[반도체] 그래서 TSMC도 일본에 점점 투자하고 있다… 일본 반도체업계 비원인 '점유율 세계 1위 탈환'을 가능케 하는 초기술

[お持て成し]

그래서 TSMC도 일본에 점점 투자하고 있다… 일본 반도체업계 비원인 '점유율 세계 1위 탈환'을 가능케 하는 초기술 / 8/26(월) / 프레지던트 온라인

■ 새 IC칩 기술 주목된다

현재 전 세계 AI 관련 반도체 시장에서 'CXL(Compute Express Link)'로 불리는 새로운 IC칩 기술에 이목이 집중되고 있다. CXL은 기본적으로 컴퓨터 내 중요한 부품끼리 고속으로 연결하는 기술이다. 향후 AI 분야 발전을 위해 화상처리반도체(GPU)와 광대역폭메모리(HBM)에 더해 필수적인 분야가 될 것으로 보인다.

현재 CXL 관련 연구개발·실용화에서 업계를 선도하고 있는 것은 한국 삼성전자와 같다. CXL은 여러 종류의 반도체나 연산장치를 유연하게 결합해 데이터를 초고속·저지연으로 전송하는 것을 가능하게 한다. 그것은, AI의 트레이닝, 양자 계산 등에 필요하다.

향후의 CXL의 활용으로, 복수의 반도체를 결합해 필요한 기능을 실현하는, "칩렛 생산 방식"의 중요성도 높아질 것이다. 그에 대비해, 세계 최대의 반도체 수탁 제조 기업인 대만 적체전로 제조(TSMC)는"후공정"비즈니스를 중시하기 시작했다고 한다.

■ AI의 과제인 '대량의 전력 소비'를 해결할 수 있다

CXL 관련 기술의 향상은, 일본의 반도체 부재, 제조 장치 메이커의 수익 기회의 증가로 연결될 것이다. 국내에서도 '광반도체'와 CXL 기술을 결합해 AI 분야에서 성장을 목표로 하는 기업이 나오기 시작했다. 국내 관련 기업들이 AI, 반도체 분야의 세계적 경쟁 심화에 대응해 필요한 설비투자를 늘리는 것이 중장기적인 우리 경제 성장에 큰 영향을 줄 것이다.

현재 세계 AI 훈련을 하는 데이터센터용 첨단 칩은 일부 기업의 독주 상태다. 연산 분야에서는, 미국 엔비디아가 설계 개발하는 GPU가 세계의 92% 정도의 점유율을 가진다. GPU 생산은 TSMC가 3나노미터(나노는 10억분의 1)를 최첨단 제조라인에서 수행하고 있다. 반면 AI용 메모리 분야에서는 한국 SK하이닉스의 HBM이 70% 정도의 점유율을 차지하고 있다.

빠르게 수요가 확대된 GPU이지만 전력 소비량이 크다는 과제도 있다. 탈탄소 의식의 고조 속에서 관련 기업은 데이터센터의 전력 소비를 억제할 필요가 있다. 그 과제 해결의 하나로서 "CXL"이 급속히 주목을 받기 시작했다.

■ 초고속 및 저지연으로 데이터를 전송할 수 있다

CXL=Compute Express Link 를 직역하면, "계산(연산) 고속화 링크"이다. CXL은 기본적으로 DRAM을 세로로 쌓음으로써 데이터 전송 속도를 높이고자 한다. CXL을 "차세대 HBM"이라고 부르기도 한다.

CXL은 HBM보다 더 많은 기능을 가진 것도 특징이다. 그 차이 중 하나는, 사용 목적이 다른 칩(연산이나 데이터의 보존이나 쓰기를 실시하는 장치)을, CXL은 유연하게 연결(링크해) 제어하는 것이다.

그 후에 일시적으로 DRAM에 보존한 데이터를, GPU, CPU(중앙 연산 장치)에 고속으로 전송한다(초고속 전송). 전송의 지시로부터 실제로 데이터 송신까지의 시간을 억제한다(저지연). 또, 전송의 전후로, 데이터베이스의 상태가 변하지 않게 관리한다(일관성의 유지).

현시점에서, 그러한 기능을 가진 장치를 CXL라고 부르고 있다. 역사는 비교적 짧다. 2019년 미국 인텔과 한국삼성전자 등 공동사업(컨소시엄)으로 CXL 기술 개발이 시작됐다. 컨소시엄에 참가하는 기업들은 유효성이 높은 칩 제어 시스템(프로토콜)을 개발해 국제 규격으로 만들기 위해 각축을 벌이고 있다.

향후 연구개발 경쟁에 따라 CXL에 새로운 개념, 기능이 부가될 가능성도 있다. AI 분야 성장으로 반도체 관련 기술 향상이 빠르게 진행되는 변화 중 하나라고 할 수 있다.

■ 늦었던 삼성전자가 신경을 곤두세우고 있다

현재, CXL 분야에서 선행하고 있는 것은 한국의 삼성전자로 보여진다. HBM 개발로 삼성전자는 SK하이닉스의 뒷진찰을 받았다. 지난 2013년 SK하이닉스는 세계 최초로 HBM 양산을 시작하며 엔비디아의 요청에 부응했다. 한편, 현재 삼성전자는 엔비디아의 테스트를 클리어하는 것이 어려운 것으로 보인다.

최근 만회를 목표로 삼성전자는 잇달아 CXL 관련 발표를 했다. 6월, 미국 레드햇과 공동으로, CXL을 이용한 서버를 업계 최초로 구축했다고 발표했다. IBM 산하 레드햇은 아마존 등이 제공하는 클라우드 서비스와 기업이 구축한 기존 IT 시스템 병용(하이브리드 클라우드) 소프트웨어 개발에 강점을 지닌다. CXL 기술로 비용을 줄이고 서버 성능을 확장할 가능성은 높아질 것이다.

■ 인텔, 마이크론, 화웨이도 나섰다

지난 7월 설명회에서 삼성전자는 기존 서버에 CXL을 도입하는 장점을 공개했다. 구체적으로는 솔리드스테이트드라이브(SSD, 플래시메모리를 묶어 데이터 용량을 키운 기억장치)의 위치를 바꾸지 않고 메모리 용량을 늘리는 콘셉트도 밝혔다. 이 회사에 따르면 이론상 CXL을 서버에 구현함으로써 무한대로 용량을 확장할 수 있다고 한다.

기존 서버 구축에서는 CPU 등 연산장치 규격에 맞는 메모리 반도체 사양이 필요했다. 그런데 CXL을 사용하면 연산과 메모리 장치 규격 적합성 등 제약 조건은 약해질 것으로 삼성전자는 보고 있다. 그것은 저비용의 데이터 전송이나 연산 스피드 향상을 지지해, AI 등 계산 기술의 향상에 도움이 될 것이다.

삼성전자는 2027년께부터 CXL 수요가 본격적으로 나타날 것으로 예상하고 있다. 2028년의 시장 규모는, 160억달러(1달러=147엔으로 2.3조엔 정도)이 될 것이라는 예측도 있다.

반면, HBM의 시장 규모가 2029년에 80억 달러(1.2조엔 정도)로 예상되고 있는 것을 생각하면, CXL의 성장 기대의 높이를 짐작할 수 있다. 선행이득을 노리고 인텔, SK하이닉스, 미국 마이크론테크놀로지, 화웨이 등도 CXL의 연구개발, 실용화에 나서고 있다.

■ 일본 반도체 산업에도 기회다

7월, TSMC는 회로의 미세화 등의 전공정에 가세해 칩렛 등에 중요한 후공정으로 경쟁력 향상을 목표로 한다고 표명했다. CXL 개발에 수반해, 용도가 다른 반도체를 조합해, 특정의 기능을 발휘하는"칩렛 생산 방식"에 대한 수요가 증가하는 전개를 미룬 전략일 것이다.

기존에 칩 케이스 봉입 등은 대만의 ASE(일월광투자경가) 등이 담당했다. TSMC는 엔비디아등의 고객 기업이나, 일미의 서플라이어와의 관계를 살려, 후공정 분야의 수요를 도입하려고 하고 있다. TSMC 등의 대일 직접투자 증가 관측도 높아지고 있다.

그것은, 일본의 반도체 관련 기업에 있어서 중요한 성장 기회가 될 것이다. 전공정에서 사용되는 반도체 부재나 제조장치에 더해 후공정에 필요한 봉지제, 동선, 연마제나 장치 등 우리나라에는 관련 분야에서 세계적 경쟁력을 가진 기업이 집적돼 있다. 세계적인 CXL 개발의 가속으로, 우리 나라 기업이 가지는 칩끼리의 배선, 적층, 봉지 기술등의 수요는 높아진다.

■ '꿈의 반도체' 실용화되면 '반도체 강국' 부활할 것

일에도 CXL의 실용화에 임하는 기업은 있다. 국내의 통신·전기 메이커는 제휴해 CXL을 이용해 "광반도체"와 CPU, GPU를 결합해, 초고속의 데이터 처리를 가능하게 하는 유닛의 개발을 진행시키고 있다. 광반도체는 전자를 이용한 기존 반도체의 데이터 전송 속도를 다른 차원으로 끌어올리는 꿈의 반도체로도 불린다.

가령 광반도체를 이용한 AI칩을 국내 기업이 실용화하면 그 생산을 라피다스나 TSMC의 국내 공장이 담당해 일본 반도체 산업이 세계 톱 레벨의 경쟁력을 회복할 가능성은 높아질지도 모른다.

향후 미국 노동시장의 완만한 둔화, 미구의 사회분단 등으로 세계 경제의 하방 리스크는 확대될 가능성은 높다. 한편, 삼성전자나 TSMC는 CXL 등의 수요를 끌어들이기 위해, 수요의 확대 기대가 높은 분야에서 설비 투자를 증가시킬 것이다.

우리 나라(일본)의 기업에 있어서 첨단 분야에서의 연구 개발, 제조 기술 향상의 필요성은 높아지고 있다. CXL 등 새로운 반도체 관련 기술 개발을 계기로 중요성이 떨어진 자산 매각 등을 서두르는 기업은 늘어날 것이다. 그것은 중장기적인 우리 경제의 성장에 필수불가결한 요소다.

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마카베 아키오 / 타마 대학 특별 초빙교수
1953년 가나가와현 출생. 히토츠바시 대학 상학부 졸업 후, 제1권업 은행(현 미즈호 은행) 입행. 런던대 경영학부 대학원 졸업 후, 메릴·린치사 뉴욕 본사 출향. 미즈호 총연 주석 연구원, 신슈대 경제학부 교수, 호세이대 대학원 교수 등을 거쳐 2022년부터 현직.
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https://news.yahoo.co.jp/articles/f8f000972c6b739ba8b8ada52c18e71acb9d0802?page=1

だからTSMCも日本にどんどん投資している…日本の半導体業界悲願の「シェア世界一奪還」を可

だからTSMCも日本にどんどん投資している…日本の半導体業界悲願の「シェア世界一奪還」を可能にする超技術
8/26(月) 9:17配信


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プレジデントオンライン
※写真はイメージです - 写真＝iStock.com／da-kuk

■新ICチップ技術に注目が集まる

　現在、世界のAI関連半導体市場で“CXL(Compute Express Link)”と呼ばれる、新しいICチップ技術に注目が集まっている。CXLとは、基本的に、コンピューター内の重要な部品同士を高速で結ぶ技術だ。今後、AI分野の発展のため、画像処理半導体(GPU)と広帯域幅メモリー(HBM)に加え不可欠な分野になるとみられる。

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　現在、CXL関連の研究開発・実用化で、業界をリードしているのは韓国サムスン電子のようだ。CXLは、幾種類かの半導体や演算装置を柔軟に結合し、データを超高速・低遅延で転送することを可能にする。それは、AIのトレーニング、量子計算などに必要だ。

　今後のCXLの活用で、複数の半導体を結合し必要な機能を実現する、“チップレット生産方式”の重要性も高まるだろう。それに備え、世界最大の半導体受託製造企業である台湾積体電路製造(TSMC)は“後工程”ビジネスを重視し始めたという。

■AIの課題である「大量の電力消費」を解決できる

　CXL関連技術の向上は、わが国の半導体部材、製造装置メーカーの収益機会の増加につながるだろう。国内でも、“光半導体”とCXL技術を結合しAI分野で成長を目指す企業が出始めた。国内の関連企業がAI、半導体分野の世界的な競争激化に対応し、必要な設備投資を積み増すことが、中長期的なわが国経済の成長に大きな影響を与えるだろう。

　現在、世界のAIトレーニングを行う、データセンター向け先端チップは一部企業の独り勝ち状態だ。演算分野では、米エヌビディアが設計開発するGPUが世界の92％程度のシェアを持つ。GPUの生産は、TSMCが3ナノメートル(ナノは10億分の1)を最先端の製造ラインで行っている。一方、AI向けのメモリー分野では、韓国SKハイニックスのHBMが70％程度のシェアを獲得している。

　急速に需要が拡大したGPUだが、電力消費量が大きいという課題もある。脱炭素の意識の高まりの中で、関連企業はデータセンターの電力消費を抑制する必要がある。その課題解決の一つとして、“CXL”が急速に注目を集め始めた。

■超高速かつ低遅延でデータを転送できる

　CXL=Compute Express Linkを直訳すると、“計算(演算)高速化リンク”だ。CXLは基本的にDRAMを縦に積み重ねることによって、データの転送速度を高めようとしている。CXLを“次世代HBM”とよぶこともある。

　CXLは、HBMよりも多くの機能を持つことも特徴だ。その違いの一つは、使用目的が異なるチップ(演算やデータの保存や書き出しを行う装置)を、CXLは柔軟につなぎ(リンクし)制御することだ。

　その上で一時的にDRAMに保存したデータを、GPU、CPU(中央演算装置)へ高速に転送する(超高速転送)。転送の指示から実際にデータ送信までの時間を抑える(低遅延)。また、転送の前後で、データベースの状態が変わらないよう管理する(一貫性の保持)。

　現時点で、そうした機能をもつ装置をCXLと呼んでいる。歴史は比較的浅い。2019年、米インテルや韓国サムスン電子などの共同事業(コンソーシアム)として、CXL技術開発は始まった。コンソーシアムに参加する企業は、有効性の高いチップの制御の仕組み(プロトコル)を開発し、国際規格に仕立てようとしのぎを削っている。

　今後の研究開発競争次第で、CXLに新たな概念、機能が付加される可能性もある。AI分野の成長で、半導体関連技術の向上が急速に進む変化の一つといえる。

■後れをとっていたサムスン電子が気を吐いている

　足許、CXL分野で先行しているのは韓国のサムスン電子とみられる。HBM開発で、サムスン電子はSKハイニックスの後塵を拝した。2013年にSKハイニックスは世界で初めてHBMの量産を始め、エヌビディアのリクエストに応えた。一方、現在、サムスン電子はエヌビディアのテストをクリアすることが難しいようだ。

　ここへきて挽回を目指し、サムスン電子は矢継ぎ早にCXL関連の発表を行った。6月、米レッドハットと共同で、CXLを用いたサーバーを業界で初めて構築したと発表した。IBM傘下のレッドハットは、アマゾンなどが提供するクラウド・サービスや、企業が構築した既存のITシステムの併用(ハイブリッド・クラウド)のソフトウェア開発に強みを持つ。CXL技術でコストを抑えて、サーバーの性能を拡張する可能性は高まるだろう。

■インテル、マイクロン、ファーウェイも動き出した

　7月の説明会でサムスン電子は、従来のサーバーにCXLを導入するメリットを公表した。具体的には、ソリッド・ステート・ドライブ(SSD、フラッシュメモリを束ねてデータ容量を大きくした記憶装置)の位置を変えず、メモリーの容量を増やすコンセプトも明らかにした。同社によると、理論上、CXLをサーバーに実装することで、無限大に容量を拡張できるという。

　従来のサーバー構築では、CPUなど演算装置の規格に合うメモリー半導体の仕様が必要だった。ところがCXLを使うと、演算とメモリー装置の規格面の適合性など、制約条件は弱まるとサムスン電子は考えている。それは低コストのデータ転送や演算スピード向上を支え、AIなど計算技術の向上に役立つはずだ。

　サムスン電子は、2027年頃からCXLの需要は本格的に表れると予想している。2028年の市場規模は、160億ドル(1ドル=147円で2.3兆円程度)になるとの予測もある。

　対して、HBMの市場規模が2029年に80億ドル(1.2兆円程度)と予想されていることを考えると、CXLの成長期待の高さが窺われる。先行利得をめざし、インテル、SKハイニックス、米マイクロンテクノロジー、ファーウェイなどもCXLの研究開発、実用化に取り組んでいる。

■日本の半導体産業にとってもチャンスである

　7月、TSMCは回路の微細化などの前工程に加え、チップレットなどに重要な後工程で競争力向上を目指すと表明した。CXL開発に伴い、用途が異なる半導体を組み合わせ、特定の機能を発揮する“チップレット生産方式”に対する需要が増える展開を見越した戦略だろう。

　従来、チップのケース封入などは、台湾のASE(日月光投資控股)などが担った。TSMCはエヌビディアなどの顧客企業や、日米のサプライヤーとの関係を活かし、後工程分野の需要を取り込もうとしている。TSMCなどの対日直接投資積み増しの観測も高まっている。

　それは、わが国の半導体関連企業にとり、重要な成長機会になるはずだ。前工程で使われる半導体の部材や製造装置に加え、後工程に必要な封止剤、動線、研磨剤や装置など、わが国には関連分野で世界的競争力を持つ企業が集積している。世界的なCXL開発の加速で、わが国企業が持つチップ同士の配線、積層、封止技術などの需要は高まる。

■“夢の半導体”が実用化すれば「半導体大国」復活へ

　わが国にもCXLの実用化に取り組む企業はある。国内の通信・電機メーカーは連携してCXLを用いて“光半導体”とCPU、GPUを結合し、超高速のデータ処理を可能にするユニットの開発を進めている。光半導体は、電子を用いた既存の半導体のデータ転送スピードを、別次元に引き上げる“夢の半導体”とも呼ばれる。

　仮に、光半導体を用いたAIチップを国内企業が実用化すれば、その生産をラピダスやTSMCの国内工場が担い、わが国の半導体産業が世界トップレベルの競争力を回復する可能性は高まるかもしれない。

　今後、米国の労働市場の緩やかな鈍化、米欧の社会分断などで世界経済の下方リスクは拡大する可能性は高い。一方、サムスン電子やTSMCはCXLなどの需要を取り込むため、需要の拡大期待の高い分野で設備投資を積み増すだろう。

　わが国の企業にとって先端分野での研究開発、製造技術向上の必要性は高まっている。CXLなど新しい半導体関連技術開発をきっかけに、重要性の低下した資産売却などを急ぐ企業は増えるだろう。それは、中長期的なわが国経済の成長に必要不可欠の要素だ。

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真壁 昭夫（まかべ・あきお）
多摩大学特別招聘教授
1953年神奈川県生まれ。一橋大学商学部卒業後、第一勧業銀行（現みずほ銀行）入行。ロンドン大学経営学部大学院卒業後、メリル・リンチ社ニューヨーク本社出向。みずほ総研主席研究員、信州大学経済学部教授、法政大学院教授などを経て、2022年から現職。
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多摩大学特別招聘教授 真壁 昭夫