서는 성능, 전력 효율, 수율(생산 성공률) 극대화를 위한 팹리스와 파운드리의 협업이 필수가 됐다.
반도체 하드웨어와 소프트웨어 간 최적화가 중요해진 이유는 초미세 공정일수록 기존 기술로 단순히 공정을 개선하는 것만으로는 팹리스 기업이 요구하는 제품을 만들 수 없기 때문이다. 예를 들어 공정이 3nm(나노미터) 이하로 내려가면서 반도체 설계의 복잡성이 급격히 올라간다. 그 결과 특정 공정에 맞춰 최적화하지 않으면 전력 효율·성능·수율이 크게 떨어질 위험이 있다.
이에 따라 팹리스 업체들도 반도체 성능을 극대화하기 위해 파운드리와의 협업을 더욱 강화하고 있다. 자사 제품에 맞는 반도체 내재화를 강화하기 위해서다. 반도체 파운드리 분야에서 세계 1위 기업인 TSMC는 이미 애플, 엔비디아, 퀄컴 등 글로벌 팹리스 기업과 협력하며 최신 반도체 공정에 최적화된 설계를 개발하고 있다.
애플이 자체 프로세서 M 시리즈(M1, M2, M3 등)를 개발하면서 TSMC와 공동 작업을 통해 최적화를 진행하는 것은 팹리스-파운드리 협업의 대표적 사례다. 최근 애플은 TSMC와 협업해 자체 AI 칩도 개발하고 있다. 일명 'ACDC'로 불리는 이 프로젝트는 데이터센터에서 대규모 데이터를 처리하고 AI 소프트웨어를 실행하는 데 중점을 두고 있다.
AI·HPC용 그래픽처리장치(GPU) 시장에서 절대 강자로 군림하고 있는 엔비디아도 TSMC와 협력해 차세대 AI 가속기 제조를 위한 첨단 패키징 공정(CoWoS-L)을 적용하고 있다. 최신 공정 기술을 적극 활용해 전력 효율과 연산 성능을 최적화하는 것이 목표다.
가장 최근에는 오픈AI가 TSMC에 손을 내밀었다. 로이터통신에 따르면 최근 오픈AI가 TSMC와 협력해 자체 AI 반도체 개발 작업에 착수했다. 오픈AI는 올해 안에 첫 번째 자체 반도체 설계를 완료하고 TSMC의 첨단 3nm 공정 기술을 활용해 오는 2026년부터 본격적인 양산을 시작한다는 계획을 밝힌 바 있다.
반도체 업계 관계자는 "TSMC는 단순히 위탁제조 업체의 역할에만 머물지 않는다"라며 "그동안 축적된 노하우를 바탕으로 고객사의 엔지니어와 일일이 상의하면서 칩 설계를 사전에 수정하거나 더 최적화된 설계를 적극적으로 제안하기도 한다"고 말했다.
삼성전자는 현재 IBM과 협력해 차세대 반도체 기술인 2nm 공정과 VTFET 기술을 공동 개발하고 있다. VTFET 기술은 트랜지스터를 수직 배치해 전력 효율을 높이고 성능을 극대화하는 설계 방식이다. 이를 통해 삼성전자는 TSMC와의 파운드리 경쟁에서 차별화된 기술 우위를 확보해 IBM과 함께 AI·HPC·데이터센터 반도체 시장에서 영향력을 확대한다는 방침이다.
삼성전자는 지난달 진행한 ‘2024년 4분기 실적발표 컨퍼런스콜’에서도 "AI, HPC 등 응용처와 첨단 공정 수주 확대를 위해 공정 성숙도 향상에 집중할 것"이라며 "AI, HPC의 강력한 수요를 기반으로 선단 노드 매출 비중을 점진 확대해 전년 대비 매출 성장 달성을 목표로 하고 있다"고 밝혔다.
향후 AI와 HPC 시장이 급격히 커질 것으로 전망되는 만큼 이 같은 팹리스와 파운드리 업체 간 협업은 더욱 중요해질 것으로 보인다. 시장 조사 업체 글로벌리서치에 따르면 AI 기능을 강화한 HPC의 세계 시장 규모는 2023년 26억 달러에서 오는 2030년까지 연평균 9.4% 성장할 것으로 예측된다.
이와 관련해 업계 관계자는 “초미세 공정에서는 원자 수준의 패턴이 조금만 어긋나도 반도체가 오작동할 가능성이 커지고 수율에 큰 영향을 미치게 된다”며 “이를 해결하기 위해서는 설계 단계부터 공정을 최적화하는 팹리스·파운드리 협업이 필수”라고 말했다.
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