Nvidia와 TSMC, AI를 팹에 도입해 리소그래피 비용 50% 절감

TSMC는 리소그래피부터 불량 검사에 이르기까지 가장 복잡한 팹 운영 전반에 Nvidia의 AI 및 가속 컴퓨팅을 도입하고 있으며, 이 협력은 반도체 제조 경제학을 재편할 수 있다.

Nvidia의 CUDA-X 라이브러리와 AI 모델은 현재 TSMC의 리소그래피, 공정 시뮬레이션 및 불량 검사 워크플로우에 적용되어 리소그래피 비용 효율성을 20%~50% 개선하고, 반도체 재료 설계를 위한 화학 시뮬레이션을 50배 가속화했다.

"TSMC는 Nvidia AI와 가속 컴퓨팅을 팹 자체에 도입하여 세계에서 가장 복잡한 설계 및 제조 과제를 해결하고 있습니다,"라고 Nvidia의 창립자이자 CEO인 젠슨 황이 말했다.

이번 협력은 팹 운영의 네 가지 영역에 걸쳐 있다. TSMC는 칩 마스크 설계를 위한 인쇄 방식인 컴퓨테이셔널 리소그래피에 Nvidia의 cuLitho 라이브러리를 사용하여 CPU 기반 방식 대비 비용 효율성 또는 사이클 타임을 20%~50% 개선했다. cuEST 라이브러리는 반도체 재료 설계를 위한 전자 구조 시뮬레이션을 평균 50배 가속화한다. 공정 제어를 위해 Nvidia의 cuML 머신러닝 라이브러리는 TSMC가 수천 개의 공정 단계에 걸친 수십만 개의 공정 파라미터를 ML 모델의 정밀 입력값으로 추려내 공정 변동성을 줄이는 데 도움을 준다. 팹 현장에서는 Nvidia H200 GPU가 팹 생산성을 높이는 스케줄링 연산을 지원하고 있다.

반도체 제조에 AI가 더욱 깊숙이 통합되면서 필라델피아 반도체 지수가 올해 들어 89% 상승하게 만든 하나의 테제(주장)가 검증되고 있다: AI 인프라 지출이 GPU 설계를 넘어 칩 생산을 뒷받침하는 도구, 소재 및 공정으로 확대되고 있다는 것이다. TSMC는 AI 칩 사업이 2024년부터 2029년까지 연평균 약 60% 성장할 것으로 예상하는 반면, Nvidia는 데이터센터 자본 지출이 2027년까지 1조 달러에 도달할 것으로 전망했다.

불량 검출과 가상 팹

핵심 제조 외에도, TSMC는 비전 AI를 사용한 자동 불량 검사를 위해 Nvidia의 Metropolis 플랫폼과 TAO 툴킷을 배포하여 나노미터 단위의 결함 검출을 개선하는 동시에 공정 조건 변화에 따른 반복적인 라벨링과 재교육 필요성을 줄이고 있다. 또한 TSMC는 Nvidia의 Omniverse 라이브러리를 활용하여 FabTwin, 즉 물리적 구현 전에 공정 도구 레이아웃과 시뮬레이션 워크플로우를 평가할 수 있는 가상 팹 환경을 구축하는 방안을 모색 중이다. 이는 새로운 팹 건설에 필요한 자본 투입을 줄일 수 있는 변화다.

글로벌 진출의 비용

이번 협력은 TSMC가 비용이 많이 드는 지리적 확장을 헤쳐 나가는 시점에 이루어졌다. TSMC는 2026년 연간 자본 지출을 520억 달러에서 560억 달러 범위의 최상단으로 상향 조정했으며, 애리조나, 일본, 독일의 해외 팹 건설 비용은 대만 내 동일 시설 대비 약 4~5배 더 비쌀 것으로 추산된다. TSMC 경영진은 해외 팹 확장과 차세대 노드 램프업으로 인해 2026년 하반기부터 2027년까지 매출총이익률이 2%~3% 희석될 것이라고 밝혔다. AI 최적화 제조로 인한 효율성 개선이 이러한 압박의 일부를 상쇄하는 데 도움이 될 수 있지만, 마진 역풍의 규모는 TSMC의 현재 매출총이익률 대비 실질적이다.

투자자에게 이번 협력은 Nvidia의 경쟁력 있는 해자(moat)를 강화한다. CUDA 생태계가 데이터센터를 넘어 산업용 하드웨어 워크플로우에 자리 잡으면서 Nvidia의 TAM(총가용시장)이 반도체 자본 장비로 확장되고 있는 것이다. Nvidia 주식은 선행 주가수익비율(P/E) 약 35배에 거래되고 있다. TSMC는 선행 P/E 26배로 동일한 트렌드에 대해 더 낮은 베타로 접근할 수 있는 방법을 제공하지만, 해외 확장으로 인한 마진 희석은 모니터링이 필요하다. 더 광범위한 수혜자는 반도체 장비 및 메모리 공급망일 수 있으며, Invesco Semiconductors ETF와 같은 동일 가중 ETF는 AI 지출이 메가캡 칩 설계사를 넘어 확장됨에 따라 올해 들어 105%의 수익률을 기록했다.

본 문서는 정보 제공 목적으로만 작성되었으며 투자 조언을 구성하지 않는다.