Chapter 16

산업 실험실

지금까지는 지도를 읽었다. 이 장에서는 직접 운전한다. 사이클 한가운데에서 공장을 언제 지을지, AX-1의 후속작 AX-2를 어떤 노드와 크기로 만들지, 공급망을 한 나라에 맡길지 나눌지를 정하고 그 결과를 숫자로 받는다.

칩 회사 10년 경영

첫 실험은 경영 게임이다. 당신은 월 10만 장짜리 팹 하나를 가진 칩 회사의 CEO다. 시장 수요는 해마다 7% 남짓 자라지만 곧게 자라지 않는다. 경쟁사들은 가격이 오르면 증설을 주문하고, 그 설비는 2년 뒤에야 돌아간다. 3장에서 본 바로 그 지연이 호황과 불황을 만든다.

게임 방법 분기마다 오른쪽에서 네 가지를 정하고 '다음 분기'를 누른다. 증설 주문은 그 분기에 한 번만 들어가고 8분기 뒤에 가동된다. 공사비는 8분기에 나눠 나간다. 현금이 바닥나면 빚을 지고, 빚이 신용 한도를 넘으면 파산이다. 40분기를 버티면 기업 가치(현금 + 최근 2년 영업이익의 2.5배)로 등급을 받는다.
GAME

CEO 게임: 칩 회사 10년

목표 10년(40분기)을 파산 없이 버티고 점유율과 기업 가치를 키운다.요령 위 그래프에서 수요(청록)와 업계 공급(회색 점선)의 간격을 본다. 지금 주문한 공장은 2년 뒤 그래프의 점선 자리에서 돌아간다.
증설 주문 · 8분기 뒤 가동 없음
R&D 투자
가동률
파운드리 위탁 생산
난이도
시나리오(바꾸면 새 게임)
현금—
분기 매출—
영업이익률—
시장 점유율—
공정(나 / 경쟁사)—
건설 중—
해볼 것: ① 아무것도 바꾸지 않고 '자동 진행'으로 10년을 보내 점유율이 20%에서 어디까지 떨어지는지 본다. ② 가격 지수가 1.3을 넘는 호황 때마다 +10만을 주문해 2년 뒤 무슨 일이 생기는지 본다(대개 파산한다). ③ 해마다 +2.5만씩 꾸준히 주문하고, 불황에는 가동률을 낮춰 재고를 줄여 본다. ④ '금융위기'에서 위기 직전에 주문한 공장이 위기 한복판에 가동되는 것을 겪어 본다. 모델: 시장 수요는 IND.cycle의 수요 경로(분기 성장 1.8%, 잡음, 시나리오 충격)이고, 가격 지수는 (수요/공급)3(0.4~2.2)이다. 팹 원가는 IND.fab(200억 달러에 월 10만 장, 웨이퍼 변동비 3,000달러), 기준 판매가는 웨이퍼당 11,000달러로 둔 게임용 가정이다. 경쟁사는 IND.cycle과 같은 규칙(가격이 1보다 높을수록 더 주문, 8분기 지연)으로 증설하고 약 3년마다 공정을 한 세대 올린다. 공정이 한 세대 앞서면 판매가 +6%, 공급 과잉 때 물량 배분에서 15% 유리하다. 모든 수치는 교육용 모델의 출력이다.

여러 판을 해 보면 몇 가지가 반복된다. 호황에 크게 주문한 공장은 거의 언제나 불황에 도착한다. 경쟁사도 같은 신호를 보고 같은 때 주문하기 때문이다. 아무것도 짓지 않으면 현금은 쌓이지만 시장이 커지는 만큼 점유율이 녹아 10년 뒤에는 작은 회사가 된다. 꾸준히 조금씩 짓고, 불황에 버틸 현금을 남겨 두는 회사가 대개 가장 큰 기업 가치로 끝난다.

AX-2 설계 결정

두 번째 실험대는 노바실리콘의 다음 칩이다. 처음 화면은 AX-1 그대로다. 3 nm, 806 mm² 한 덩어리, HBM 6스택, 25,000달러. 여기서 노드를 2 nm로 올리거나, 로직 면적을 키우거나, 다이를 칩렛으로 쪼개거나, 가격을 바꿔 본다. 원가는 9장의 다이 원가 엔진, 칩렛은 11장의 칩렛 엔진, 설계비는 6장의 NRE를 그대로 쓴다.

설계 방법 왼쪽 위 웨이퍼 맵은 다이 하나의 크기와 수율을, 오른쪽 위는 패키지를 위에서 본 모습을, 아래 막대는 칩 한 개의 원가가 어디서 쌓이는지를 보여 준다. 맨 아래 띠가 수출 통제 지표 TPP다. 한 덩어리 다이가 레티클 한계(26 × 33 mm)를 넘으면 만들 수 없다고 표시된다.
DESIGN

AX-2 설계 결정: 노드, 크기, 칩렛, HBM, 가격

공정 노드
칩렛 분할
실효 성능(FP8)—
완성 원가—
매출총이익률—
설계비(NRE)—
손익분기 수량—
첫해 판매(추정)—
첫해 영업이익—
필요 웨이퍼—
해볼 것: ① 로직 면적을 900 mm² 이상으로 올려 한 덩어리로는 만들 수 없게 된 뒤, 칩렛 4개로 쪼개 원가가 어떻게 되는지 본다. ② 2 nm로 올려 성능이 1.2배가 되는 대신 웨이퍼 값(30,000달러)과 결함 밀도 때문에 실리콘 원가가 얼마나 오르는지 본다. ③ HBM을 4스택으로 줄여 원가는 내려가지만 실효 성능이 메모리에 묶이는 것을 본다. ④ TPP가 4,800 아래가 되도록 작은 변형을 만들고 판매 가능 시장이 넓어지는 효과를 본다. 모델: 실리콘 원가는 IND.dieCost·IND.chiplet(머피 수율, 칩렛 연결 면적 +10%, 접합 수율 99%), 웨이퍼 가격과 밀도·설계비는 IND.NODES(설계비는 AX-1의 5억 달러에 맞춰 비례), 결함 밀도는 5 nm 0.07, 3 nm 0.1, 2 nm 0.15 /cm²로 둔 가정이다. 성능은 트랜지스터 수(면적 × 밀도)에 비례하고, HBM 한 스택이 약 333 TFLOPS를 먹여 살린다고 본다. 패키징 원가·수율은 인터포저 면적에 비례한다. 첫해 판매량은 AX-1의 40만 개를 기준으로 성능0.9 × 가격−1.6에 비례시키고, 수출 통제에 걸리지 않으면 판매 가능 시장이 지역별 구매 비중의 중국 몫(약 30%)만큼 넓어진다고 단순화했다. 실제 수출 통제는 성능 밀도 등 다른 기준도 함께 본다. 모든 수치는 교육용 모델의 출력이다.

칩렛은 큰 다이의 수율 문제를 풀지만 공짜는 아니다. 칩렛마다 연결 회로 면적이 붙고, 붙일 때마다 수율을 조금씩 잃고, 인터포저가 커져 패키징 원가와 패키징 불량 위험이 함께 커진다. 2 nm는 같은 면적에 트랜지스터를 더 넣지만 웨이퍼가 1.5배 비싸고 초기 결함이 많다. 그래서 가장 앞선 노드가 언제나 가장 싼 성능은 아니다. 원가의 절반 가까이를 HBM이 차지한다는 점도 AX-1과 같다.

공급망 설계와 스트레스 테스트

세 번째 실험대는 AX-2를 만드는 다섯 단계의 공급처를 고르는 일이다. 단계마다 한 곳에 몰면 싸고, 나누면 비싸다. 대신 지진, 정전, 공장 사고, 소재 수출 통제, 해운 차질, 가격 급등 같은 사건이 3년 동안 무작위로 일어날 때 얼마나 덜 잃는지가 달라진다. 13장에서 본 지역 집중과 8장의 소재 병목을 직접 보험료와 맞바꿔 보는 셈이다.

테스트 방법 오른쪽에서 단계별 공급처와 안전 재고를 고르면 같은 사건 표본 600개로 곧바로 다시 계산한다(위 그림의 단계 상자를 눌러도 바뀐다). 가운데 분포에서 색 막대가 지금 설계, 회색 윤곽이 모든 단계를 한 곳에 맡긴 기준 설계다. 아래 띠는 지금 설계의 '나쁜 10%' 시나리오 하나다.
STRESS TEST

공급망 설계와 3년 스트레스 테스트

소재(레지스트·가스)
웨이퍼 제조
HBM 공급사
2.5D 패키징
개당 추가 원가—
평균 생산 손실—
나쁜 10%(P90) 손실—
최악 손실—
3년 기대 손실 이익—
기준 설계 P90—
해볼 것: ① 처음 상태(모두 단일 공급)의 P90 손실을 기억해 두고, 웨이퍼 제조만 대만+미국으로 바꿔 본다. 손실이 별로 줄지 않는다. 패키징도 대만에 있어 같은 지진에 함께 멈추기 때문이다. ② 위 그림의 '손실 기여' 막대가 가장 긴 단계부터 하나씩 나눠 본다. ③ 안전 재고를 4주, 8주로 늘려 짧은 사건은 거의 사라지지만 몇 달짜리 수출 통제는 남는 것을 본다. ④ ABF 기판은 한 회사가 95%를 만들어 고를 수 없다(IND.CHOKEPOINTS). 그 단계가 남기는 바닥을 확인한다. 모델: 주 단위 156주, 사건 연 확률은 지진(대만·일본 6%, 미국 2%, 한국 1%), 정전(대만 8%, 그 밖 2~3%), 거점 사고(거점마다 5%), 소재 수출 통제(일본 4%, 미국 2%), 해운 차질(8%, 출하 25% 감소), HBM 가격 급등(15%, 13주간 25% ÷ √공급사 수)로 둔 가정이다. 이원화하면 멀쩡한 공급처가 자기 몫의 1.5배까지 대신 만든다. 추가 원가는 미국 생산 +30% 등 장 전용 가정이고, 재고 유지비는 연 25%다. 손실 이익은 AX-1(연 40만 개, 개당 약 20,700달러 이익) 기준이다. 모든 수치는 교육용 모델의 출력이다.

이 실험의 요점은 '가장 약한 고리'다. 칩은 다섯 단계를 모두 지나야 나오므로 한 단계만 튼튼하게 해서는 전체가 좋아지지 않는다. 같은 지역에 몰린 두 단계는 한 사건에 함께 멈춘다. 안전 재고는 몇 주짜리 사건을 싸게 막지만 몇 달짜리 사건은 막지 못하고, 이원화는 비싸지만 긴 사건까지 막는다. 그리고 어떤 단계는 돈을 내도 나눌 수 없다.

증설 타이밍 퀴즈

CEO 게임의 핵심을 다섯 문제로 압축했다. 사이클 그래프의 '지금'까지만 보여 준다. 지금 공장을 주문하면 8분기 뒤 가동된다. 그때 가격 지수가 1 이상이면 좋은 주문이다. 주문할지 보류할지 고른 뒤 미래를 펼쳐 본다.

QUIZ GAME

지금 공장을 주문할까?

가격이 오르고 있을 때 주문하고 싶어진다. 그런데 공장은 2년 뒤에 돌아간다.
문제—
맞힌 수—
가동 시점 가격 지수—
해볼 것: ① 가격이 꼭대기 근처일 때 주문하면 2년 뒤 어디에 떨어지는지 본다. ② 가격이 바닥을 지나 오르기 시작할 때 주문해 본다. ③ 다섯 문제를 끝낸 뒤 '처음부터'로 다른 사이클을 받아 다시 해 본다. 모델: IND.cycle(증설 지연 8분기, 반응 세기 2, 수요 잡음 3%)로 만든 무작위 사이클이고, 주기는 약 5~6년이다. 실제 사이클은 이보다 불규칙하다. 교육용 모델의 출력이다.

미션

위 네 실험대로 풀 과제 여섯 개다. 조건이 맞는 순간 자동으로 완료 표시가 켜진다. '가기'를 누르면 해당 실험대로 이동한다. 진행 상황은 이 페이지를 떠나면 지워진다.

MISSION

여섯 가지 과제

진행 0 / 6
미션 판정은 위 실험대의 현재 결과를 그대로 읽는다. CEO 게임 미션은 40분기를 마친 순간, AX-2와 공급망 미션은 조건을 만족하는 순간, 타이밍 미션은 다섯 문제를 끝낸 순간 판정한다. 모든 기준은 이 장의 교육용 모델 안에서만 의미가 있다.
TARGET AX-1 → AX-2타깃 파일 · 16장

이제 노바실리콘의 결정은 독자의 몫이다

열다섯 장을 거치며 AX-1의 숫자가 모두 정해졌다. 806 mm² 다이 한 개의 원가 약 700달러, HBM 6스택 약 1,728달러, 완성 원가 약 4,257달러, 판매가 25,000달러에 매출총이익률 약 83%, 설계비 5억 달러의 손익분기 약 2.4만 개, 월 웨이퍼 약 1,220장, TPP 16,000. AX-2 실험대의 첫 화면이 바로 이 숫자들이다. 지금 실험대에 올라 있는 AX-2는 다음과 같다.

—

이 장에서 정한 것AX-2의 노드·다이 크기·칩렛·HBM·가격, 증설 주문 시점, 공급처 구성. 세 실험대는 같은 엔진(IND.dieCost, IND.chiplet, IND.fab, IND.cycle)으로 앞 장들과 같은 숫자를 낸다.
아직 남은 문제경쟁 칩의 출시, 고객사의 자체 칩, 파운드리와 패키징 용량 배정, 전력과 냉각 한계는 모델 밖에 있다. 숫자는 결정의 방향을 보여 줄 뿐 답을 주지 않는다.
다음 단계17장의 용어집과 종합 퀴즈로 지도 전체를 다시 훑는다.

핵심 정리

  1. 증설은 2년 뒤에 도착한다. 호황에 몰려 주문한 공장은 대개 불황에 함께 가동되고, 그 고정비가 현금을 태운다. 꾸준한 투자와 불황을 버틸 현금이 사이클을 이기는 기본기다.
  2. 짓지 않는 것도 결정이다. 시장이 자라는 동안 생산능력을 늘리지 않으면 이익은 남아도 점유율과 미래 이익이 줄어든다.
  3. 칩 원가는 다이 크기, 노드의 웨이퍼 값과 결함 밀도, HBM, 패키징이 함께 정한다. 칩렛은 큰 다이의 수율을 살리지만 연결 면적·접합 수율·인터포저 비용을 새로 낸다.
  4. 성능을 올리는 결정은 수출 통제 지표(TPP)를 함께 올린다. 기준 아래의 변형은 성능을 덜어 내는 대신 팔 수 있는 시장을 넓힌다.
  5. 공급망의 위험은 가장 약한 고리와 같은 지역에 몰린 단계들이 정한다. 안전 재고는 짧은 사건을, 이원화는 긴 사건을 막고, 어떤 병목은 돈으로도 나눌 수 없다.

확인 퀴즈

가격 지수가 1.5로 치솟은 호황 분기다. 증설한 공장이 8분기 뒤 가동된다면 이때 대규모 주문이 위험한 가장 큰 이유는?

가격은 모두가 보는 신호다. 모두가 같은 신호에 같은 지연으로 반응하면 공급이 한꺼번에 늘어난다. 이것이 3장의 실리콘 사이클이 저절로 생기는 원리다.

로직 면적 1,400 mm²짜리 AX-2를 설계하려 한다. 한 덩어리 다이로 만들 수 없는 직접적인 이유는?

레티클 한계보다 큰 회로는 여러 다이로 나눠 패키지 안에서 잇는 수밖에 없다. 실험대에서 칩렛 4개로 쪼개면 칩렛 하나가 약 385 mm²가 되어 수율도 함께 좋아진다.

공급망 실험에서 웨이퍼 제조만 대만+미국으로 이원화했는데 나쁜 10% 손실이 거의 줄지 않았다. 가장 알맞은 해석은?

칩은 모든 단계를 지나야 나온다. 전체 생산은 그 주에 가장 많이 막힌 단계가 정한다. 같은 지역에 몰린 다른 단계가 남아 있으면 한 단계의 이원화는 효과가 작다.

AX-2의 수출용 변형을 TPP 4,800 미만으로 만들었다. 이 변형에 대한 설명으로 옳은 것은?

TPP는 연산 성능(TFLOPS) × 연산 비트 수(FP8이면 8)다. 4,800 / 8 = 600 TFLOPS. 작은 다이는 수율이 높아 원가가 싸므로 매출총이익률은 오히려 높게 유지할 수 있다. 다만 별도 칩이면 설계비는 다시 든다.