미세공정 시대에서 시스템 시대로...데이터센터 전력 한계가 바꾼 AI 반도체 경쟁

인공지능(AI) 반도체 산업의 글로벌 경쟁 구도가 빠르게 바뀌고 있다. 불과 얼마 전까지만 해도 국내외 AI 반도체 기업들 간 경쟁 구도의 핵심은 누가 더 미세한 공정을 먼저 구현하느냐는 것이었다. 그러나 복수의 미 반도체·AI 전문 매체들은 근래 인공지능 수요가 폭발적으로 늘어나면서, 데이터센터가 감당할 수 있는 전력과 열의 한계가 분명해짐에 따라 이 제약이 AI 반도체 산업의 중심을 옮겨 놓고 있다는 분석을 내놓고 있다. 이제 경쟁의 무대는 개별 칩이 아니라 시스템 전체로 확장되고 있다는 것이다.

AI 반도체는 갈수록 더 많은 전력을 소비한다. 공정을 제아무리 미세화한다 해도 전력 소모와 발열 문제는 쉽게 해결되지 않는다. 오히려 성능이 높아질수록 데이터센터가 공급할 수 있는 전력과 냉각 능력이 병목으로 작용하는 상황이 늘고 있다. 이로 인해 더 작은 공정을 먼저 구현하는 것만으로는 경쟁력을 확보하기 어려워졌다. 이 때문에 국내외 반도체 기업들은 칩을 만드는 기술뿐 아니라, 그 칩이 실제로 돌아갈 수 있는 환경까지 함께 고민해야 하는 단계에 들어섰다는 것이 미 반도체·AI 전문 매체들의 진단이다.


전력 한계가 분명해지면서 메모리와 패키징의 중요성은 급격히 커지고 있다. AI 연산에서는 고대역폭 메모리(HBM)가 필수인데, 이 메모리를 어떻게 가까이 붙이고 효율적으로 연결하고, 식히느냐가 성능과 전력 효율을 동시에 좌우하는 시대가 된 것이다. 요컨대 첨단 패키징 기술은 이제 부수적인 공정이 아니라, AI 반도체 성능의 핵심 요소가 됐다는 얘기다. 미세공정 경쟁이 속도 싸움이었다면, 패키징과 HBM 경쟁은 구조 싸움에 가깝다고 할 수 있다고 미 반도체·AI 전문 매체들은 지적한다.

과거에는 데이터센터의 전력과 냉각은 인프라 담당자의 영역으로 여겨졌다. 그러나 지금은 AI 반도체 설계 단계부터 냉각 방식과 전력 공급 구조가 함께 논의되고 있다. 공기 냉각으로는 한계가 분명해지면서 액체 냉각 같은 방식이 빠르게 확산되고 있고, 전력 손실을 줄이기 위한 새로운 전원 구조도 도입되고 있다. 반도체 기업들은 이제 칩의 성능을 설명할 때, 어떤 전력 환경에서 어떤 냉각 조건을 전제로 하는지도 함께 제시하고 있다.


이 같은 변화는 AI 반도체 산업의 경쟁 단위를 바꾸고 있다. 더 이상 칩 하나의 성능만으로 승부가 나지 않는다. 고성능 연산, 메모리 구성, 패키징, 냉각, 전력 공급까지 모두 맞물려야 실제 성능이 나온다. 일부 기업들은 아예 서버나 랙 단위로 제품을 제안하며, 데이터센터 전체를 하나의 설계 대상으로 보고 있다. 이는 AI 반도체 경쟁이 제조 기술 중심의 싸움에서, 시스템을 얼마나 효율적으로 구성하느냐의 싸움으로 이동하고 있음을 보여준다.

데이터센터 전력 한계는 AI 반도체 산업에 위기이자 전환점이다. 미세공정 단독 경쟁의 시대는 저물고, HBM과 패키징, 냉각과 전력 인프라를 함께 묶는 통합 경쟁이 새로운 기준으로 자리 잡고 있다. 이 때문에 앞으로의 승부는 누가 더 빠른 칩을 만드느냐가 아니라, 누가 더 잘 돌아가는 시스템을 설계하느냐에 달려 있다는 것이 미 반도체·AI 전문 매체들의 결론이다.

이교관 글로벌이코노믹 기자 yijion@g-enews.com