[고든 정의 TECH+] 이제는 웨이퍼 한 장에 2만 달러 시대? 치솟는 반도체 비용 위기

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박종익 기자

업데이트 2022-11-26 10:57

입력 2022-11-26 10:57

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최근 대만 디지타임스 등의 보도에 따르면 TSMC의 최신 3nm(N3) 공정 반도체 웨이퍼(wafer)의 가격은 300mm 한 장 기준 2만 달러로 올라갔습니다. 이는 5nm(N5)의 1만 6000달러보다 25% 비싸진 것입니다. 참고로 우리가 사용하는 컴퓨터나 스마트폰의 고성능 프로세서들은 웨이퍼라는 동그란 원판에서 제조된 후 맞는 크기로 잘라 만들어집니다. 자체 생산 시설이 없는 팹리스 업체가 파운드리(위탁생산) 반도체 기업과 계약할 때는 웨이퍼 단위로 계약이 이뤄집니다.

물론 이 내용은 TSMC의 공식 발표가 아닙니다. TSMC를 포함한 파운드리 기업들은 정가를 정해 놓고 웨이퍼를 파는 게 아니라 업체 간의 개별 협상에 의해 가격을 정하기 때문에 계약 수량이니 기간 등 여러 가지 조건에 따라 가격이 달라질 수 있습니다. 주요 고객일수록, 많이 주문할수록 가격이 싸지는 게 당연합니다.

하지만 대략적인 가격이 이 정도 선에서 결정됐다는 이야기는 설득력이 있습니다. 반도체 웨이퍼 가격은 미세 공정을 한 단계 뛰어넘을 때마다 가격도 한 단계 높아지는 게 일반적이기 때문입니다. TSMC는 7nm에서 5nm로 넘어갈 때도 가격을 1만 달러에서 1만 6000달러로 높인 것으로 알려져 있습니다. 10nm에서 7nm로 갈 때는 6000달러에서 1만 달러로 높아졌습니다. 이런 점을 생각하면 2만 달러는 오히려 그렇게 많은 인상 폭이 아닙니다. 단지 상승이 누적되니 이제는 꽤 높은 가격이 된 것입니다.

파운드리 업체들이 공정 미세화에 따라 가격을 크게 높이는 데는 그럴 만한 이유가 있습니다. 우선 최첨단 미세 공정으로 갈수록 반도체 팹 건설에 엄청난 비용이 들어갑니다. 전 세계적으로 7nm 이하의 미세 공정 파운드리가 가능한 기업은 TSMC, 삼성, 인텔 세 군데 밖에 없습니다. 그리고 사실상 TSMC의 점유율이 절반인 과점 구조로 얼마든지 가격을 올려 받을 수 있는 구조입니다. 제조 원가도 높고 제조 가능한 기업도 얼마 안 되니 싸게 팔 이유가 없는 것입니다.

구매하는 기업 입장에서는 웨이퍼당 가격은 계속 오르지만, 반대로 트랜지스터당 가격이나 성능 대비 가격은 오히려 저렴해지기 때문에 고성능 프로세서를 만드는 기업일수록 미세 공정을 선호합니다. 예를 들어 TSMC의 3nm 공정은 5nm 공정보다 1.6배 정도 트랜지스터 밀도가 높습니다. 25% 정도 가격이 상승한다면 오히려 트랜지스터 하나의 가격은 더 저렴해지는 것입니다. 여기에 앞선 미세 공정으로 제품을 만들어야 경쟁자를 이길 수 있다는 점도 비싼 가격에도 최신 미세 공정을 선호하는 배경입니다.

하지만 3nm 공정 웨이퍼 가격이 2만 달러를 돌파하면서 우려 섞인 목소리도 나오고 있습니다. 아무리 성능이 올라가도 가격도 같이 올라간다면 과연 소비자들이 수용할 수 있겠느냐는 질문입니다.

예를 들어 TSMC의 5nm 공정의 개량형인 4nm 공정(N4)의 가격이 5nm와 비슷하다고 할 경우 엔비디아의 최신 AD102 GPU의 웨이퍼 기준 가격은 개당 200달러 미만으로 추정됩니다. 다만 웨이퍼에서 바로 프로세서가 나오는 것은 아니고 복잡한 후처리 및 패키징 과정을 거쳐야 하므로 이 과정에서 가격이 늘어납니다. 여기에 GPU만으로 그래픽카드를 만들 순 없고 메모리, PCB 기판, 쿨러 및 전원부 등 각종 부품이 들어가므로 최종 가격은 훨씬 치솟게 됩니다. 마지막으로 거대해진 GPU를 설계하기 위해서는 많은 고급 두뇌 인력이 필요해지므로 여기서 적지 않은 비용이 발생합니다.

그 결과 AD102 GPU를 사용한 최신 그래픽 카드인 RTX 4090은 출시 가격이 무려 1599달러로 게임용으로 구매하기에는 상당히 부담스러운 수준이 됐습니다. 5nm 공정과 6nm 공정을 혼합해 훨씬 저렴하게 가격을 책정한 경쟁자인 라데온 RX 7900 XTX도 999달러입니다. 각각 트랜지스터 집적도가 763억 개와 580억 개인 점을 생각하면 트랜지스터의 개당 가격은 꽤 낮아졌지만, 트랜지스터 숫자가 폭발적으로 증가한 탓에 결국 전체 가격은 꽤 비싸진 것입니다.

이미 가격이 너무 비싸졌지만, 문제는 미래입니다. 더 높은 성능을 내기 위해서는 결국 더 많은 트랜지스터가 필요합니다. 트랜지스터 밀도를 높이기 위해서는 더 비싼 미세 공정 도입이 필요합니다. 2nm나 그 이하 미세 공정이 도입되고 트랜지스터 집적도가 1000억 개가 넘는 초대형 GPU가 나온다면 과연 얼마나 가격을 높일지 가늠하기 어렵습니다.

사실 이 문제는 갑자기 등장한 것이 아닙니다. 엔비디아가 10년 전 발표한 슬라이드에도 반도체 공정 미세화에 따른 가격 인상 문제를 지적하고 있습니다. 새로운 기술 혁신이 일어나더라도 너무 비싸 대부분의 사람이 사용할 수 없다면 혁신의 의미는 반감되고 속도도 느려질 수밖에 없습니다. 그리고 이 위기는 이제 현실이 되고 있습니다.

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GPU 트랜지스터 집적도가 빠르게 증가하는 만큼 미세 공정 웨이퍼 가격도 같이 올라간다는 2012년 엔비디아의 발표 자료. 출처=엔비디아

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반도체 업계는 이 문제를 극복하기 위해 여러 가지 대안을 마련하고 있습니다. 그중 하나는 여러 개의 반도체 조각을 묶어서 하나의 프로세서를 만드는 칩렛 방식입니다. 최신 미세 공정이 필요 없는 부분에는 저렴한 칩렛을 사용해 가격을 낮추는 것입니다. 프로세서를 메모리처럼 수직으로 쌓는 방법도 생각할 수 있습니다. 캐시 메모리를 프로세서 위에 쌓아 올린 구조는 이미 AMD CPU에서 시도되고 있습니다. GPU에서도 불가능한 일은 아닐 것입니다.

마지막으로 미세 공정 파운드리의 독과점 구조 역시 원인으로 지목될 수 있습니다. 근본적으로 제조 단가가 비싸질 수밖에 없긴 하지만, TSMC의 편중된 구조가 당연히 영향을 미치고 있습니다. 따라서 최근 파운드리 시장에 진출한 인텔이나 3nm 파운드리에서 설욕을 다짐하고 있는 삼성의 행보에 관심이 쏠리고 있습니다. 결국 가격을 낮추기 위해서는 치열한 경쟁 구도가 중요합니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com