단일의 거대한 실리콘 다이로 구성된 "모놀리식 거인" 시대는 수율 한계라는 냉혹한 물리적 요인과 3나노초 미만 리소그래피의 천문학적인 비용으로 인해 결정적인 종말을 맞이하고 있습니다. 반도체 산업이 칩렛이라는 모듈형 시대로 분화됨에 따라 삼성전자는 다른 어떤 경쟁사도 따라올 수 없는 독보적인 전략적 우위를 확보하고 있습니다. 삼성은 업계 유일의 "원스톱 턴키" 솔루션을 통해 파운드리 로직 제조와 글로벌 메모리(HBM) 및 첨단 패키징 분야의 선도적 지위를 완벽하게 융합하여, 팹리스 고객들이 겪는 물류 문제를 해결하는 통합 공급망을 구축합니다. 더 나아가, 삼성은 UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express) 컨소시엄을 적극적으로 이끌면서 단순히 칩을 만드는 데 그치지 않고, 서로 다른 실리콘 블록들이 빛의 속도로 통신할 수 있도록 하는 보편적인 "언어"를 구축하고 있습니다. 이 글에서는 삼성이 모듈성, 통합, 표준화라는 세 가지 요소를 활용하여 AI 반도체 시장의 판도를 어떻게 바꾸고 있는지 분석합니다.
물리적 장벽 극복 조준선 제한과 수율의 경제학
반도체 산업이 칩렛 기술로 나아가고 있는 것은 단순히 구조적 혁신에 대한 열망 때문만이 아니라, "레티클 한계"로 알려진 물리적 제약을 벗어나야 할 절박한 필요성 때문입니다. 삼성전자는 최신 리소그래피 스캐너가 물리적 한계에 직면해 있다는 점을 인지하고 있습니다. 한 번에 노출할 수 있는 최대 면적이 약 858mm²로 고정되어 있기 때문입니다. 하이퍼스케일 AI 가속기에 대한 수요가 증가하면서 트랜지스터 수가 1,000억 개를 훨씬 넘어서고 있는데, 이러한 상황에서 단일 모놀리식 다이는 물리적으로 이 크기 한계에 부딪혀 복잡하고 위험한 웨이퍼 접합 기술 없이는 성능을 향상할 수 없게 되었습니다. 더욱 중요한 것은, 제조의 냉혹한 경제적 원리상 칩의 표면적이 커질수록 실리콘 어딘가에 치명적인 결함이 발생할 확률이 100%에 가까워진다는 점입니다. 삼성전자는 이러한 위험에 대한 중요한 경제적 방어벽으로 칩렛 전략을 채택했습니다. 거대한 프로세서를 더 작고 모듈식인 "타일"로 분할함으로써, 결함이 있는 특정 타일만 폐기하고 나머지 정상 작동하는 시스템은 그대로 사용할 수 있습니다. 이 "수율 수확(Yield Harvesting)" 전략은 트랜지스터당 비용을 획기적으로 낮춰, 삼성전자가 물리적 크기 축소 속도가 불가피하게 둔화하더라도 무어의 법칙에 따른 경제적 타당성을 유지할 수 있도록 해줍니다. 전략적 효율성: 이종 통합 및 선택적 스케일링 수십 년 동안 전 세계 반도체 업계는 비용이나 기술적 필요성과 관계없이 프로세서의 모든 구성 요소(로직, SRAM, 아날로그 및 I/O 포함)를 동시에 동일한 고급 공정 노드로 축소해야 한다는 비효율적인 원칙에 따라 운영됐습니다. 삼성전자는 칩렛 아키텍처를 통해 "하나의 노드로 모든 것을 해결할 수 있다"는 잘못된 생각을 바로잡고 있습니다. 이 아키텍처는 고속 로직 회로는 3nm 또는 2nm로 축소될 때 성능 향상이 매우 크지만, 아날로그 부품 및 I/O 인터페이스는 이러한 미세한 크기에 적용될 경우 성능 향상이 미미하고 오히려 신호 잡음 문제가 발생할 수 있다는 점을 인지하고 있습니다. 삼성전자는 칩렛을 활용하여 "이종 집적화"라는 유연한 제조 방식을 구현합니다. 이 방식에서는 핵심 로직 코어는 최첨단 고비용 공정에서 제작하고, I/O 및 아날로그 블록은 성숙하고 비용 효율적인 14nm 또는 28nm 기존 공정에서 제작합니다. 이러한 기술의 선택적 적용은 삼성전자가 불필요한 부품에 귀중한 리소그래피 자원을 낭비하는 것을 방지합니다. 나아가, 이러한 접근 방식은 설계 프로세스를 경직된 조형물에서 유연한 조립체로 전환하여, 전체 실리콘 구조를 처음부터 다시 설계할 필요 없이 특정 기능 타일만 교체함으로써 다양한 고객 요구에 맞춘 고성능 칩을 신속하게 제작할 수 있도록 합니다. 지연 시간 극복: 다이 간 연결의 진화 칩렛의 도입은 시급한 수율 및 비용 문제를 효과적으로 해결하지만, "상호 연결 페널티"라고 알려진 강력한 새로운 기술적 난관을 제시합니다. 기존의 단일 칩에서는 데이터가 미세한 내부 구리 배선을 통해 이동하는 전자의 초고속으로 코어 간을 이동합니다. 그러나 칩이 여러 개의 조각으로 분할되면 데이터는 조각들 사이의 물리적 간격을 통과해야 하므로 지연 시간 증가 및 전력 소비 증가라는 병목 현상이 발생할 수 있습니다. 삼성전자는 칩 내부 배선의 전기적 특성을 모방하도록 설계된 초단거리 물리 계층(PHY) 인터페이스를 개발함으로써 이러한 문제에 적극적으로 대응하고 있습니다. 이러한 공학적 성과는 "범프 피치" 스케일링의 한계를 뛰어넘어 납땜 연결부 사이의 거리를 20마이크로미터 미만으로 줄이는 것을 목표로 하며, 궁극적으로 구리가 구리에 직접 연결되는 하이브리드 본딩 기술로 업계를 전환하는 데 이바지할 것입니다. 삼성전자의 궁극적인 목표는 물리적인 칩렛 경계를 소프트웨어 계층에 완전히 "투명하게" 만들어, 실제 하드웨어는 고속 데이터 패브릭으로 연결된 여러 개의 실리콘 조각들로 이루어진 모자이크 구조임에도 불구하고 운영 체제가 마치 하나의 거대한 칩에서 실행되는 것처럼 인식하게 하는 것입니다.
물류 혁명과 통합 수익 관리 완벽한 턴키 전략
삼성전자는 기존의 파편화된 공급망에 내재한 비효율성을 완전히 제거하는 전략적 물류 모델인 "토탈 턴키 솔루션"을 도입하여 글로벌 반도체 제조 환경을 적극적으로 재정립하고 있습니다. 일반적인 업계 모델에서 엔비디아나 AMD와 같은 팹리스 고객은 복잡하고 여러 단계를 거치는 과정을 거쳐야 합니다. 대만의 파운드리에서 로직 다이를 제작하고, 한국의 다른 공급업체로부터 고대역폭 메모리(HBM)를 조달한 다음, 이 모든 개별 구성 요소를 제3자 OSAT(외부 반도체 조립 및 테스트) 시설로 보내 조립해야 합니다. 삼성전자는 로직 파운드리, 메모리 제조, 첨단 패키징이라는 세 가지 핵심 단계를 모두 단일 기업 내에 통합함으로써 길고 위험한 이러한 프로세스를 혁신했습니다. 삼성전자는 이러한 운영을 통합함으로써 국경 간 물류에 수반되는 "배송 지연"과 행정적 마찰을 효과적으로 제거하여 전체 생산 리드 타임을 최대 20%까지 단축할 수 있다고 주장합니다. 이러한 기능을 통해 삼성전자는 고객에게 "원팀" 인터페이스를 제공할 수 있으며, AI 서버에 대한 수요가 갑자기 급증할 경우 세 개의 서로 다른 회사 간의 협상을 기다릴 필요 없이 HBM 및 로직 웨이퍼의 생산 일정을 즉시 동기화할 수 있습니다. 즉각적인 물류적 이점 외에도, 이러한 통합 구조는 이종 통합 시대에서 가장 지속적이고 비용이 많이 드는 문제 중 하나인 "책임 전가" 문제를 근본적으로 해결합니다. 이 문제는 복잡한 2.5D 또는 3D 패키지가 최종 테스트 중에 실패할 때 발생합니다. 다양한 공급업체가 참여하는 생태계에서 파운드리는 종종 결함에 대해 메모리 공급업체를 탓하고, 메모리 공급업체는 열 응력 손상에 대해 패키징 업체를 탓하며, 패키징 업체는 웨이퍼 휨에 대해 파운드리를 탓합니다. 삼성전자는 턴키 모델을 통해 "통합 수율 관리 시스템"을 구축함으로써 이러한 구조적 비효율성을 해결합니다. 삼성전자는 트랜지스터 레벨부터 최종 패키지 범프까지 전체 데이터 파이프라인을 소유하고 있기 때문에, 엔지니어들은 최종 제품의 결함이 로직 라인이나 메모리 라인 중 어디에서 발생했는지에 관계없이 특정 리소그래피 공정이나 증착 챔버까지 추적할 수 있습니다. 이러한 포괄적인 가시성을 통해 삼성전자는 패키징 테스트 데이터를 즉각적인 신호로 활용하여 파운드리 레시피를 조정하는 "영역 간 피드백 루프"를 구현할 수 있습니다. 결과적으로 삼성전자는 각기 다른 공급업체들이 자체적인 독점 데이터를 적극적으로 보호하는 분산된 시스템을 통해 얻을 수 있는 것보다 통계적으로 더 높고 안정적인 최종 패키지 수율을 보장할 수 있습니다. 이러한 전략적 통합은 메모리와 로직 간의 경계가 크게 모호해지는 향후 "HBM4 시대"에 정점에 달할 것이며, 이러한 시대에는 통합된 제조업체만이 제공할 수 있는 수준의 시너지가 필요할 것입니다. 이전 세대에서는 HBM "베이스 다이"(하단 제어 레이어)가 기존 공정으로 제작되었지만, HBM4는 복잡한 버퍼 및 제어 기능을 처리하기 위해 이 베이스 다이를 4nm 또는 그와 유사한 고급 로직 노드에서 제작해야 합니다. 삼성전자는 자체 파운드리에서 고성능 로직 베이스 다이를 제조하고 자체 열압착 접합 기술을 사용하여 맞춤형 HBM DRAM 레이어를 그 위에 즉시 적층할 수 있는 유일한 주요 업체이기 때문에 이 분야에서 뚜렷한 우위를 점하고 있습니다. 이러한 독보적인 기능 덕분에 삼성전자는 고객의 독자적인 알고리즘을 가속하도록 기본 다이를 특별히 설계한 "맞춤형 HBM" 솔루션을 제공할 수 있습니다. 삼성전자는 메모리 스택을 기성품 부품이 아닌 로직 프로세서의 맞춤형 확장 기능으로 취급함으로써, 턴키 생태계를 활용하여 경쟁사들이 따라잡기 어려운 수준의 성능 최적화 및 열효율을 제공합니다. 경쟁사들은 기본 다이를 구축하기 위해 외부 파트너십에 의존해야 하기 때문입니다.
표준화된 연결성 UCIe 생태계 주도
반도체 산업은 현재 독점적이고 폐쇄적인 생태계에서 협력적이고 개방적인 표준 시대로의 지각변동을 겪고 있으며, 삼성전자는 UCIe(Universal Chiplet Interconnect Express) 컨소시엄을 주도함으로써 이러한 변화의 최전선에 적극적으로 자리매김하고 있습니다. 역사적으로 서로 다른 실리콘 다이를 연결하는 것은 마치 "바벨탑"과 같았습니다. 모든 제조업체가 자체적인 비밀스럽게 호환되지 않는 인터페이스 프로토콜을 사용했기 때문에 사실상 A사의 CPU와 B사의 AI 가속기를 동일한 패키지 내에 혼합하는 것이 불가능했습니다. 삼성전자는 하이퍼스케일 AI의 미래가 이러한 장벽을 허무는 데 달려 있다는 것을 인식하고 있으며, 그렇기 때문에 UCIe 규격의 표준화에 단순히 참여하는 것을 넘어 적극적으로 주도하고 있습니다. 이 개방형 표준은 "실리콘용 USB" 역할을 하며, 논리, 메모리 또는 아날로그 I/O와 같은 서로 다른 기능 블록이 어느 파운드리에서 제조되었는지에 관계없이 초고속 및 초저지연으로 서로 통신할 수 있도록 하는 범용 언어를 구축합니다. 삼성전자는 이러한 생태계를 육성함으로써 칩렛 시장의 민주화를 목표로 하고 있으며, 팹리스 고객이 한 공급업체로부터 "최고 수준"의 CPU 타일을 구매하고 삼성의 우수한 HBM 컨트롤러 및 RF 타일과 완벽하게 결합하여 단일 IDM의 폐쇄적인 생태계 내에서는 구축이 불가능했던 맞춤형 슈퍼칩을 만들 수 있는 미래를 구상하고 있습니다. UCIe 생태계를 이끌어가는 데 필요한 기술적 전문성은 단순한 행정 지원을 훨씬 뛰어넘습니다. 삼성전자가 이러한 미세한 세계들을 연결하는 실질적인 다리 역할을 하는 "물리 계층"(PHY) IP를 근본적으로 설계해야 하는 것입니다. 삼성의 엔지니어링 팀은 현재 차세대 AI 워크로드에서 UCIe 인터페이스가 병목 현상을 일으키지 않도록 칩 가장자리의 모든 밀리미터를 통해 전송할 수 있는 데이터 대역폭, 즉 "쇼어라인 효율성"을 최적화하는 데 집중하고 있습니다. 이는 기존 PCI Express(PCIe) 및 Compute Express Link(CXL) 프로토콜을 활용하되, "다이 간(Die-to-Die, D2D)" 통신의 단거리, 저전력 환경에 맞게 조정하는 것을 의미합니다. 수 인치에 달하는 거리를 이동하는 데 높은 전압이 필요한 보드 레벨 연결과 달리, 삼성전자는 훨씬 적은 전력을 사용하여 단 몇 마이크로미터 거리에서 데이터를 전송하는 UCIe 회로를 설계하고 있으며, 내부 칩 배선에 필적하는 에너지 효율을 목표로 하고 있습니다. 이러한 개발은 매우 중요합니다. 패키지 내 칩렛 수가 증가함에 따라 칩렛 간 데이터 전송에 소모되는 전력이 급증할 수 있기 때문입니다. 따라서 삼성전자는 전력 소모가 많은 부품들의 조합이 아닌, 통합적이고 에너지 효율적인 전체 시스템으로 작동할 수 있도록 저전력, 고신뢰성 신호 전송 기술 개발을 우선시하고 있습니다. 궁극적으로 삼성전자는 UCIe 표준을 단순한 기술 사양이 아닌, 자사의 고유한 "메모리-로직-파운드리" 시너지 효과를 극대화하는 전략적 비즈니스 플랫폼으로 보고 있습니다. UCIe가 주류 인터페이스로 자리 잡는 세상에서 삼성의 첨단 메모리 솔루션 사용에 대한 진입 장벽은 획기적으로 낮아집니다. 스타트업부터 거대 기술 기업에 이르기까지 전 세계 모든 로직 칩 설계자는 표준 UCIe 포트를 탑재한 프로세서를 설계하여 삼성의 특수 메모리 또는 스토리지 칩렛과 즉시 호환성을 확보할 수 있습니다. 이를 통해 삼성전자는 자사의 고부가가치 IP 블록을 개별적으로 판매할 수 있는 "플러그 앤드 플레이" 시장을 구축하고, 위탁 제조업체에서 모듈형 실리콘 솔루션 제공업체로 변모할 수 있습니다. 이러한 전략은 개별 타일의 품질과 연결 속도에 따라 패키지 전체 성능이 결정되는 "개방형 혁신" 환경을 조성함으로써 폐쇄형 생태계의 지배력을 효과적으로 무력화합니다. 삼성전자는 UCIe 표준화를 주도함으로써 글로벌 반도체 공급망이 유연하고 모듈식 네트워크로 발전하도록 지원하고 있으며, 자사의 방대한 부품 포트폴리오가 고성능 컴퓨팅 설계에 필수적인 중심 허브 역할을 하도록 만들고 있습니다.
