저자: 이형수 · 한국인
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삼성·TSMC·인텔의 차세대 후면전력공급(BSPDN, 인텔명 파워비아) 기술 경쟁을 설명. 인텔은 파워비아를 내년 적용, 삼성·TSMC는 2026년 계획이며 인텔이 선공정에서 뒤처져 표준화 경쟁에서 드라이브를 걸려는 것으로 봄. 후공정 수혜 관련주로 CMP 장비·소재 기업을 언급. 짐 켈러의 텐스토렌트 등 RISC-V 생태계 성장과 국내 기업 투자(현대차·삼성·LG 협력) 및 중국 의존 리스크 대응 측면에서 반도체에 긍정적 시각 제시.
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인텔 파워비아와 백사이드 전력 공급 기술
당분간 ARM 아키텍처를 위협할 요인은 크지 않지만, 유일하게 주목할 것은 중국이 메모리 기술을 중국 중심으로만 개발하다가 대안을 찾게 되면서 여러 혁신을 시도하고 있다는 점입니다. 반도체 쪽에서는 인텔의 파워비아(PowerVia) 기술이 차세대 기술로 주목받고 있습니다. 삼성전자와 TSMC도 이 기술 적용 계획을 가지고 있는지 궁금합니다.
지금 최선단 공정에서 가장 중요한 것은 EUV 공정 도입과 트랜지스터 구조의 변화입니다. 기존에는 물고기 지느러미 모양의 핀펫(FinFET) 구조를 썼는데, 삼성이 3나노부터 GAA(Gate-All-Around) 공정을 도입했습니다. 최근 퀄컴이 스냅드래곤 제조를 의뢰했다는 뉴스도 나왔습니다. 그래서 지금은 기술이 매우 중요합니다. 삼성이 3나노 GAA를 제대로 구현하면 선단 공정에서 TSMC를 상대로 판을 뒤집을 수 있기 때문입니다.
다음 단계의 기술이 지금 이야기하는 파워비아입니다. 인텔은 선단 공정에서 상대적으로 뒤처져 있습니다. TSMC와 삼성이 이미 4나노, 3나노까지 왔지만, 인텔은 아직 10나노대에 머물러 있습니다. 인텔 4는 명칭은 4지만 실제로는 7나노급입니다. 이제 7나노에서 넘어가려는 단계인데, 삼성과 TSMC는 3나노로 가고 있습니다. 그래서 인텔이 공정 격차를 만회하기 위해 드라이브를 거는 기술이 바로 파워비아입니다.
파워비아는 BSPDN(Backside Power Delivery Network)과 같은 개념입니다. 인텔이 붙인 이름이 파워비아입니다. 쉽게 말하면, 기존에는 반도체 칩의 윗면에만 회로를 모두 올렸습니다. 트랜지스터, 시그널부, 파워부를 전부 위에 올린 것입니다. 그런데 공정이 미세해질수록 시그널부와 파워부가 너무 복잡하게 얽혀 선단 공정의 걸림돌이 됩니다. 방 안에 전선 케이블이 복잡하게 얽혀 있는 것과 같습니다.
그래서 가장 덜 중요한 파워 배선을 칩의 아랫면에 배치합니다. 칩을 한 면만 쓰던 것에서 양면으로 쓰는 것입니다. 위와 아래를 연결하기 위해 TSV(Through-Silicon Via)를 뚫습니다. 이렇게 하면 회로 면적을 약 15%, 배선 길이를 9% 이상 줄일 수 있습니다. 매우 중요한 기술이며, 인텔은 이를 내년에 적용하려 합니다. 이번 차세대 칩인 레이크(Lake) 계열의 코어 중 하나에 적용했지만 양산품이 아니라 자체 R&D용입니다. 본격 적용은 18A(1.8나노)부터 될 것으로 보입니다.
반면 TSMC와 삼성은 2026년에 계획을 잡고 있습니다. 인텔은 늦었기 때문에 완전히 다른 방식으로 게임의 룰을 바꾸려고 파워비아를 공격적으로 도입하는 것입니다. 이것은 일종의 표준화 싸움입니다. 인텔이 승리하면 삼성도 주의해야 하며, 파워비아 쪽으로 넘어가야 할 수도 있습니다. GAA에도 장점이 있고 파워비아에도 장점이 있지만, 인텔 입장에서는 18A 공정에서 중요한 무기 하나를 확보하는 셈입니다. BSPDN 분야에서는 인텔이 가장 앞서 있는 것은 맞는 것 같습니다.
삼성도 2026년부터, 즉 3년 뒤에 BSPDN을 적용하려 하고 있습니다. 아마 1.8나노 등에 적용될 것으로 보입니다. 혹은 BSPDN을 적용하지 않고 GAA로 승부할 수도 있습니다. GAA를 먼저 적용해 수요를 잡고 안정화된 뒤에 BSPDN을 적용하는 방식입니다. GAA도 어려운데 트랜지스터 구조와 파워 배선까지 동시에 바꾸면 수율이 크게 떨어지기 때문입니다. BSPDN은 손이 많이 가는 기술입니다.
실현 가능성은 있어 보입니다. 학술 세미나와 논문에서도 관련 연구가 활발합니다. 삼성도 BSPDN에 많은 노력을 기울이고 있습니다. GAA도 작년 하반기에 적용됐지만, 관련 논문과 기술 발표는 6~7년 전부터 나왔습니다. 그렇다면 BSPDN 기술이 확산되면 어떤 기업이 수혜를 볼까요?
이 기술은 어드밴스드 패키징과 연관됩니다. 웨이퍼에 구멍을 뚫고, 칩을 얇게 갈고, 구멍에 구리를 채운 뒤 CMP(화학적 기계적 연마) 공정을 거쳐야 합니다. 기존 어드밴스드 패키징에서는 어플라이드 머티리얼즈 같은 해외 기업이 수혜를 보고 있고, 국내 업체들은 실질적 수혜가 아직 적습니다. 하지만 관련주로 엮일 가능성이 높으며, 그 중 하나가 CMP 장비를 하는 KC텍입니다. KC텍은 장비뿐 아니라 소재도 다룹니다. CMP 슬러리는 액체에 알갱이를 섞어 표면을 문질러 깎는 일종의 치약 같은 소재입니다. CMP 슬러리 회사로 솔브레인, 동진쎄미켐이 있는데, 오늘 처음 들었습니다.
ARM 상장과 독점 지위
얼마 전 하이브리드 본딩 관련 이야기가 많았는데, 하이브리드 본딩 수주를 펀드가 25% 보유하고 있습니다. 소프트뱅크와 비전펀드 모두 현금이 부족해서 지분을 팔려고 했지만 쉽지 않았습니다. ARM이 매력이 없어서가 아니라, 독점 사업자이다 보니 전 세계 승인을 받기가 어렵기 때문입니다. 퀄컴도 ARM 인수 계약금까지 냈다가 승인을 받지 못해 계약금을 떼인 적이 있습니다. 소프트뱅크가 나빠서가 아니라 각국 당국이 승인을 해주지 않은 것입니다. 결국 상장으로 선회하게 되어 나스닥 상장이 예상됩니다. 삼성이 지분 일부를 취득할 가능성도 있지만 지켜봐야 합니다.
ARM의 독점적 지위는 상장 이후에도 유지될 수 있을까요? 저전력 설계 칩은 ARM 아키텍처를 쓰지 않을 수 없습니다. 미국이 ARM을 압박해 중국에 아키텍처 제공을 막은 적이 있었습니다. 그러자 ARM 중국 지사가 반란을 일으켰고, 이는 중국 정부의 사주로 벌어진 사건이었습니다. 그 결과 미국의 보복으로 선단 공정 관련 제재가 이어졌습니다. 그만큼 ARM은 중요합니다. 당분간 ARM 아키텍처를 위협할 요인은 없지만, 유일한 위협은 RISC-V입니다.
RISC-V는 SiFive가 주도하는 일종의 리눅스 같은 오픈 플랫폼입니다. ARM 아키텍처를 대체할 수 있는 기술로, 오픈소스처럼 사용됩니다. SK하이닉스가 SiFive 지분을 약 9% 보유하고 있습니다. 중국도 RISC-V에 큰 관심을 보이고 있습니다. 무역 제재를 겪었기 때문에 RISC-V로 전환하려는 의지가 강합니다. 또한 반도체 설계 분야의 최고 권위자인 짐 켈러(Jim Keller)가 RISC-V를 밀고 있습니다. 그는 텐스토렌트(Tenstorrent)의 CEO이며, 애플 A 시리즈 칩, AMD 젠(Zen) 아키텍처와 멀티코어 개념, 테슬라 풀셀프 드라이빙 칩, 인텔의 사파이어 래피즈와 레이크 설계를 이끈 인물입니다. 그가 참여하면 혁신적인 반도체가 쏟아져 나옵니다.
엔지니어들은 독점을 싫어하는 경향이 있어, 짐 켈러는 RISC-V에 적극적입니다. 최근 그는 국내 기업들과 긴밀히 협력하고 있습니다. 삼성도 그를 영입하려고 공을 많이 들였고, 전 세계 테크 기업들이 그를 영입하려 경쟁합니다. 애플, 테슬라, 인텔을 2~3년씩 오가며 일하기도 했습니다.
흥미롭게도 SiFive의 공동 창업자 중에 한국인이 있습니다. 삼성의 디자인 솔루션 파트너인 세미파이브(Semifive)의 대표가 SiFive 창립 멤버일 것으로 보입니다. RISC-V로 칩 설계 수요가 늘어나면 국내 기업들도 수혜를 볼 수 있습니다. 현재 설계 분야에서 국내 기업의 점유율은 2%도 안 되어 참혹한 수준입니다. ARM은 저전력 반도체 분야에서 여전히 유망합니다. AI 서버와 PC는 x86 아키텍처를 쓰지만, 배터리로 동작하는 모든 기기, 즉 스마트폰, 자율주행차 등은 ARM을 씁니다. 여기에 ARM 기술 지분을 상당 부분 보유한 SK하이닉스 같은 기업에도 투자 기회가 있을 수 있습니다.
짐 켈러의 텐스토렌트는 최근 1억 달러 펀딩을 받았는데, 그중 약 70%가 국내 기업에서 나왔습니다. 현대차그룹이 5천만 달러를 투자했고, 현대차 3천만 달러, 기아 2천만 달러입니다. 삼성은 텐스토렌트 칩을 삼성 파운드리에서 생산하기로 했고, LG도 협력을 진행 중입니다. LG의 차세대 AI 반도체 알파텐(Alpha Ten)에 텐스토렌트 기술이 상당 부분 들어갈 것으로 보입니다.
우리나라 경제에 대해 비관적인 시각이 많지만, 결국 시간이 지나고 보니 이만큼 발전해 선진국 반열에 올랐습니다. 한 단계 한 단계 의미 있게 밟아 온 것입니다. 반도체 역시 긍정적으로 볼 수 있습니다. 메모리 반도체의 60%를 중국에 의존하고 있어서 중국이 막히면 큰일이라고들 하지만, 과거 한한령 때 한국 미디어 콘텐츠가 큰일 났다고 했는데 중국이 막히자 오히려 전 세계 K-POP이 되었습니다. 반도체도 짐 켈러와 빠르게 협력하는 것을 보면 우리 기업들의 대응력이 빠르니, 오히려 전화위복이 될 수 있습니다.
중국 시장에 집중했던 것이 막히면서 서양, 중동 등 다른 시장으로 눈을 돌렸고, 거기서 터졌다는 말씀이 있었습니다. 내수(캡티브) 시장이 크면 장점도 있지만 단점도 있습니다. 중국에 맞춰 만든 한국 콘텐츠는 퀄리티가 떨어졌습니다. 중국은 변호인이나 택시운전사 같은 사회적 이슈를 다룰 수 없었고, 로맨틱 코미디만 주로 나왔습니다. 중국인이 좋아하는 스타만 쓰다 보니 작품이 그저 그랬습니다. 하지만 전 세계 시장으로 나가려다 보니 소재와 주제가 다양해지고, 개성 있는 배우를 쓰게 됐습니다. 반도체도 마찬가지입니다. 중국에만 맞춰 기술을 개발하다가 대안을 찾아야 하니 여러 혁신을 시도하게 되는 것입니다.
몇 년 전까지만 해도 한국 드라마와 영화가 별로라고 느꼈지만, 요즘 넷플릭스와 디즈니 등에서 보는 한국 작품은 너무 재밌어서 손을 놓을 수 없습니다. 이것이 파괴적 혁신입니다. 헤르만 헤세의 『데미안』에 "새는 알을 깨고 나와야 한다. 하나의 세계를 만나기 위해서는 하나의 세계를 깨뜨려야 한다"는 구절이 있습니다. 그 열매가 어떻게 맺힐지 기대됩니다.
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