저자: 안될공학 · 한국인
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엔비디아 GPU 공급난의 원인은 TSMC CoWoS 패키징 병목이다. 실리콘 인터포저는 레티클 한계(약 858mm²)를 넘는 크기가 필요해 웨이퍼당 생산량이 제한되며, 월 생산능력은 약 3.6만 개에서 2025년 말 두 배 확대, 2026년 말 최대 13만 개 목표다. TSMC는 이노룩스 공장 인수와 자이·타이난 신규 패키징 팹 건설로 증설 중이다. 다만 장비 업체에 2026년 납품 일정 재확인을 요청한 기사가 있고, 투자 과잉 시 감가상각 리스크와 트럼프 정책 등 불확실성이 언급된다.
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인트로: 반도체 파운드리 독점과 GPU 공급난
반갑습니다. 안될공학입니다. 반도체 파운드리는 지금 TSMC 일강 체제로 압도적인 독점에 가깝게 나아가고 있습니다. 엔비디아가 AI 인프라를 깔고 있는 GPU, 특히 H100과 B200 같은 제품은 TSMC의 CoWoS 공정 병목 때문에 수요는 많은데 공급이 따라가지 못하는 상황입니다. 이전 유리기판 영상에서도 설명드렸듯이, 이 CoWoS가 왜 이렇게까지 생산하기 어려운지, 그리고 TSMC가 왜 공격적으로 투자하는지 살펴보겠습니다.
현재 CoWoS의 생산 용량은 한 달에 3만 6천 개 수준이라 그 이상으로 뽑아내기가 힘든 상황입니다. 내년 말까지 전체 생산량을 두 배로 늘린다는 얘기가 나오고 있고, 2026년까지 월 생산량을 최대 13만 개로 끌어올린다는 전망도 있습니다.
CoWoS란 무엇인가
CoWoS는 어드밴스드 패키징 기술로, 엔비디아 GPU에 가장 흔히 쓰이는 방식으로 알려져 있습니다. 화면 왼쪽에 보이는 HBM 구조를 보면, 4단 적층 예시에서 DRAM 다이를 수직으로 관통하는 TSV(Through Silicon Via) 공정을 거칩니다. HBM은 SK하이닉스가 만들고, GPU는 엔비디아가 호퍼나 블랙웰 아키텍처를 설계한 뒤 TSMC가 GPU 칩 다이를 제조합니다.
그 아래에는 인터포저가 있어서 위에 올라간 칩들을 넓게 덮으며 서로 연결하는 역할을 합니다. HBM과 GPU를 잇는 신호선, 다이와 패키지 기판을 거쳐 PCB로 전달되는 신호선까지 모두 이 사이에서 연결됩니다. 이 전 과정을 묶어 만드는 기술이 바로 CoWoS입니다.
CoWoS는 Chip on Wafer on Substrate의 약자입니다. 칩을 웨이퍼 위에 올리고, 그 웨이퍼를 다시 기판 위에 얹는 3층 구조를 말합니다. 여기서 병목이 생기는 이유는 바로 웨이퍼 단계에 있습니다.
병목의 원인: 레티클 한계와 인터포저 크기
기판 위에 여러 칩을 배치하는 것도 어렵지만, 칩끼리 연결하는 통로를 만드는 것이 핵심입니다. 현재 레티클 한계 크기는 약 858mm²입니다. 칩 다이를 만들 수 있는 최대 크기가 이 정도인데, 엔비디아 GPU는 거의 800mm² 수준이라 이미 한계에 가깝습니다.
GPU 양옆에는 HBM이 배치되어 있는데, 이들이 서로 통신하려면 858mm²보다 훨씬 큰 범위를 연결할 수 있는 인터포저가 필요합니다. 화면의 회색 부분이 바로 실리콘 인터포저이고, 이 위에서 메모리와 GPU가 신호를 주고받습니다. 결국 칩 다이가 워낙 크기 때문에 이들을 이어 줄 중간 다리가 필요한 셈입니다.
이 개념 자체는 1980년대에 등장했습니다. AT&T와 IBM 같은 곳에서 연구되었던 개념이죠. 엔비디아 칩처럼 발열이 큰 경우에는 열에 의한 휘어짐을 막기 위해 실리콘 인터포저에 배선을 만드는 방식을 씁니다. 그런데 문제는 이 실리콘 인터포저도 칩처럼 크게 만들어야 한다는 점입니다. 웨이퍼는 원형이라 크기가 큰 인터포저를 뽑아낼 수 있는 개수가 많지 않습니다. 이것이 바로 병목입니다.
수율로 보는 면적의 영향
같은 웨이퍼에 같은 결함(디펙트)이 생겼다고 가정해 보겠습니다. 칩 면적이 작으면 결함 하나가 차지하는 비율이 작아서 불량 칩이 적게 나옵니다. 작은 칩의 수율은 94.2%지만, 면적이 넓은 칩은 같은 결함이라도 수율이 35.7%까지 떨어집니다.
실리콘 인터포저는 다이 한계인 858mm²보다 세 배 이상 큰 범위를 씁니다. 그러니 한 웨이퍼에서 나오는 인터포저 개수 자체가 굉장히 적습니다. 2년 뒤에는 한 다이보다 5.5배 큰 인터포저가 필요하다는 예측도 있어서, 웨이퍼 한 장에서 나오는 개수가 더 줄어들 전망입니다. 그래서 유리기판이 주목받는 이유이기도 합니다. 유리기판은 별도 영상에 정리해 두었으니 참고하시면 좋겠습니다.
CoWoS의 종류: S, L, R
CoWoS는 여러 가지로 나뉩니다. - **CoWoS-S**: 실리콘 인터포저를 사용해 HBM과 GPU를 중간층으로 연결하는 방식입니다. 웨이퍼 전공정을 그대로 거쳐 만들기 때문에 병목이 생기고, 지금 늘리고 있는 것이 바로 이 방식입니다. - **CoWoS-R**: R은 재배선층(RDL, Redistribution Layer)을 뜻합니다. 실리콘 대신 더 저렴한 유기물을 써서 비용을 낮춥니다. 다만 인터포저와 기판의 열팽창 계수가 다르면 휘어짐 정도가 달라져 접촉 불량이 생길 수 있습니다. 이번에 블랙웰 GPU에서 결함이 발생했다는 얘기가 나온 것도 바로 이 RDL 인터포저 때문에 칩들이 제대로 접촉하지 못했다는 분석이 나오고 있습니다. - **CoWoS-L**: RDL과 LSI(Local Silicon Interconnect)를 함께 씁니다. LSI는 인텔의 EMIB 같은 기술로, 필요한 부분에만 실리콘을 써서 전체 실리콘 사용량을 줄이는 하이브리드 방식입니다.
TSMC의 투자 확대
TSMC는 CoWoS 용량을 공격적으로 늘려 왔습니다. 다른 공정은 웨이퍼를 충분히 뽑아낼 수 있고, GPU 칩 다이 자체는 병목이 아닙니다. 하지만 이 칩들을 이어 붙이는 CoWoS는 웨이퍼 한 장에서 나오는 개수가 제한되어 있어서, 여기에서 GPU 생산량이 결정되는 구조입니다. 그래서 TSMC는 내년까지 두 배 이상 증설할 계획이고, 그럼에도 GPU 수요가 압도적이어서 공급이 여전히 부족하다는 평가입니다.
TSMC는 대만 남부 타이난에서 이노룩스의 AP4 공장을 인수했습니다. 이 공장을 CoWoS 생산용으로 바꾸겠다는 얘기가 나오고 있습니다. 또한 대만 남북 과학단지에 약 30헥타르 규모의 부지를 추가로 확보해 어드밴스드 서플라이 체인 존이라는 이름을 붙였습니다. 이곳에서는 CoWoS와 SoIC 등 TSMC가 밀고 있는 어드밴스드 패키징 기술을 전용으로 가동할 것으로 보입니다. 여기에 IP 기업, EDA 업체, OSAT 업체, 메모리 업체까지 함께하는 생태계를 구성하겠다는 구상입니다.
자이(Chiayi)에도 새 공장을 짓고 있는데, 여기도 SoIC 기술 확정에 중점을 둡니다. 장비 반입은 2025년 말까지 마무리될 예정이고, 2026년 말쯤 본격적인 생산이 이뤄질 것으로 보입니다.
수요 불확실성과 업계의 조심스러운 움직임
다만 최근 기사 하나를 보면 분위기가 조금 다릅니다. 국내 장비 공급업체들에게 2026년 예정된 장비 수요와 납품 계획을 추가 업데이트가 있을 때까지 잠시 기다려 달라는 얘기가 나왔다고 합니다.
반도체는 사이클이 뚜렷한 산업입니다. TSMC처럼 막대한 돈을 들여 팹을 짓는 회사에게 수요 예측이 빗나가면 설비가 그대로 감가상각 비용으로 쌓입니다. 코로나 직전 메모리 수요를 보고 많이 지었던 국내 메모리 업체들이 나중에 수요가 꺾이면서 큰 타격을 입었던 경험도 있습니다.
지금은 트럼프 행정부가 시작된 상황이라 미국의 정책 방향도 불확실합니다. 그래서 미래 수요를 다시 평가할 때까지 신중하게 가되, 내년까지는 CoWoS 생산 능력을 크게 늘려 수요를 소화하겠다는 방향으로 보입니다. 2026년까지 월 13만 개가 나온다면 상당한 규모입니다.
마무리
CoWoS 캐파는 엔비디아만을 위한 것이 아닙니다. 다양한 기업이 인터포저 형식을 쓸 것이기 때문에 이 설비를 구축하는 것 자체는 큰 문제가 되지 않을 것으로 보입니다. 특히 인텔 등 다른 파운드리 기업들이 이 수요를 충분히 커버하지 못하고 있어서, 대부분의 수요가 TSMC로 몰릴 가능성이 큽니다. 중국과의 갈등, 지정학적 위험이 계속 거론되는 상황에서도 TSMC는 필요한 투자를 이어가고, 다른 국가의 파운드리 투자가 멈춘 지금 TSMC의 독점적 지위는 오히려 더 강해지지 않을까 싶습니다.
안될공학 인스타그램도 소개해 드립니다. 간단하게 볼 수 있도록 정리해서 자주 올리고 있으니 편하게 보시면서 많은 소식 얻어 가시기 바랍니다. 안될공학 굿즈 후드티도 많이 사랑해 주시고요. 지금까지 안될공학이었습니다.
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