AI 반도체 패키징 투자 경쟁…엔비디아, TSMC 밖 생산능력 확대

인공지능(AI) 칩 수요가 첨단 패키징 생산능력을 앞지르면서 반도체 기업들의 투자 경쟁이 커지고 있다. 엔비디아(Nvidia)는 티에스엠씨(TSMC) 이외의 공급망 확대를 위해 대만(Taiwan) 패키징 업체에 수십억 달러를 지원하고 있으며, 업계는 더 큰 칩을 효율적으로 묶는 패널 수준 패키징 개발에도 나섰다.

사안을 아는 업계 관계자는 엔비디아가 에이에스이테크놀로지(ASE Technology) 계열 실리콘웨어프리시전인더스트리스(Siliconware Precision Industries·SPIL)의 CoWoS 생산능력 확대에 수십억 달러를 지원하고 있다고 밝혔다. 언론에 말할 권한이 없어 익명을 요구한 이 관계자에 따르면 자금은 공장 공간과 장비 확충에 쓰인다. 지원 규모는 이전에 보도되지 않았다. 엔비디아는 논평 요청에 답하지 않았고, ASE는 고객 관련 시장 소문에 관해 언급하지 않는다고 밝혔다.

CoWoS는 프로세서와 메모리 등 별도의 실리콘 칩을 공통 기반 위에 연결해 고속으로 함께 작동하게 하는 기술이다. TSMC가 이 분야를 주도하며 엔비디아, 에이엠디(AMD), 브로드컴(Broadcom)과 자체 AI 칩을 개발하는 클라우드 기업들이 사용한다. TSMC의 생산능력 제약으로 칩 설계업체들은 추가 공급처를 찾고 있다. 시장조사업체 욜그룹(Yole Group)은 2026년 첨단 패키징 매출이 처음으로 기존 패키징 매출을 넘어설 것으로 예상했다. 관련 설비투자는 280억 달러에 근접할 것으로 내다봤다.

대안 기술에 투자하는 파워텍테크놀로지(Powertech Technology·PTI)의 D K 차이 회장은 8월 기자들에게 “모두가 TSMC 밖에서 해법을 찾고 있다. 그들은 TSMC에 전적으로 의존하고 싶어 하지 않는다”고 말했다. PTI는 원형 웨이퍼 대신 큰 직사각형 패널을 사용해 한 번에 더 많은 칩을 처리하고 재료 낭비를 줄이는 패널 수준 패키징에 주력한다. AMD·브로드컴과 함께 AI 및 고성능 컴퓨팅용 대형·복합 패키지에 적용할 수 있는지 검증하고 있다. 짐 린 PTI 수석부사장은 “지금 가장 중요한 것은 생산능력”이라며 고객들이 생산 확대를 기다리고 있다고 말했다.

PTI는 싱가포르(Singapore)에 브로드컴과 세우는 첨단 패키징 합작법인에 4억 달러를 투자할 방침이다. 차이 회장은 2028년 생산을 시작할 수 있다고 밝혔다. AMD도 대만 반도체 산업 전반에 100억 달러가 넘는 투자를 공개했으며, 여기에는 ASE·SPIL·PTI와의 첨단 패키징 협력이 포함된다.

TSMC 역시 대형·복합 패키지를 지원하기 위해 패널 기반 기술인 CoPoS를 개발하고 있다. 4월에는 시험생산 라인을 구축했으며 2년 안팎으로 생산을 시작할 것으로 예상한다고 밝혔다. 현재 주력 AI 패키징 기술은 CoWoS다. 마이크로소프트(Microsoft)의 라니 보르카르 애저(Azure) 하드웨어 총괄은 패널 수준 패키징이 대형 AI 칩의 패키징 과정에서 재료 낭비를 줄일 수 있다고 설명했다. 다만 회사는 도입 여부나 시기를 정하지 않았다.

리사 수 AMD 최고경영자(CEO)는 PTI 기술이 TSMC 기술의 대안이 될 수 있느냐는 질문에 직접 답하지 않았지만 첨단 패키징 생산능력을 더 확보해야 한다는 점은 인정했다. 그는 10월 타이베이(Taipei)에서 로이터(Reuters)에 “CoWoS와 첨단 패키징은 앞으로 우리의 고성능 컴퓨팅에 매우 중요하다. TSMC는 첨단 패키징에서 훌륭한 파트너였고, 우리는 앞으로도 함께 더 많은 일을 할 것”이라며 “그렇다. 우리는 전반적으로 더 많은 생산능력이 필요하다”고 말했다.

이 같은 투자는 반도체 제조 방식의 변화를 반영한다. 과거 패키징은 칩을 보호하고 회로기판에 연결할 전기 접점을 제공하는 역할이 중심이었다. 트랜지스터 크기를 줄이고 개수를 늘려 성능을 높이는 방식이 어려워지고 비용도 커지면서, 여러 프로세서와 메모리를 하나의 패키지에 묶어 시스템 전체의 속도를 높이는 기술이 중요해졌다. 특히 AI 칩은 프로세서와 인접 메모리 사이의 대규모 데이터 이동을 빠르게 해야 AI 모델 학습과 실행 속도를 높일 수 있다.

인텔(Intel) 전 CEO이자 현재 플레이그라운드글로벌(Playground Global) 파트너인 팻 겔싱어는 최근 타이베이에서 “패키징은 늘 별로 신경 쓰지 않던 분야였다”고 말했다. 그는 일부 그래픽처리장치와 중앙처리장치가 칩 10개 이상, 때로는 최대 20개를 통합한다며 첨단 패키징이 결국 칩 제품 가치의 절반까지 차지할 수 있다고 추산했다.

패키징 수요 확대는 반도체 장비업체에도 새 시장을 열고 있다. 실리콘에 회로를 형성하는 전공정에 주력해 온 업체들이 칩과 메모리 등을 결합하는 후공정으로 관심을 넓히고 있다. 나카마 세이지 도쿄일렉트론타이완(Tokyo Electron Taiwan) 사장은 첨단 패키징 시장이 반도체 제조장비 시장보다 규모는 작지만 훨씬 빠르게 성장하고 있다고 말했다.

어플라이드머티어리얼즈(Applied Materials)의 스리 케사프라가다 부사장은 패널 수준 기술을 포함한 첨단 패키징 시장이 3~5년 안에 크게 성장할 수 있다고 밝혔다. 새로운 방식에 대한 회사의 관심이 커지는 가운데 그는 “가까운 시일 안의 일이다. 10년, 15년 뒤의 일이 아니다”라고 말했다.