팹리스란 무엇일까?

공장 없이 반도체를 만드는 NVIDIA

반도체 회사라고 하면 보통 거대한 공장을 먼저 떠올립니다.

깨끗한 방 안에서 직원들이 방진복을 입고 있고,

커다란 웨이퍼가 자동으로 이동하며,

수많은 장비가 반도체를 만드는 모습을 생각하기 쉽습니다.

그런데 놀랍게도 세계적인 반도체 회사 중에는 자신의 최첨단 반도체 생산공장을 직접 운영하지 않는 회사도 있습니다.

대표적인 예가 NVIDIA입니다.

NVIDIA는 GPU를 설계하는 세계적인 반도체 기업이지만, 최첨단 GPU를 직접 자기 공장에서 만드는 방식이 아니라 다른 전문 제조기업에 생산을 맡깁니다.

이런 회사를 팹리스(Fabless)​라고 합니다.

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팹리스를 한 문장으로 설명하면?

팹리스는

반도체를 직접 설계하지만, 대형 반도체 생산공장은 직접 운영하지 않는 회사

입니다.

영어로는

Fabless Semiconductor Company

라고 합니다.

여기서 Fab은 반도체 공장을 뜻하는 Fabrication Facility에서 나온 말입니다.

쉽게 말하면

Fab + less

즉,

공장이 없는 반도체 회사

라는 뜻입니다.

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그런데 공장이 없는데 어떻게 반도체 회사일까?

이 질문이 가장 중요합니다.

우리는 반도체를 실제로 만들어야 제품이 된다고 배웠습니다.

그렇다면 공장이 없는 회사가 어떻게 반도체를 만들 수 있을까요?

답은 간단합니다.

설계와 생산을 서로 다른 회사가 나누어 맡기 때문입니다.

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건축가와 건설회사로 생각해보자

새로운 초고층 건물을 만든다고 생각해보겠습니다.

먼저 건축가가 건물의 설계도를 만듭니다.

어디에 방을 만들지,

엘리베이터는 몇 개 넣을지,

전기선은 어디로 지나갈지,

기둥은 어디에 세울지

정합니다.

하지만 건축가가 직접 굴착기를 운전하고 벽돌을 쌓을 필요는 없습니다.

실제 건설은 건설회사에 맡길 수 있습니다.

반도체도 같습니다.

팹리스

→ 반도체를 설계합니다.

파운드리

→ 설계된 반도체를 실제 웨이퍼 위에 만듭니다.

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NVIDIA를 예로 들어보자

NVIDIA가 새로운 AI용 GPU를 만든다고 생각해보겠습니다.

NVIDIA의 엔지니어들은 먼저 반도체를 설계합니다.

예를 들어

어떤 계산 장치를 넣을지,

계산 장치를 몇 개 배치할지,

데이터가 어떤 길로 이동할지,

메모리와 어떻게 연결할지,

전력을 어떻게 사용할지

등을 결정합니다.

이런 설계가 완성되면 실제 반도체를 생산할 수 있는 제조기업에 생산을 맡깁니다.

즉 NVIDIA의 중요한 경쟁력은 거대한 생산공장 자체보다 GPU를 어떻게 설계하는가에 있습니다.

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반도체 설계가 그렇게 어려울까?

매우 어렵습니다.

현대의 고성능 반도체에는 수십억 개 이상의 트랜지스터가 들어갈 수 있습니다.

이 수많은 트랜지스터를 아무렇게나 연결한다고 좋은 GPU가 되는 것은 아닙니다.

모든 회로가 정확하게 움직여야 합니다.

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도시를 설계한다고 생각해보자

수천만 명이 사는 거대한 도시를 만든다고 생각해보겠습니다.

집만 많이 지으면 좋은 도시가 될까요?

그렇지 않습니다.

도로도 필요하고,

지하철도 필요하고,

학교도 필요하며,

전기와 수도도 공급해야 합니다.

도로를 잘못 만들면 교통체증이 생깁니다.

반도체도 비슷합니다.

트랜지스터가 아무리 많아도 신호가 효율적으로 이동하지 못하면 좋은 성능을 내기 어렵습니다.

그래서 반도체 설계 자체가 엄청난 기술입니다.

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팹리스는 무엇을 설계할까?

팹리스라고 해서 모두 GPU를 만드는 것은 아닙니다.

회사가 잘하는 분야에 따라 다양한 반도체를 설계합니다.

예를 들어

GPU

그래픽과 AI 계산을 처리합니다.

스마트폰용 프로세서

스마트폰의 여러 기능을 처리합니다.

통신 반도체

휴대전화와 인터넷 통신을 담당합니다.

자동차용 반도체

자동차의 여러 기능을 제어합니다.

AI 가속기

AI 계산을 전문적으로 수행합니다.

즉 팹리스는 특정 목적에 가장 잘 맞는 반도체를 설계하는 회사입니다.

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대표적인 팹리스 회사

반도체 산업에서 잘 알려진 팹리스 회사로는

NVIDIA,

AMD,

Qualcomm

등이 있습니다.

회사마다 잘하는 분야는 다릅니다.

NVIDIA는 GPU와 AI 컴퓨팅 분야로 유명합니다.

AMD는 CPU와 GPU를 설계합니다.

Qualcomm은 스마트폰과 통신 관련 반도체에서 잘 알려져 있습니다.

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그렇다면 Apple도 반도체 회사일까?

Apple은 주로 스마트폰과 컴퓨터를 만드는 회사로 알려져 있습니다.

하지만 자신이 사용하는 여러 핵심 반도체도 직접 설계합니다.

예를 들어 iPhone과 Mac에 들어가는 자체 칩을 설계합니다.

그리고 실제 생산은 전문 파운드리 회사에 맡깁니다.

이런 구조를 보면 현대의 전자제품 회사와 반도체 설계회사의 경계가 과거보다 복잡해지고 있다는 것도 알 수 있습니다.

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왜 반도체 공장을 직접 만들지 않을까?

여기서 중요한 질문입니다.

“돈을 많이 버는 회사라면 자기 공장을 만들면 더 좋지 않을까?”

꼭 그렇지는 않습니다.

반도체 공장을 직접 운영하는 것은 엄청나게 어려운 일입니다.

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반도체 공장은 매우 비싸다

첨단 반도체 공장을 만들려면

건물,

클린룸,

EUV 장비,

식각장비,

증착장비,

검사장비,

초순수,

전기,

냉각시설

등이 필요합니다.

한두 대의 장비만 사면 되는 것이 아닙니다.

수많은 초정밀 장비가 필요합니다.

그래서 최첨단 반도체 공장을 만들고 운영하는 데는 막대한 돈이 들어갑니다.

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공장을 한 번 지으면 끝일까?

아닙니다.

반도체 기술은 계속 발전합니다.

5나노에서 3나노,

3나노에서 2나노처럼

새로운 공정 기술이 등장합니다.

그러면 새로운 장비와 기술에 계속 투자해야 합니다.

즉 반도체 공장은 한 번 큰돈을 쓰고 끝나는 사업이 아니라 계속해서 엄청난 투자가 필요한 사업입니다.

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팹리스는 대신 설계에 집중한다

팹리스는 이런 제조설비에 직접 거액을 투자하는 대신

제품 설계,

소프트웨어,

연구개발,

새로운 반도체 구조

등에 집중할 수 있습니다.

식당으로 비유하면

주방 건물을 직접 짓고 운영하기보다

“우리는 최고의 메뉴와 레시피를 만드는 데 집중하자.”

라는 전략입니다.

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공장이 없는 것이 무조건 장점일까?

그렇지는 않습니다.

팹리스에도 단점이 있습니다.

가장 큰 문제는 생산을 다른 회사에 의존해야 한다는 것입니다.

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파운드리가 생산을 못 해준다면?

어떤 팹리스 회사가 아주 좋은 반도체를 설계했다고 생각해보겠습니다.

그런데 제조를 맡길 파운드리 회사의 공장이 모두 가득 찼습니다.

그러면 필요한 만큼 반도체를 생산하지 못할 수 있습니다.

즉 설계를 잘해도 생산능력을 확보하지 못하면 제품을 많이 팔 수 없습니다.

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좋은 공정을 확보하는 것도 경쟁이다

고성능 반도체일수록 최신 공정이 중요할 수 있습니다.

그런데 세계에서 최첨단 공정을 안정적으로 제공할 수 있는 파운드리는 많지 않습니다.

그래서 팹리스 회사들은

어느 파운드리에 생산을 맡길지,

얼마나 많은 생산량을 확보할지,

어떤 공정을 사용할지

중요하게 결정해야 합니다.

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식당 예약으로 생각해보자

세계 최고의 요리 공장이 하나 있다고 생각해보겠습니다.

그런데 수많은 음식회사가 모두 그 공장을 이용하고 싶어 합니다.

공장이 하루에 만들 수 있는 양은 제한되어 있습니다.

그러면 누가 언제 얼마나 생산할 수 있는지가 중요해집니다.

반도체 파운드리도 비슷합니다.

특히 AI 반도체 수요가 빠르게 늘어나는 시기에는 첨단 생산능력이 매우 중요해질 수 있습니다.

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팹리스가 파운드리를 바꾸면 쉽게 생산할 수 있을까?

이것도 생각보다 쉽지 않습니다.

반도체 설계는 사용하는 제조공정과 연결되어 있습니다.

A 회사의 공정에 맞춰 설계한 칩을 B 회사로 가져가서 그대로 생산한다고 항상 되는 것은 아닙니다.

회로 설계 규칙과 사용할 수 있는 기술 등이 다를 수 있기 때문입니다.

그래서 생산 파트너를 바꾸려면 설계를 수정하고 다시 검증해야 할 수도 있습니다.

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팹리스와 파운드리는 함께 개발한다

그래서 팹리스와 파운드리는 단순히

“파일 보낼 테니 만들어주세요.”

라는 관계가 아닙니다.

좋은 반도체를 만들기 위해 서로 긴밀하게 협력합니다.

팹리스는

“이런 기능과 성능이 필요합니다.”

라고 요구합니다.

파운드리는

“우리 공정에서는 이런 방식으로 설계하면 좋습니다.”

라고 알려줍니다.

이런 협력이 반복됩니다.

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반도체 설계에는 EDA가 필요하다

앞에서 EDA라는 말을 배웠습니다.

EDA는 반도체를 설계할 때 사용하는 전문 소프트웨어입니다.

현대 반도체에는 트랜지스터가 너무 많아서 사람이 하나씩 직접 배치할 수 없습니다.

그래서 팹리스는 EDA 프로그램을 이용해

회로를 설계하고,

트랜지스터를 배치하고,

전기 신호를 검사하고,

오류를 찾습니다.

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설계가 끝났다고 바로 생산할 수 있을까?

아직 아닙니다.

설계가 실제 공장에서 제조 가능한지 확인해야 합니다.

예를 들어

회로 사이가 너무 가까운지,

전기 신호가 너무 늦게 도착하지 않는지,

전력이 너무 많이 사용되지 않는지,

열이 너무 많이 발생하지 않는지

등을 검증해야 합니다.

반도체 설계는 단순히 그림을 그리는 작업이 아니라 수많은 조건을 동시에 맞추는 작업입니다.

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테이프아웃이란 무엇일까?

반도체 업계에서 테이프아웃(Tape-out)​이라는 말을 자주 사용합니다.

쉽게 설명하면

반도체 설계를 거의 최종 확정하고 제조 단계로 넘기는 순간

입니다.

건축으로 비유하면

“설계도가 완성됐으니 이제 실제 공사를 시작합시다.”

라고 하는 시점과 비슷합니다.

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왜 이름이 테이프아웃일까?

과거에는 최종 반도체 설계 데이터를 자기테이프 같은 저장매체에 담아 제조 쪽으로 전달하던 시절이 있었습니다.

기술은 바뀌었지만 이름은 남았습니다.

지금도 새로운 반도체 설계를 완료하면

“테이프아웃했다.”

라는 표현을 사용합니다.

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테이프아웃하면 제품이 완성된 것일까?

아닙니다.

이제 실제 웨이퍼에 칩을 만들어봐야 합니다.

그리고 시험해야 합니다.

설계 프로그램에서는 문제가 없어 보여도 실제 반도체에서 예상하지 못한 문제가 발생할 수 있습니다.

그래서 시험용 칩을 만들고,

검사하고,

필요하면 설계를 다시 수정합니다.

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첫 번째 칩이 성공하면 끝일까?

대량생산까지는 또 다른 과정이 필요합니다.

한두 개의 칩이 정상 작동한다고 수백만 개를 안정적으로 생산할 수 있다는 뜻은 아닙니다.

앞에서 배운 수율이 중요해집니다.

팹리스와 파운드리는 제품의 수율을 높이고 안정적으로 생산하기 위해 협력합니다.

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NVIDIA의 진짜 경쟁력은 무엇일까?

NVIDIA를 단순히

“GPU 만드는 회사”

라고만 생각하면 부족합니다.

GPU를 어떤 구조로 설계하는지,

어떤 계산을 빠르게 처리하도록 만드는지,

GPU 여러 개를 어떻게 연결하는지,

메모리를 어떻게 활용하는지

같은 기술이 모두 중요합니다.

그리고 하드웨어만큼 중요한 것이 하나 더 있습니다.

바로 소프트웨어입니다.

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CUDA는 왜 중요할까?

NVIDIA에는 CUDA라는 소프트웨어 플랫폼이 있습니다.

아주 쉽게 말하면 개발자들이 NVIDIA GPU를 이용해 여러 계산을 할 수 있도록 도와주는 도구와 환경입니다.

좋은 GPU가 있어도 사용하기 너무 어렵다면 사람들이 많이 사용하지 않을 수 있습니다.

반대로 개발자들이 쉽게 사용할 수 있고 필요한 프로그램이 많이 준비되어 있다면 더 많은 사람이 그 GPU를 사용하게 됩니다.

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게임기와 게임으로 생각해보자

아무리 성능 좋은 게임기가 있어도 할 수 있는 게임이 하나도 없다면 사고 싶은 사람이 많지 않을 것입니다.

반대로 좋은 게임이 수천 개 있고 개발자들도 계속 새로운 게임을 만든다면 게임기의 가치가 올라갑니다.

AI 반도체에서도 비슷합니다.

하드웨어뿐 아니라 소프트웨어 생태계가 매우 중요합니다.

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그래서 팹리스 경쟁은 칩만의 경쟁이 아니다

현대 팹리스 회사가 성공하려면 여러 능력이 필요합니다.

좋은 칩 설계

좋은 소프트웨어

파운드리와의 협력

좋은 메모리와 패키징

고객과 개발자 생태계

가 함께 필요합니다.

특히 AI 시대에는 이 연결이 더욱 중요해지고 있습니다.

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AMD도 팹리스일까?

AMD도 대표적인 팹리스 반도체 회사로 볼 수 있습니다.

CPU와 GPU 등을 설계하고 생산은 외부 파운드리 파트너에게 맡기는 구조를 사용합니다.

흥미로운 점은 AMD가 과거에는 직접 반도체 공장도 운영했다는 것입니다.

하지만 이후 제조 부문을 분리하면서 설계 중심의 회사로 변화했습니다.

즉 반도체 회사의 사업 구조도 시대에 따라 바뀔 수 있습니다.

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Qualcomm은 무엇을 설계할까?

Qualcomm은 스마트폰에서 중요한 반도체를 많이 설계해온 회사입니다.

스마트폰의 핵심 프로세서와 통신 관련 기술 등이 대표적입니다.

이 역시 직접 거대한 첨단 제조공장을 운영하기보다는 설계에 집중하고 생산 전문기업과 협력하는 팹리스 구조의 장점을 보여주는 사례입니다.

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작은 회사도 팹리스를 할 수 있을까?

이론적으로는 가능합니다.

대형 첨단 반도체 공장을 직접 건설해야 한다면 새로운 회사가 시장에 들어오기가 매우 어렵습니다.

하지만 파운드리가 생산을 대신해준다면 새로운 회사는 상대적으로 설계에 더 집중할 수 있습니다.

그래서 팹리스·파운드리 분업 구조는 새로운 반도체 설계회사가 등장할 수 있는 환경을 만드는 데도 중요한 역할을 했습니다.

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그렇다고 반도체 스타트업이 쉬운 것은 아니다

공장이 필요 없다고 해서 반도체 회사를 쉽게 만들 수 있다는 뜻은 아닙니다.

첨단 반도체 설계에도 많은 비용이 들어갑니다.

설계 엔지니어가 필요하고,

EDA 소프트웨어가 필요하며,

반도체 IP가 필요할 수도 있습니다.

시험 생산 비용도 필요합니다.

한 번 설계가 잘못되면 다시 칩을 만드는 데 많은 시간과 비용이 들 수 있습니다.

따라서 팹리스 역시 기술과 자본이 많이 필요한 산업입니다.

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AI 시대에는 팹리스가 더 많아질까?

AI가 발전하면서 다양한 목적의 AI 반도체가 필요해지고 있습니다.

모든 AI 계산을 하나의 GPU만으로 처리할 필요는 없습니다.

데이터센터,

스마트폰,

자동차,

로봇,

카메라

등 사용되는 장소마다 필요한 반도체가 다릅니다.

그래서 특정 AI 기능에 특화된 새로운 반도체를 설계하려는 회사들이 계속 등장할 수 있습니다.

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전용 AI 칩을 만들면 어떤 장점이 있을까?

범용 GPU는 여러 계산을 잘합니다.

하지만 특정 작업만 매우 많이 한다면 그 작업에 맞춰 반도체를 설계할 수 있습니다.

예를 들어

“이 칩은 AI 추론만 아주 효율적으로 처리하도록 만들자.”

라고 할 수 있습니다.

그러면 특정 작업에서는 전력을 줄이거나 성능을 높일 수 있습니다.

이 때문에 AI 시대에는 팹리스 설계능력이 더욱 중요해지고 있습니다.

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그렇다면 팹리스는 공장이 전혀 필요 없을까?

팹리스는 최첨단 웨이퍼 제조공장을 직접 운영하지 않는다는 의미입니다.

하지만 회사에는

연구소,

시험장비,

설계 컴퓨터,

검증시설

등이 필요할 수 있습니다.

즉 정말로 아무런 시설이 없다는 뜻은 아닙니다.

핵심은 반도체 웨이퍼를 대량으로 직접 생산하는 Fab을 운영하지 않는다는 것입니다.

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팹리스의 장점과 단점을 한 번에 정리해보자

장점

공장 건설에 들어가는 엄청난 투자 부담을 줄일 수 있습니다.

설계와 제품 개발에 집중할 수 있습니다.

파운드리의 첨단 제조기술을 이용할 수 있습니다.

새로운 아이디어를 가진 설계회사가 시장에 진입할 수 있습니다.

단점

생산을 외부 파운드리에 의존합니다.

원하는 생산량을 확보하지 못할 수도 있습니다.

파운드리 가격과 일정의 영향을 받을 수 있습니다.

공정 변경이 쉽지 않을 수 있습니다.

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팹리스와 파운드리는 서로 필요한 관계

팹리스만 있다면 설계는 있지만 실제 제품을 만들 수 없습니다.

파운드리만 있다면 공장은 있지만 생산해줄 좋은 설계가 부족할 수 있습니다.

그래서 두 산업은 서로 연결되어 성장합니다.

팹리스가 좋은 반도체를 많이 설계할수록 파운드리에는 생산 주문이 늘어납니다.

파운드리가 더 좋은 공정을 개발하면 팹리스는 더 좋은 반도체를 설계할 수 있습니다.

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NVIDIA와 TSMC의 관계를 생각해보자

아주 단순하게 보면

NVIDIA

무엇을 만들지 설계합니다.

↓

TSMC 같은 파운드리

설계를 실제 실리콘 칩으로 만듭니다.

↓

메모리 회사

HBM 등을 공급합니다.

↓

첨단 패키징

GPU와 메모리를 연결합니다.

↓

AI 서버

완성된 반도체가 실제 AI 계산에 사용됩니다.

이것이 현대 AI 반도체 산업을 이해하는 중요한 구조입니다.

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팹리스 구조가 반도체 산업을 바꾼 이유

과거에는 반도체를 설계하려면 공장까지 가지고 있어야 한다는 생각이 더 강했습니다.

하지만 파운드리 산업이 발전하면서 회사가 모든 것을 직접 할 필요가 없어졌습니다.

누군가는 설계를 잘하고,

누군가는 제조를 잘하며,

누군가는 장비를 잘 만들고,

누군가는 패키징을 잘하는

전문화된 산업 구조가 만들어졌습니다.

이 분업 구조가 오늘날의 거대한 반도체 생태계를 만들었습니다.

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오늘 내용 한눈에 정리하기

오늘은 일곱 가지를 기억하면 됩니다.

첫째, 팹리스는 반도체를 설계하지만 대형 생산공장은 직접 운영하지 않는 회사입니다.

둘째, NVIDIA·AMD·Qualcomm 같은 기업이 대표적인 팹리스 회사입니다.

셋째, 팹리스가 설계한 칩은 TSMC 같은 파운드리 기업이 실제로 생산할 수 있습니다.

넷째, 팹리스는 막대한 공장 투자 대신 반도체 설계와 소프트웨어 개발에 집중할 수 있습니다.

다섯째, 대신 생산량과 제조기술을 외부 파운드리에 의존한다는 단점이 있습니다.

여섯째, 반도체 설계에는 EDA와 IP, 검증 기술 등 많은 전문기술이 필요합니다.

일곱째, AI 시대에는 칩 설계뿐 아니라 소프트웨어·메모리·파운드리·패키징이 함께 연결되어야 합니다.

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그렇다면 파운드리는 왜 필요할까?

이제 다음 질문이 자연스럽게 생깁니다.

NVIDIA가 반도체를 설계하지만 직접 만들지 않는다면,

누군가는 그 설계를 실제 웨이퍼 위에 만들어줘야 합니다.

바로 이 일을 전문으로 하는 회사가 파운드리(Foundry)​입니다.

그런데 파운드리는 단순히 주문받은 칩을 찍어내는 공장이 아닙니다.

3나노와 2나노 같은 첨단공정을 개발하고,

수율을 높이고,

수십억 개의 트랜지스터가 들어간 칩을 안정적으로 대량생산해야 합니다.

그래서 TSMC가 세계 반도체 산업에서 엄청나게 중요한 기업이 되었고, 삼성전자도 이 시장에서 경쟁하고 있습니다.

다음 글에서는

「파운드리란 무엇일까?｜다른 회사가 설계한 반도체를 대신 만드는 공장」

을 통해 TSMC와 삼성전자가 하는 파운드리 사업을 아주 쉽게 알아보겠습니다.

질문	팹리스의 선택	사업상 의미
무엇에 집중하는가?	칩 설계와 소프트웨어	제품 차별화와 개발 속도에 집중
누가 생산하는가?	파운드리에 위탁	대규모 공장 투자 부담을 줄임
무엇이 위험한가?	생산능력과 공급 일정 의존	파운드리·패키징 공급망 관리가 중요

자주 묻는 질문

공장이 없으면 반도체를 만들지 않는 회사인가요?

팹리스는 칩의 기능과 회로를 설계하고 검증합니다. 물리적인 생산을 전문 파운드리에 맡길 뿐, 제품의 핵심 설계와 사양은 팹리스가 결정합니다.

팹리스와 파운드리는 경쟁 관계인가요?

일반적으로는 고객과 생산 파트너 관계입니다. 다만 생산능력, 가격, 공정 선택을 놓고 이해관계가 달라질 수 있습니다.