3nm - 미친 강탈

어제 TSMC는 훌륭한 성적표를 내놓았고, 이로 인해 TSMC의 주가는 또 다른 사상 최고치를 경신했습니다.

 

아래 그림에서 볼 수 있듯이 TSMC의 3분기 매출에서 5nm는 회사의 주요 공정이 되어 분기 매출의 32%를 차지했습니다. 아래 그림에서 보시다시피 이러한 상황은 '23년 1분기부터 지속되고 있습니다. 이번 분기에 5나노는 TSMC 매출의 31%를 차지한 반면 7나노는 20%에 불과했다. 지난 분기('22년 4분기)에는 7nm와 5nm의 기여도가 균등하게 일치했습니다.

 

 

그 후 5nm가 회사의 매출 리더였지만 3nm는 조용히 부상하고 있습니다. TSMC는 2022년 3nm FinFET(N3) 공정 기술을 양산에 성공한 이후 이 첨단 공정은 불과 2년 만에 매출의 상당한 부분을 차지했습니다.

 

AI 애플리케이션의 폭발적인 성장으로 주요 칩 제조업체들이 3nm로 서두르면서 치열한 시장 전쟁이 시작되었습니다.

 

Fab 18은 3nm 공정을 위한 TSMC의 주요 생산 기지입니다

(출처: TSMC)

 

7개의 거대 칩이 3nm에 압착되어 있습니다.

 

많은 부문 중에서 Apple의 A 시리즈와 같은 휴대폰 칩은 항상 반도체 공정의 "풍향계"였으며 가장 진보된 공정 노드를 채택하는 데 앞장서 왔습니다. 그러나 인공 지능의 급속한 발전으로 AI 칩도 이 분야에서 등장하기 시작했으며 새로운 "리더"가 되기도 했습니다. 현재 많은 AI 칩 회사가 TSMC의 새로운 3nm 노드를 위한 전투에 거의 합류했습니다.

 

3nm는 양산된 가장 진보된 공정 노드입니다. 2022년 TSMC는 3nm(N3) 공정 기술 양산에 성공하며 업계를 선도했습니다. N3는 5nm(N5) 공정 기술의 뒤를 잇는 또 다른 차세대 공정입니다. N3 공정 기술 이후, TSMC는 더 나은 전력 소비, 성능 및 밀도를 지원할 수 있는 N3E 및 N3P 공정의 향상된 버전을 출시했습니다. 또한 TSMC는 고성능 컴퓨팅 애플리케이션에 맞춤화된 N3X 프로세스와 자동차 고객이 업계에서 가장 앞선 프로세스 기술을 조기에 채택할 수 있도록 하는 N3AE 솔루션을 포함하여 고객의 다양한 요구를 충족하기 위한 광범위한 기술 포트폴리오를 제공합니다.

 

현재 TSMC 3nm 프로젝트 목록에는 iPhone용 Apple A18, Apple M4 및 A19 칩, Qualcomm의 출시 예정인 Snapdragon 8 Gen4 칩, Intel의 새로운 Lunar Lake 및 Arrow Lake CPU, AMD의 새로운 Zen 5 CPU 및 곧 출시될 Instinct MI350 시리즈 AI 가속기, NVIDIA의 차세대 Rubin R100 AI가 포함됩니다 GPU(차세대 HBM4 메모리 탑재 예정), MediaTek의 새로운 Dimensity C-X1(자동차 칩).

 

 

애플은 지난해 A17 프로 칩 이후 3나노 공정을 사용하는 데 앞장서고 있다. 올해 A18과 A18 Pro는 각각 TSMC N3E 및 N3P 프로세스를 사용하여 한 단계 더 나아갑니다. 톈펑 인터내셔널(Tianfeng International) 애널리스트 밍치 쿠오(Ming-Chi Kuo)의 트윗에 따르면 애플의 2025년형 아이폰 17 프로세서 A19 프로 칩은 TSMC의 N3P 공정/3nm 기술을 사용하여 계속 제조될 예정이다. 2026년형 아이폰18 모델의 프로세서는 TSMC의 2nm 기술을 사용할 것으로 예상된다. 그러나 비용 고려 사항으로 인해 모든 새로운 iPhone 18s에 2nm 프로세서가 제공되는 것은 아닙니다.

 

출처: X

 

Apple이 자체 개발한 M 시리즈 컴퓨터 칩 이후 M 시리즈 칩은 A 시리즈 칩과 마찬가지로 첨단 기술을 빠르게 채택했습니다. 지난해 애플의 M3 시리즈는 3나노 공정을 사용하기 시작했다. 차세대 M4 칩은 TSMC의 2세대 3nm 공정을 사용하며 280억 개의 트랜지스터가 탑재될 예정이다.

 

출처 : 애플

 

퀄컴은 애플 다음으로 가장 큰 휴대폰 칩 공급업체다. 퀄컴의 스냅드래곤 8 4세대도 올해 3나노 공정을 사용하기 시작했다. Qualcomm Snapdragon Summit이 다가옴에 따라 Qualcomm Snapdragon 8 Gen 4도 자세한 내용을 발표했습니다. 이는 퀄컴이 자체 개발한 오리온 코어를 탑재한 첫 스마트폰 SoC로, TSMC의 3nm N3E 공정을 사용해 양산될 예정인 것으로 알려졌다. 퀄컴은 이번에 스냅드래곤 8 엘리트(Snapdragon 8 Elite)라는 이름을 지었고, 더 이상 이전의 "4세대 스냅드래곤 8" 명명 방법을 따르지 않았다. 이 칩은 또한 안드로이드 진영의 주력 벤치마크가 될 것입니다.

 

그러나 이 외에도 퀄컴의 주요 경쟁사 중 하나인 미디어텍(MediaTek)은 에너지 효율을 최대 40%까지 향상시키는 TSMC의 2세대 3nm 공정 N3E를 사용하여 미디어텍의 첫 3nm 칩셋인 Dimensity 9400을 출시하는 데 앞장섰습니다. MediaTek은 이것이 최신 Armv5 CPU의 장점을 갖춘 유일한 플래그십 9.2G 스마트폰 칩이라고 말합니다.

 

출처: MediaTek

 

구글의 텐서(Tensor) 시리즈 휴대폰 칩은 지난 4세대에 걸쳐 삼성의 프로세스 파운드리를 사용해 왔지만, 텐서 G5를 시작으로 구글은 TSMC의 3nm 공정과 TSMC의 InFO-POP 패키지를 사용해 TSMC로 눈을 돌릴 예정이다. 텐서 G5는 구글이 최초로 완전히 자체 설계한 휴대전화 칩으로, 이전 4세대 텐서 칩은 삼성의 엑시노스 플랫폼을 기반으로 수정 및 맞춤화됐다. 이것은 삼성 파운드리의 출력 및 전력 효율성 문제로 인해 삼성의 또 다른 중요한 고객을 잃은 것입니다.

 

하지만 스마트폰 시장이 평탄기에 접어들면서 ChatGPT로 대표되는 인공지능 시장이 큰 활력을 보이고 있다는 것이 업계의 공감대가 된 것이다. 엔비디아(NVIDIA), AMD, 인텔(Intel) 등 3대 칩 대기업은 AI 칩의 연구 개발 및 생산에 전념하며 AI 칩 시장의 점유율을 확보하기 위해 노력하고 있습니다.

 

Nvidia의 Rubin AI GPU는 3nm 공정에 있다는 소문이 있지만 Rubin GPU는 2026년까지 사용할 수 없을 것으로 예상되므로 Nvidia는 최신 거대 기업에서 3nm 칩을 출시할 예정입니다. 현재 엔비디아는 블랙웰 GPU를 개발 중이며, 내년에 GPU 공급이 매진된 것으로 알려졌다. Nvidia의 GPU는 실제로 매우 인기가 있으며 장인 정신 측면에서 너무 공격적일 필요가 없다고 말해야 합니다.

 

AMD Instinct GPU 제품군은 AI 시장의 중요한 무기입니다. Instinct는 5nm/6nm 듀얼 노드 칩렛 모드를 사용하고 있지만 AMD가 여러 번 발표한 로드맵으로 판단하면 MI350 시리즈의 경우 3nm로 업그레이드될 예정입니다. 차세대 Instinct MI350 시리즈는 2025년에 출시될 예정입니다. AMD는 Instinct MI350 시리즈가 3nm 공정 노드를 기반으로 하며 최대 288GB의 HBM3E 메모리를 제공하고 FP4/FP6 데이터 유형을 지원할 것이라고 밝혔습니다.

 

 

인텔에 대해 말하자면, 우선 인텔의 AI PC 프로세서 Lunar Lake SoC는 Intel의 Foveros 3D 패키징 기술을 사용하여 3나노미터를 사용했으며, 칩 생산은 TSMC에 외주를 맡기고 있습니다. Lunar Lake 아키텍처는 주로 컴퓨팅 칩과 플랫폼 컨트롤러 칩의 두 가지 구성 요소로 구성됩니다. P 코어 및 E-코어를 포함한 전체 컴퓨팅 블록은 TSMC의 N3B 노드를 기반으로 구축되며, SoC 블록은 TSMC의 N6 노드를 사용하여 제조됩니다.

 

인텔의 다른 3nm 칩은 코드명 팔콘 쇼어스(Falcon Shores)인 개별 GPU이지만 최근 인텔이 직면한 도전 과제로 인해 인텔은 정리 해고, 비용 절감, x86 아키텍처 추론으로의 교육 시장 전환을 포함한 일부 조정을 하고 있는 것으로 보이며, 이는 원래 내년에 출시될 것으로 예상되었던 Falcon Shores에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

MediaTek은 휴대폰 프로세서를 만드는 것 외에도 광대한 AI 시장을 목표로 합니다. 올해 4월 26일, MediaTek은 베이징 오토쇼에서 Dimensity 자동차 플랫폼의 신제품을 출시했으며, Dimensity 자동차 조종석 플랫폼 CT-X1은 3nm 공정을 사용하고 CT-Y1 및 CT-YO는 4nm 공정을 사용하여 지능형 조종석에 엄청난 컴퓨팅 성능 혁신을 가져왔습니다.

 

MediaTek은 또한 MediaTek과 Nvidia가 3nm 공정의 AI PC 칩을 개발하기 위해 협력하고 있다는 보도가 있었기 때문에 AI PC 진입에도 관심이 있습니다. 이 칩은 2025년 하반기에 양산에 도달할 것으로 예상됩니다. 이 칩은 엔비디아의 GPU IP로 구동돼 AI PC에 강력한 그래픽 처리 능력과 AI 컴퓨팅 파워를 제공해 하이엔드 노트북 시장에 진출할 수 있게 됐다.

 

차세대 AI 칩이 3nm를 수용하고 있음을 알 수 있는데, AI 칩이 첨단 공정을 선호하는 이유는 무엇입니까?

컴퓨팅 파워 수요 급증: AI 모델의 복잡성은 계속 증가하고 있으며 칩에 대한 컴퓨팅 파워 요구 사항도 나날이 증가하고 있습니다. 고급 프로세스는 더 높은 트랜지스터 밀도와 더 빠른 컴퓨팅 속도를 제공하여 AI 컴퓨팅에 대한 엄청난 수요를 충족할 수 있습니다.

에너지 효율성이 매우 중요합니다: AI 칩은 빠를 뿐만 아니라 전력 효율도 높아야 합니다. 고급 프로세스는 전력 소비를 낮추고 장치의 배터리 수명을 연장할 수 있으며, 이는 모바일 AI 애플리케이션에 특히 중요합니다.

치열한 시장 경쟁: AI 칩 시장은 경쟁이 매우 치열하며 주요 제조업체가 자체 제품을 출시했습니다. 첨단 기술의 사용은 제품의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 시장 경쟁에서 우위를 점할 수 있습니다.

 

TSMC는 많은 돈을 벌었습니다

 

첨단 3나노미터 칩 분야에서 TSMC는 의심할 여지 없이 자격이 있는 리더입니다. 삼성의 수율 문제와 인텔의 양산 부족으로 인해 TSMC가 이 과정에서 선두를 달리고 있습니다. 2023년 4분기에 TSMC의 3나노 공정을 사용한 Apple 고객은 단 한 곳뿐이었지만 매출은 여전히 TSMC의 전체 매출의 15%를 차지하여 29억 4,300만 달러에 달해 이 첨단 공정의 엄청난 잠재력을 충분히 보여주었습니다.

 

올해 1분기와 2분기에 3나노 공정 노드는 TSMC 전체 매출에서 각각 9%와 15%를 차지했다. 이 중 1분기의 비중이 상대적으로 낮은데, 주로 스마트폰 시장의 계절적 변동에 영향을 받는다. 3분기에 접어들면서 위 차트에서 볼 수 있듯이 3nm는 회사 매출의 20%를 차지했습니다. TSMC 최고재무책임자(CFO) 황런자오(Huang Renzhao)는 "2024년 3분기 실적은 스마트폰 및 AI 관련 애플리케이션을 위한 3나노 및 5나노 기술에 대한 강력한 수요에 힘입은 것"이라며 "이러한 추세는 4분기까지 계속될 것으로 예상된다"고 말했다. 4분기 연결 매출은 261억 달러에서 269억 달러 사이가 될 것으로 예상됩니다.

 

그러나 Electronic Times에 따르면 TSMC는 3nm와 5nm의 두 가지 고급 공정을 통해 첫 3분기에 약 1조 대만달러(310억 달러)의 매출을 올릴 것으로 예상됩니다. TSMC의 2024년 1분기 3분기 매출은 20억258억5000만달러로 2023년 동기 대비 31.9% 증가했다.

 

더 많은 고객이 이 공정을 채택함에 따라 3nm 공정 노드는 TSMC 매출의 상당한 부분을 차지할 것입니다. ICSmart.cn 에 따르면 TSMC의 N3 시리즈 노드(N3B 및 N3E 포함)는 2024년 파운드리 총 매출의 20% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다. 2025년에는 3nm가 TSMC 매출의 30% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다.

 

출처: TSMC

 

AI에 대한 강력한 수요와 Apple 및 Qualcomm과 같은 IC 설계 회사의 소비자 제품 주문을 고려할 때 TSMC의 생산 능력은 여전히 빠듯합니다.

 

공급이 수요를 초과하면 가격 상승 추세가 높아집니다. TSMC는 장기적으로 안정적인 이익 마진을 보장하기 위해 3nm, 5nm 등 첨단 공정의 가격을 8% 인상할 계획인 것으로 알려졌다.

 

앞서 디지타임즈는 TSMC가 최첨단 3나노 칩에 대해 더 높은 가격을 부과할 것이며 3나노는 2만 달러를 초과할 것이라고 지적했다. 이는 또한 차세대 CPU와 GPU가 현재보다 더 비쌀 것임을 의미합니다. 생산 비용의 급격한 상승은 필연적으로 칩 산업의 다운스트림 고객과 소비자에게 전가될 것입니다. Qualcomm의 이전 세대 Snapdragon 8 Gen3 프로세서 칩 자체의 가격은 약 $200이지만 새로운 Snapdragon 8 Gen4 프로세서의 가격은 $250 이상일 수 있으며, 이는 의심할 여지 없이 새로운 플래그십 스마트폰을 더 비싸게 만들 것입니다.

 

 

TSMC는 첨단 제조 공정 외에도 AMD, NVIDIA 및 기타 대형 제조업체의 AI 칩에 대한 수요 때문이라는 소문이 있으며 CoWoS 생산 능력도 주요 문제입니다. '비즈니스 타임스'는 업계 소식통을 인용해 TSMC가 3분기 전에 CoWoS 관련 기계를 추가할 계획이며, 룽탄 AP3 공장, 주난 AP6 공장, 센트럴 사이언스 파크 AP5 공장의 생산 능력을 강화하기 위해 장비 제조업체에 추가 엔지니어를 파견할 것을 요청했다고 지적했다.

 

MoneyDJ 보고서에 인용된 소식통은 이전에 TSMC의 CoWoS 생산 능력이 여전히 부족하며 올해 월 35,000개에서 40,000개 생산 능력을 가지고 있다고 추정했습니다. 아웃소싱 생산 능력이 추가됨에 따라 내년 생산량은 월 65,000개 이상에 달할 수 있으며 어쩌면 더 높을 수도 있습니다.

 

끝에 쓰기

 

일반적으로 7대 칩 거대 기업은 3nm에 밀착하고 있으며, 이는 기술 경쟁일 뿐만 아니라 생산 능력 경쟁이기도 합니다. AI, 5G 및 기타 기술의 지속적인 발전으로 칩 성능에 대한 수요는 나날이 증가할 것입니다. 3nm 공정의 성숙한 적용은 이러한 신흥 기술에 대한 견고한 기본 지원을 제공하고 전체 전자 산업을 새로운 차원으로 촉진할 것입니다. 그러나 기술 발전에는 높은 제조 비용, 수율 문제 등과 같은 문제가 수반됩니다.

 

미래에는 성능, 전력 소비 및 비용의 균형을 맞추는 방법이 칩 제조업체에게 중요한 문제가 될 것입니다. 그러나 TSMC에게는 여전히 좋은 날이 손짓하고 있습니다.

 

닛케이 아시아(Nikkei Asia)는 TSMC 회장 겸 CEO인 웨이 제지아(Wei Zhejia)가 주요 고객이 AI에 대한 수요가 "미쳤다"고 밝혔다고 보도했다. 그는 이것이 시작에 불과하며 이러한 물결은 몇 년 동안 계속될 것으로 예상됩니다. Wei Zhejia는 거의 모든 AI 회사가 TSMC와 협력하고 있기 때문에 산업 전망에 대한 TSMC의 견해는 넓고 깊다고 말할 수 있다고 말했습니다.

 

또한 Wei Zhejia에 따르면 회사의 2nm 고객 문의 정도는 3보다 높으며 A16에 대한 수요도 매우 강합니다.

 

Wei Zhejia는 칩렛 설계에 대한 고속 컴퓨팅(HPC)의 가속화가 2nm의 채택에 영향을 미치지 않을 것이며 현재 2nm에 대한 수요도 3nm보다 높으며 생산 능력은 더 높을 것으로 예상된다고 말했습니다. 최첨단 A16의 경우 수요도 강하고 A16은 AI 서버 애플리케이션에 대한 매력이 강해 TSMC는 고객 수요에 부응하기 위해 관련 생산 능력을 적극적으로 준비하고 있습니다.

 

이어 "회사는 PC와 스마트폰에 대한 미래 수요를 우려하고 있으며, 향후 PC와 스마트폰의 출하량은 한 자릿수 증가할 것으로 예상되지만 실리콘 함량의 성장은 출하량을 초과할 것"이라고 덧붙였다. Wei Zhejia가 말했습니다.