[AI는 돈 먹는 하마?⑤]반도체 공급 부족으로 AI 성장 제약

[산업일보]
인공지능(AI)이 기업과 산업, 사회를 변화시킬 혁신 기술로 자리 잡으려면 넘어야 할 산이 많다. 막대한 투자비용을 수익으로 바꿀 핵심 기능이 아직 등장하지 않았고, 기하급수적으로 늘어나는 전력 수요도 해결해야 한다.

반도체도 부족하다. 반도체 공급이 수요를 따라잡지 못하는 ‘병목 현상’은 전력 문제와 함께 AI 성장의 대표적 제약 요인으로 꼽힌다. 골드만삭스는 ‘반도체 공급 부족이 향후 몇 년간 AI 성장을 제약할 것’이라는 분석을 내놨다.

반도체 공급 부족, 단기적 AI 성장 제약

골드만삭스(이하 GS)가 6월 발표한 ‘생성 AI:너무 많은 비용, 너무 작은 이익?(이하 보고서)’은 생성형 AI 기술의 인기로 반도체 공급이 부족해질 것이라 우려했다.

Toshiya Hari GS 미국 반도체 분석가는 보고서에서 ‘엔비디아의 그래픽처리장치(GPU)부터 클라우드 컴퓨팅용 맞춤형 반도체까지 모든 반도체 수요가 급증할 것’이라면서 ‘반도체 기업이 늘어나는 수요를 따라잡기 버거운 상황’이라고 분석했다.

생산 난이도가 어려워지는 점도 문제다. 반도체 회로를 미세화할수록 회로 간격이 좁아져 간섭이 심해지고, 오염입자로 인한 불량도 증가하는 ‘물리적 한계’에 다다르면서다.

일례로 송재혁 삼성전자 디바이스솔루션(DS) 부문 최고기술자 겸 반도체연구소장(사장)은 지난달 3일 ‘나노코리아 2024’ 기조연설 자리에서 “반도체 기술이 점점 어려워지면서 기존 기술은 한계를 맞았고, 한 세대마다 성능을 30%씩 높이는 건 정말 힘들어졌다”라고 언급했다.

반도체 제조사들은 기술의 한계를 돌파하기 위해 시스템반도체와 D램을 수직으로 적층하는 3차원(D) 스택 기술, 실리콘 포토닉스, 3.5D 패키징, 하이브리드 본딩 등 다양한 혁신 기술을 준비하고 있다. 칩 제조사가 감당해야 할 기술의 영역이 크게 늘어나는 것이다.

Toshiya Hari 분석가는 ‘DRAM 공급업체 세 곳(삼성전자, SK하이닉스, 마이크론)이 기하급수적인 수요에 대응하며 고대역폭메모리(HBM) 시장도 급성장하겠지만, 칩 당 필요한 HBM 양도 지속적으로 증가할 것으로 예상된다’라고 진단했다.

이어 ‘적층 공정의 복잡성으로 인한 HBM의 낮은 제조 수율은 공급 업체의 생산 능력 증가를 제약할 것’이라면서 ‘수요와 공급의 병목현상이 발생할 수 있다’라고 전망했다.

주요 칩 제조사 생산 설비 증설…병목현상 완화 기대

반도체 공급 부족이 단기적으로 AI 성장을 제약하겠지만, 병목현상이 오래 가지는 않을 것이란 분석도 나왔다. TSMC, 삼성전자, SK하이닉스를 비롯한 반도체 공급 기업이 생산 능력(CAPA)를 공격적으로 확장하고 있어서다.

Toshiya Hari 분석가는 ‘TSMC의 CoWoS(2개 이상의 반도체 칩을 웨이퍼 상에서 연결해 패키지에 올리는 2.5D 패키지 기술) 생산량이 올해 두 배, 내년에 다시 두 배 증가하며 AI 칩 수요를 충족시킬 것’이라고 예상했다.

지난달 31일 삼성전자는 2분기 실적을 발표하며 ‘AI 서버용 고부가가치 제품 수요에 적극 대응하기 위해 HBM 생산 능력을 확충할 예정’이라고 밝혔다. SK하이닉스는 미국 인디애나 주에 5조 2천억 원을 들여 HBM 생산 공장을 짓고 있다.

Toshiya Hari 분석가는 ‘향후 몇 년은 반도체 병목 현상으로 고통스러울 수 있지만, 결국 반도체 공급은 수요를 따라잡을 것’이라고 내다봤다.