[르포] K-반도체, 엔비디아 넘는 고성능·저전력 AI반도체 개발한다

뉴욕 떠나 판교서 창업한 팹리스도…"수백억원 개발비는 부담"
"반도체 생태계 건실히 키우려면 제도·자금 지원 필요"

'인공지능(AI) 시대'를 맞아 AI의 두뇌 역할을 하는 'AI 반도체' 개발에 반도체 기업은 물론 글로벌 빅테크까지 가세한 가운데 한국 기업들도 치열한 개발 경쟁에 나서고 있다.

정부 역시 전체 수출의 20%를 차지하는 반도체 산업의 미래가 'AI 반도체'에 달렸다고 보고 'AI G3'(AI 3대 강국) 도약을 목표로 범정부 차원의 지원을 집중하고 있다.

산업통상자원부 기자단은 지난 17일 국내 AI 반도체 기술을 경험하고 K-반도체의 미래를 전망하기 위해 AI 반도체 개발 현장을 찾았다.

◇ 'AI 반도체 전쟁'…고성능·저전력 칩 개발 경쟁 치열
노트북, 스마트폰, 시계 등 다양한 제품에 사용되는 반도체는 통상 지식재산(IP) 기업의 IP 개발에 이어 팹리스(fabless)로 불리는 반도체 설계 전문회사의 설계, 디자인 설루션 회사의 설계 최적화, 삼성전자 등 파운드리(반도체 위탁생산)의 생산 등을 거쳐 만들어진다.

파운드리에서 생산된 반도체 칩은 다시 성능 스펙을 맞추고 열·충격에도 견딜 수 있도록 OSAT(조립검사) 업체에서 패키징과 테스트 과정을 거친 뒤 최종 제조사인 스마트폰·노트북 회사로 납품된다.

각각의 공정이 모두 고도의 전문성을 요구하는 영역으로, 이런 전 과정을 할 수 있는 종합반도체기업은 삼성전자와 SK하이닉스 등 소수에 불과하다.

이 때문에 각 공정을 맡은 반도체 관련 기업들이 이루는 '반도체 생태계'가 함께 성장하는 것이 중요하다.

AI 반도체는 기존 반도체보다 고효율, 저전력, 대용량 정보를 처리할 수 있는 구조로 설계된 반도체다.

생성형 AI인 챗GPT에 어떤 질문을 던진 경우 챗GPT는 방대한 정보를 짧은 순간에 분석하고 연산을 수행해 답을 내야 하는데, 이 과정을 수행하기 위해서는 기존 반도체보다 연산 속도가 빠르고 다양한 정보를 동시에 처리할 수 있는 능력이 중요하다.

현재 AI 반도체로 사용되는 '그래픽처리장치(GPU) + 고대역폭 메모리(HBM)' 모델은 중앙처리장치(CPU) 기반 모델과 비교해 다양한 정보를 동시에 처리할 수 있어 사용되고 있지만, 글로벌 반도체 기업과 빅테크들은 GPU의 비효율성을 걷어내고 제품별로 특화된 AI 기능에 최적화된 AI 반도체 개발에 매진하고 있다.

◇ 뉴욕 떠나 한국서 창업한 팹리스…"AI 반도체로 엔비디아 넘는다"
기자단이 찾은 경기 성남시 분당의 리벨리온(Rebellions)은 AI 반도체를 설계하는 팹리스 스타트업으로 지난 2020년 9월 설립됐다.

5명의 공동 창업자가 시작한 리벨리온은 구글, 엔비디아, 퀄컴, 삼성전자 등 글로벌 기업 출신 인재들이 모여들어 현재 120명 규모로 성장했다.

리벨리온은 창업 3년 만에 금융 특화 AI 반도체인 '아이온'(ION)과 데이터센터용 AI 반도체 '아톰'(ATOM)을 차례로 출시했고, 지난해 5월 아톰을 KT 클라우드 데이터센터에 상용화하는 등 빠른 속도로 성장하고 있다.

아톰은 GPU를 대체하는 신경망처리장치(NPU)로도 불린다.

기자단은 현장에서 엔비디아 칩과 아톰 칩의 비교 구동 시연을 통해 아톰 NPU의 우수한 성능을 확인할 수 있었다.

아톰은 생성형 AI 프로그램을 통한 그림 생성 명령에 엔비디아 제품보다 더 빠르게 결과물을 내놨다.

이때 전력 사용량은 엔비디아 제품이 최고 326W(와트)까지 올라갔지만, 아톰은 75W에 그쳐 같은 작업을 저전력으로 수행하는 능력도 보였다.

아톰은 별도의 냉각 장치도 필요하지 않다고 했다.

뉴욕에서 창업을 구상하다가 한국에서 스타트업을 시작했다는 오진욱 리벨리온 공동창업자 겸 최고기술책임자(CTO)는 "반도체 설계 관련 우수 인력을 미국보다 한국에서 더 쉽게 찾을 수 있고 정부의 관심과 투자 면에서 유리하다고 봤다"며 "미국에서 창업했다면 성장 속도가 지금처럼 폭발적일 수 있었을지 의문"이라고 말했다.

리벨리온은 현재 IBM과 생성형 AI 데이터센터 분야에서 협력 중이며, 삼성전자와 거대언어모델(LLM)을 겨냥한 차세대 AI 반도체 '리벨'(REBEL) 공동 개발에 나서 내년 하반기 개발 완료를 목표로 하고 있다.

◇ 정부, 팹리스 지원에 팔 걷어…스타트업은 "시제품·개발비용 숙제"
팹리스 지원을 위해 성남시 판교에 구축된 시스템반도체설계지원센터에서는 스타트업들이 AI 반도체와 연관 기술 개발에 한창이었다.

지난 2020년 문을 연 이 센터는 팹리스 14곳에 사무공간을 임대하면서 설계 프로그램 대여, 설계 검증, 계측, 시제품 제작 지원, 투자·마케팅 등을 제공하고 있다.

기자단이 찾은 입주기업 가온칩스는 시스템반도체 디자인 설루션 제공 업체로, 260여명의 직원 가운데 엔지니어가 90%를 차지한다고 했다.

가온칩스 역시 연평균 성장률이 50%에 달하는 등 빠르게 성장하는 기업이다.

정규동 가온칩스 대표는 "올해 1분기 AI 프로젝트 매출 비중이 54%까지 올랐다"며 "AI 반도체의 급격한 성장을 체감하고 있는 중"이라고 했다.

정 대표는 "국내 팹리스들이 체력이 썩 훌륭하지는 않지만, 첨단 칩을 만들기 위해 많이 도전하고 있다"며 "기술은 있지만 개발 여력이 없어 정부의 국책 과제에 의존하는 현실"이라고 말했다.

그러면서 그는 "국내 기업의 경쟁력을 높이기 위해 중국 정부가 중국산 칩을 40% 이상 쓰지 않는 제품의 출하를 막는 것처럼 우리 정부도 비슷한 제도를 도입한다면 반도체 생태계 강화에 도움이 되지 않을까 싶다"고 말했다.

다른 사무공간에 입주한 아티크론의 정한울 대표 역시 자금 지원과 투자 어려움을 토로했다.

아티크론은 AI 반도체와 AI 반도체에 들어가는 최적화된 소프트웨어(SW)를 개발하는 회사로, 작년 초 창업했다.

정 대표는 "개발 이후 시제품을 만드는데 사례별로 다르지만 10억원 안팎의 비용이 발생한다"며 "삼성전자 등 기업과 정부가 팹리스 스타트업을 위해 시제품 제작가를 많이 할인해주고 지원도 해주지만, 여전히 초기 스타트업에는 높은 수준이어서 더 많은 지원이 필요하다"고 말했다.

센터 소개를 맡은 유병두 한국반도체산업협회 팹리스지원실장은 "AI 반도체 칩 개발에 200억∼400억원 정도의 개발 비용이 드는데, 보통 3∼4회 시제품 만들어야 양산 칩을 만들 수 있기 때문에 투자비가 많이 드는 것이 사실"이라며 "센터도 입주기업 여부를 가리지 않고 이 부분을 지원하고 있다"고 소개했다.

◇ AI 반도체 성공 위해 '반도체 생태계' 건실하게 키워야
기자단이 마지막으로 찾은 하나마이크론은 작년 매출 규모가 1조원에 조금 못 미치는 국내 1위 반도체 후공정 업체였다.

충남 아산에 자리 잡은 하나마이크론은 삼성전자와 SK하이닉스 등으로부터 웨이퍼(반도체 제조용 실리콘 판)를 넘겨받아 이를 스마트폰 등 제품에 부착할 수 있는 형태로 패키징·테스트하는 후공정 전문 업체로, 판교에 연구개발(R&D) 센터를 두고 있다.

국내 1위 후공정 업체지만, 장비 국산화율은 30∼40% 수준에 불과했다.

대부분 장비는 소부장(소재·부품·장비) 역량이 강한 일본이나 유럽에서 들여온다고 했다.

다만 최근 관련 국내 업체들이 급속도로 성장하면서 장비의 국산 대체가 빠르게 이뤄지고 있어 몇 년 후 국산화율이 50% 이상 될 것이라고 회사 측은 설명했다.

박진호 하나마이크론 상무는 "팹리스, 파운드리, OSAT 등이 같은 반도체 생태계로 잘 조성돼 있어야 함께 시너지를 낼 수 있다"며 "이런 환경이어야 기업들이 해외로 나가지 않고 국내에 더 많이 투자를 할 수 있다"며 건실한 반도체 생태계 구축 필요성을 강조했다.

하나마이크론 역시 최근 AI 반도체 패키징 기술 개발에 집중하고 있었다.

이동철 하나마이크론 대표는 "국책 과제 R&D를 통해 물리적 검증은 끝난 상태지만, 실제 양산을 위한 제품 성능 검증은 연말쯤 가능할 전망"이라며 "내년부터는 고객 프로모션에 나서고, 팹리스와 협력하는 공급망을 형성할 수 있을 것으로 보고 있다"고 말했다.

/연합뉴스