저자: 노근창 · 한국인
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AI 반도체 수요 확대로 첨단 패키징(HBM·2.5D/3D)이 중요해졌고 엔비디아 중심 수요가 강함. 빅테크 자체칩 확대에도 HBM 수요는 오히려 증가해 한국 메모리 기업에 우호적. 메모리 감산 기조로 소부장 실적은 2024년 1분기까지 부진 예상, 주가는 이미 바닥 탈출. 2024년까지 반도체 섹터가 상대적으로 양호할 것으로 전망하며 조정 시 매수 제시.
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AI 반도체란 무엇인가
좋아요. 구독. 최근 글로벌 반도체 업계에서 주목하는 기술력은 산업에서 앞서 나가는 방법이 또 있을 것 같습니다. 최근에는 어떤 산업에 주목하고 있나요? 여전히 지금은 AI 반도체가 제일 중요하고, 그래서 AI 반도체의 정의를 저에게 물어볼 수 있을 것 같아요. AI 반도체, 인공지능 반도체가 도대체 뭐냐. 우리가 일반적으로 아는 반도체는 연산하는 CPU가 있고, 우리나라 기업들이 주로 많이 만드는 저장용 메모리 반도체가 있습니다. AI 반도체는 CPU의 연산을 더 활성화시키고 가속시키는 반도체라고 보셔야 돼요. 대표적으로 GPU 같은 제품이 있고, 그 밖에 맞춤형 가속 반도체인 NPU 같은 제품들이 있습니다.
AI 반도체는 우리가 일반적으로 아는 GPU만 CPU를 가속시키는 것이 아니라, 데이터센터 서버를 가속시키는 것뿐만 아니라 향후에는 자동차에 들어가는 시스템온칩(SoC)을 가속화할 수 있고, 다양한 기기의 카메라 이미지 센서도 가속시킬 수 있습니다. 스마트폰의 애플리케이션 프로세서(AP)도 가속화할 수 있습니다. 휴머노이드 로봇 같은 곳에도 특정 기능을 가속시키는 AI 반도체가 들어가겠죠. 즉, 하드웨어를 가속시키는 AI 반도체의 영역은 무궁무진합니다. 2023년에 주목받은 것은 역시 엔비디아입니다. 엔비디아는 데이터센터 서버의 CPU를 가속시키는 제품으로, 학습과 추론을 가속시켰습니다. 올해는 AI 반도체가 계속 주목받았지만, 저희는 올해 좀 더 주목을 받았다고 평가하고 있습니다.
첨단 패키징의 원리
첨단 패키징은 이렇게 보셔야 될 것 같아요. 제가 준비한 차트도 하나 있는데, 메모리 반도체를 보면 니어 메모리라는 제품이 있습니다. 지금 HBM이라고 보통 분류되는 제품도 CPU, GPU 옆에 붙어 있는 제품인데요. 이런 메모리 반도체와 GPU 같은 제품들을 이종의 반도체끼리 붙이는 것이 기존 패키지와 다릅니다. 3D 패키징을 하거나, 옆에 HBM을 쌓고 옆에 GPU를 붙이는 2.5D 패키징을 하거든요. 보통 2.5D, 3D 패키징을 첨단 패키징이라고 부릅니다.
첨단 패키징의 내용을 자세히 보면, 로직 반도체인 CPU, GPU에 메모리를 옆에 붙이는 것이고, 리어 메모리가 되는 거죠. 특정 경우에는 SRAM이라는 캐시 메모리를 GPU 위에 올릴 수도 있는데, 그러면 3D 패키징이 됩니다. 인텔의 포베로스 같은 3D 패키징은 로직 반도체 위에 로직을 올리는 것입니다. 가장 큰 차이는 수평으로 쌓는 것이 아니라 이종의 반도체를 바짝 붙이는 것입니다. 하나는 TSV로 3D로 쌓여 있고, HBM과 GPU가 따로 붙어 있으면 이것을 2.5D라고 부르고, 로직 반도체 위에 바로 올리는 것을 3D라고 부르는데, 정의하기 다릅니다.
원래는 마더보드에 칩들을 따로 붙여야 했습니다. 메모리 칩, CPU를 따로 붙여야 했는데, 이제는 하나의 패키지 기판 위에 두 개의 칩을 올린 것입니다. 시스템인패키지(SiP)라고 하는 전문 용어인데, 하나의 패키지 기판에 두 개의 칩이 올라가 있는 것이죠. 패키징은 오래전부터 있었지만, 특히 엔비디아 때문에 중요해졌고, 지금은 TSMC가 주로 많이 하고 있습니다. TSMC는 이 제품을 CoWoS라고 부릅니다. Chip on Wafer on Substrate, 웨이퍼 위의 칩을 기판에 올린다는 뜻인데, 반도체 기판 위에 서로 이종의 반도체를 올린다고 이해하시면 될 것 같습니다.
무어의 법칙과 패키징의 필요성
그런 패키징을 하는 이유는 아주 심플합니다. 인텔에서 오랫동안 일했던 무어의 법칙을 들어보셨을 겁니다. 1년에서 2년 단위로 반도체 집적도가 두 배가 되면, 같은 성능의 반도체 가격이 반토막으로 공급되니까, 많은 사람들이 매년 또는 2년에 한 번씩 새 반도체 제품으로 바꾼다는 거죠. 지금까지는 무어의 법칙이 제일 중요했습니다. 무어의 법칙은 반도체 칩의 선폭을 좁히는 것입니다. 같은 칩 사이즈라도 선폭을 좁히면 트랜지스터를 더 많이 집적할 수 있어서 결국 용량이 올라가죠. 이 무어의 법칙을 주도하는 대표 기업이 ASML이라는 노광 장비 회사입니다. 7나노, 5나노, 3나노, 2나노, 1.4나노로 가는 것이 무어의 법칙인데, 무어의 법칙을 하는 이유는 성능을 높이고, 스피드를 높이고, 파워, 즉 전력 사용 효율성을 높이고, 면적도 줄이기 위해서입니다.
그런데 무어의 법칙을 적용해도 옛날처럼 성능이 크게 나오지 않습니다. 나노가 내려갈수록 전력 소모는 약간 개선되고 성능도 조금 개선되는 정도라서, 비싼 장비를 써서 무어의 법칙을 적용하는 것이 투자 대비 효과에 큰 도움이 되지 않습니다. 그래서 CPU 성능만 올라가면 되는 겁니다. 성능이 올라가고 저전력으로 구현되면 되니까 메모리를 옆에 붙여 버리는 것입니다. 고대역 D램 같은 제품을 옆에 붙이면 공정 미세화는 하지 않았지만 성능은 상당히 올라가고, 전력 사용 효율도 상당히 높아집니다. 굳이 돈을 많이 쓰지 않고도 무어의 법칙을 구현하는 셈이죠. 이런 이종 반도체 패키징은 오래전부터 있었습니다. 참고로 TSMC의 CoWoS는 2010년대 초부터 개발됐고, 많은 기업들이 이 공법을 썼습니다. 화웨이 자회사인 하이실리콘, AMD가 인수한 FPGA 회사 자일링스, 브로드컴 같은 기업들도 CoWoS를 많이 썼습니다.
올해 이 기술이 만개한 이유는 엔비디아가 생성형 AI 때문에 제대로 보여줬기 때문입니다. 엔비디아의 데이터센터 GPU 매출은 2020년 1분기 11억 달러였는데, 지난 2분기에는 40억 달러였고, 이번 분기에는 125억 달러가 넘었을 것 같습니다. 시장 점유율 95%인 회사의 매출이 10배 가까이 늘었다는 것을 보고, GPU가 대단하다고만 생각했는데, 자세히 보면 이종의 반도체가 붙어 있는 것입니다. 그래서 첨단 패키징의 중요성을 이번에 한 번 더 느꼈습니다. 많은 반도체 회사들이 무어의 법칙을 적용하기 위해 설비 투자를 많이 해야 했지만, 최근에는 그렇게 하지 않습니다. TSMC는 설비 투자를 기존 계획보다 줄이고 있고, 올해 설비 투자를 작년보다 10% 이상 줄여 300억 달러 미만으로 투자할 것 같습니다. 반면 첨단 패키징 투자는 오히려 늘리고 있습니다. 첨단 패키징 공장 하나를 올초부터 가동했고, 다섯 개 공장이 있고 여섯 번째 공장도 투자하고 있습니다.
인텔은 무어가 직접 일했던 곳인데, 올해 설비 투자를 14% 줄여 200억 달러 정도로 잡았지만, 그중 패키징은 오히려 많이 늘립니다. 인텔 설비 투자의 20% 가까이가 첨단 패키징 관련 말레이시아 공장 투자로 추정되고요. 삼성도 천안 공장 투자를 많이 하고 있습니다. 결국 첨단 패키징은 엔비디아 때문에 중요성이 더 커졌습니다. 반도체에는 일반적인 메인스트림 메모리가 있는데 주로 DRAM과 NAND입니다. 그보다 가까이 붙어 있는 니어 메모리가 고대역 D램, 즉 HBM이고, 이 고대역 D램과 로직 반도체를 옆에 붙이는 것이 첨단 패키징의 대표적인 기술 사례입니다. 물론 첨단 패키징에는 여러 가지가 있어요. 위에 쌓을 수도 있고, 로직과 로직을 더 쌓을 수도 있는데, 결국 웨이퍼를 잘 자르고 커팅하고, TSV 같은 홀을 파고, 접합을 해야 합니다.
보통 우리가 알고 있는 전공정은 반도체에 회로를 패터닝하고, 막을 입히고, 불필요한 포토레지스트를 식각하는 과정입니다. 지금 말씀드린 것은 완전히 다르죠. 웨이퍼에 구멍을 뚫고, 자르고, 붙이는 것이니까 후공정이 지금 첨단 패키징의 가장 큰 수혜를 보고 있다고 보시면 될 것 같습니다. 과거에는 별로 중요하지 않은 일이었는데, 지금은 엄청 더 중요한 일이 되었다고 말씀드릴 수 있습니다.
빅테크 자체 칩 개발과 엔비디아
첨단 패키징에 대한 이해가 센터장님 말씀 덕분에 쏙쏙 되는 것 같습니다. 반도체와 첨단 패키징 산업은 앞으로도 주목해 보시면 좋을 것 같고요. 제가 개인적으로 궁금한 것은, 빅테크가 자체 칩 개발에 굉장히 적극적으로 나서고 있잖아요. 그렇게 되면 엔비디아나 다른 팹리스 기업들의 먼 미래 위치는 어떻게 될까요?
빅테크는 엔비디아 GPU에 대한 의존도를 줄이려고 합니다. 그런데 엔비디아가 시장 점유율 95%이고, 엔비디아의 쿠다 플랫폼에 락인 효과가 굉장히 커요. 그래서 딥러닝 같은 쪽은 엔비디아가 없으면 불편해지고, 결국 그 영역은 엔비디아가 계속 가져갈 것입니다. 하지만 빅테크 입장에서는 맞춤형 칩을 계속 쓸 것 같아요. 엔비디아 솔루션은 기능이 많지만, 자기들이 정말 하고 싶은 기능에 대해서는 효율성이 떨어지거든요. 예를 들어 전력 소모가 많거나, 특정 작업의 처리 속도가 성능상 떨어질 수 있습니다. 큰 칼로 소를 잡는 것과 집에서 쓰는 칼이 다르잖아요. 이 부분만 할 때는 NPU를 만드는 것이 맞습니다. 빅테크는 주로 그렇게 하고 있고요.
그런데 너무 걱정할 것은 없습니다. 우리나라는 메모리 반도체가 중심이니까요. 빅테크가 엔비디아 대신 자체 NPU를 개발하는 것은 비싼 엔비디아 GPU를 적게 쓰려는 것입니다. 엔비디아 GPU는 몇만 달러씩 하니까, 이를 줄이고 맞춤형 NPU를 쓰면 비용을 줄일 수 있죠. 다행스러운 것은 빅테크가 누가 되든 NPU든 GPU든 모두 HBM을 씁니다. 우리가 누가 이기든 HBM을 파는 데는 지장이 없다는 뜻입니다. 오히려 서로 성능 경쟁을 하면 HBM 용량을 더 높일 수 있습니다. 대표적으로 HBM3는 지금 엔비디아의 호퍼 아키텍처 H100에 80GB가 들어갑니다. 내년에 나올 블랙웰 아키텍처 제품에는 HBM3가 탑재되는데, 그것은 8단이 아니라 12단이 들어갑니다. 12단이 들어가면 24GB씩 8개가 들어가 190GB 정도가 되고, 일곱 개가 들어갈 수도 있습니다. 기본적으로 칩의 성능을 더 높여야 하니까, 빅테크가 맞춤형 NPU를 많이 내면 엔비디아도 호퍼 아키텍처에서 더 업그레이드된 제품을 낼 것이고, 그때는 기기당 HBM을 더 많이 쓰게 됩니다. NPU에도 HBM을 탑재하니까, 제가 보기에 우리 HBM 기업들은 아주 좋은 위치에 있습니다. 오히려 서로 성능 경쟁을 하면 HBM을 더 많이 쓰게 되는 거죠.
HBM은 엔비디아 GPU 원가에서 미드 싱글 정도(10% 안팎)밖에 되지 않기 때문에, 빅테크 입장에서도 원가 부담이 크지 않습니다. 그래서 더 많은 HBM을 써서 자기 칩을 엔비디아 이상으로 만들려고 할 것이고, 우리 입장에서는 빅테크들이 서로 경쟁하면 HBM을 많이 팔 수 있는 것입니다. 그래서 오히려 기회가 더 많을 것이라고 보고 있습니다.
증산과 감산, 소부장 실적 전망
앞서 HBM에 대해서도 강조해 주셨는데, 반도체 관련해서 증산해야 하는 부분과 감산해야 하는 부분이 있다면 어떻게 볼 수 있을까요? 기술적으로 보면 HBM은 당연히 증산을 해야 하고 캐파를 증설하고 있습니다. SK하이닉스와 삼성이 웨이퍼 기준으로 월 4만 장 정도를 HBM 캐파로 갖고 있는데, 지금은 두 배에서 2.5배 정도 증설하고 있습니다. 대표적으로 TSMC의 CoWoS 캐파는 HBM이 탑재된 패키징인데, 이 캐파를 월 2만 장 수준에서 내년 4분기에는 8만 장 정도로 증설하니까 세 배 이상 증산하는 것이죠. 그래서 HBM에 맞춰 증설이 당연히 필요할 것 같습니다. 두 번째로 DDR5는 증설이 필요합니다. 기존 DDR4 라인에서 DDR5로 믹스를 바꿔야 하죠. DDR5는 내년 하반기에는 최소한 크로스오버가 나올 것 같아요. 연말부터 나온다는 이야기도 있는데, 크로스오버는 그 제품이 전 제품보다 많아지는 시점을 말합니다. 그래서 DDR5는 감산하지 않고 오히려 웨이퍼 투입 비중을 높이고 있습니다. 반면 감산하는 것은 DDR4와 낸드플래시입니다. 수요가 워낙 안 좋으니까 이쪽은 여전히 감산을 유지하고 있습니다. 그리고 요즘에는 감산을 하더라도 원상태로 되돌리는 데 4개월 이상 걸립니다. 웨이퍼를 투입하고 칩이 나오기까지 4개월 이상 걸리기 때문에, 내년에 원상태로 돌리더라도 내년 상반기까지는 공급 부족 현상이 있을 것 같아요.
그러면 부품 업체도 바닥을 다졌다고 보고 계신가요? 실적으로 보면 바닥에 한계가 있는 것 같고, 주가로서는 이미 바닥을 탈출했다고 봅니다. 왜냐하면 소재와 부품을 비교해 보면, 소재는 감산을 하면 소재 투입량이 줄어듭니다. 웨이퍼 투입량을 30~40% 줄이면 소재 투입량도 30~40% 줄어든 상태입니다. 원상태로 되돌리는 데 4개월 이상 걸린다고 했는데, 연말까지는 감산 기조가 이어질 것 같아요. 그래서 실적은 내년 하반기부터 조금씩 회복될 것 같습니다. 칩 웨이퍼 투입량이 늘어나고, 그 칩을 패키징하면 부품이 되는 거니까요. 소부장 모두 지금 감산 기조에서는 실적이 좋아지기 힘들다고 말씀드릴 수 있습니다. 올해 안에는 전공정 장비가 주로 미세공정과 관련이 있는데, 삼성전자는 설비 투자를 유지한다고 합니다. 최종적으로 장비 기준으로 유지하는지는 지켜봐야 할 것 같고요. 건물과 인프라까지 포함하면 설비 투자는 전년과 비슷할 수도 있지만, 장비 투입량만 보면 감소하지 않을까 개인적으로 추정하고 있습니다. SK하이닉스는 설비 투자를 50% 정도 줄이기 때문에, SK하이닉스 관련 장비 회사들은 올해 실적이 안 좋을 것입니다. 그래서 올해 소부장 실적은 아직 힘들 것 같습니다. 반면 후공정 장비 회사들은 올해 좋을 것입니다. 대부분의 투자가 후공정, 패키징 쪽으로 가기 때문에 그쪽은 좋습니다. 하지만 전공정에 들어가는 장비와 소재, 부품은 2023년, 그리고 2024년 1분기까지는 어려움이 있을 것으로 예상하고 있습니다.
센터장님, 저는 개인적으로 오늘 시간이 굉장히 유익했습니다. 반도체에 대해 한 시간 동안 정말 알차게 공부한 기분이에요. 다행입니다. 시청자분들께 마지막으로 한 말씀 부탁드리겠습니다. 매크로가 불안하고 펀더멘털 없이 주가가 움직이는 경우도 많은데, 우리 반도체 산업은 세계 1, 2위 기업이 있는 이미 검증된 산업입니다. 우리 기술 발전에 반드시 필요한 산업이고, 그 산업이 1년 9개월 동안 너무 고생했습니다. 그래서 제가 보기에 2024년에는 올해보다 삼성, SK하이닉스 모두 실적이 많이 개선될 것입니다. HBM이라는 새로운 니어 메모리가 등장했고, HBM을 탑재하는 수요처가 내년에는 확장될 것이며, 메모리가 노트북, 스마트폰, 자동차로도 앞으로 확장될 것 같습니다. 기술의 방향성도 양호하고 실적도 바닥을 찍었기 때문에, 반도체 섹터의 주가가 계속 오를 수는 없지만, 조정 시 매수한다면 2024년까지는 가장 편안하면서 성과가 좋은 섹터가 되지 않을까 예상하고 있습니다. 좋아요. 구독.
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