[도민시론┃디지털·첨단바이오] 반도체 이슈-AI 반도체 발전과 예측

▲ 손선영 상지대 전기전자공학과 교수

AI(인공지능)는 스마트 스피커, 챗봇 은행업무 등에 활용되면서 우리 생활에서 뗄 수 없게 되었다. AI 범주에는 동적인 컴퓨터의 빅데이터를 인간처럼 반복 학습시키는 추천 시스템, 주식시장을 예측하는 머신러닝, 그림·텍스트·사운드 및 데이터의 복잡한 패턴 인식으로 인간 두뇌의 복잡한 의사결정 능력의 다층신경망을 알파고 학습과정에 사용한 딥러닝을 포함한다. AI반도체는 인공지능 연산에 최적화된 전용 칩이다. 머신러닝 및 딥러닝 연산에서 CPU와 GPU의 한계를 보완한다. 특히 인공지능의 모델 학습과 추론을 빠르고 효율적으로 수행하기 위해 개발됐다. 최근 많은 대기업과 스타트업들이 AI 반도체 시장에 뛰어들면서 관련 시장이 급격히 발전하고 있다.

2000년대 후반 엔비디아(NVIDIA)가 GPU(그래픽 처리장치)를 AI와 딥러닝에 적용하면서 AI 반도체의 포문을 열었다. 2010년대 중반 CPU와 GPU의 한계를 넘기 위해 대기업들이 전용 AI 칩을 개발하면서 폭발적 성장과 동시에 데이터센터 및 클라우드 서비스가 급성장하기 시작했다. 2020년대에는 엔비디아와 구글이 고성능 칩들을 등장시켰다. 최근 특수 AI 기능을 갖춘 프로세서가 스마트폰, 자율주행, IoT 디바이스에 활용되며 AI 칩 개발 경쟁이 심화하고 있다. 고성능 AI 연산을 지원하는 메모리 기술 중 대표적으로 HBM(고대역폭 메모리)은 GPU 및 AI 가속기에 필수 요소다. SK하이닉스는 HBM 시장의 선점 우위 효과를 가진다. 블룸버그인텔리전스(BI)에 따르면 HBM 주문은 2027년까지 예약되어 올해 16조∼20조원으로 예측했다. 반면 삼성전자는 메모리 칩을 적층해 대용량을 구현하는 TSV(실리콘 관통 비아)를 통해 데이터 전송 속도와 효율을 크게 개선해 AI 성능향상에 기여하고 있다.

현재 글로벌 반도체시장에서 엔비디아는 GPU, SK하이닉스는 HBM3, TSMC는 파운드리(생산)를 거의 독점 생산하며 부동의 삼각동맹을 형성하고 있다. 그러나 최근 블랙웰 생산 차질을 두고 엔비디아와 TSMC간 책임 공방에도 불구하고 당장의 대체재가 없는 상황이다. TSMC는 엔비디아 외에도 애플, 퀄컴 등 고객사들과의 형평성 이슈가 있다. 삼성전자 등에 대한 엔비디아의 GPU 발주 여부에 따른 기업 간 협력 구도 변화에도 관심이 쏠린다. 블랙웰 다음 버전인 루빈에 들어가는 2026년 HBM4 출시부터 시장에 큰 변화가 생긴다. HBM3보다 2배 많은 D램과 기존 수직연결 칩들이 하이브리드 본딩으로 바뀌고 베이스 다이도 고객사 맞춤형 로직칩으로 바뀌면서 핵심 요소인 파운드리 5nm 및 4nm 공정의 생산 협력구도를 지켜봐야 할 것이다.

최근 빅테크 기업들도 칩 제조와 공급망 구축을 크게 재편할 것으로 예상된다. 반도체 제조사들은 기존 파운드리와의 협력을 통해 공급망 다변화와 패키징 혁신을 시도하고 있다. 미국의 고급 반도체 수출 제한이 강화되면서 기업들에게는 기술 자립과 공급망 보호를 위해 소재와 부품의 자체 조달과 고성능 반도체의 고객사 맞춤형 공급이 중요해졌다. 또 반도체-서버-데이터센터 간 빠른 통신을 위해 기존 구리선 대신 실리콘 포토닉스(광반도체)의 고속스위치 광자통신으로 발생하는 요소 기술 변화도 눈여겨 봐야 한다.

강원도 내 지자체·민간기업·지역대학·연구소 협력을 통해 혁신적인 소재 개발 및 통신 네트워크 성능 향상, 저전력·고효율 반도체를 위한 국내외 시장 경쟁력 확보 노력이 필요하다. 또 강원도는 상대적으로 서늘한 기후로 서버 발열 문제를 완화해 냉각비용을 줄일 수 있어 AI 반도체 데이터센터 운영에 있어 장점이다. AI 반도체 데이터센터는 스마트시티의 중요한 역할을 담당, 다양한 분야에서의 데이터 연산 지원 기반을 마련할 것으로 예상하고 있다. 하지만 대규모 전력을 필요로 하는 데이터센터가 특정 지역에 들어서면 여러 긍정적 효과와 함께 전력수요 증가로 인한 정전이나 전력 공급의 불안정성 초래, 냉각 시스템 유지를 위한 물 부족 문제가 발생할 수 있다. 또 자동화 시스템으로 이뤄져 지역에 고용 기회를 충분히 제공하지 못하는 등 실질적 경제적 혜택이 미미할 수 있다. 대형 냉각 시스템과 발전기 등에서 발생하는 소음이 인근에 영향을 줄 수도 있다. 이러한 문제들을 사전에 파악한 후 지역사회의 구체적인 논의가 이뤄져야 한다.

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