[서울=뉴스핌] 서영욱 기자 = 그래픽처리장치(GPU)를 팔던 엔비디아가 이제는 반도체 공장 운영 방식까지 바꾸고 있다. 세계 최대 파운드리 기업 TSMC를 비롯해 삼성전자와 SK하이닉스가 엔비디아의 인공지능(AI)과 디지털 트윈 기술을 생산 현장에 도입하면서 엔비디아의 영향력이 반도체 설계와 제조, 공장 운영 전반으로 확대되고 있다. 리소그래피와 공정 시뮬레이션, 품질 검사, 생산 일정 관리까지 엔비디아 플랫폼이 제조 현장의 핵심 인프라로 자리 잡는 모습이다.

◆엔비디아, GPU 넘어 공정 설계·생산까지 AI 침투
4일 반도체업계에 따르면 엔비디아는 지난 1일(현지시간) 대만에서 열린 'GTC 타이베이 2026'에서 TSMC가 자사 그래픽처리장치(GPU)와 AI 소프트웨어를 활용해 반도체 설계부터 생산, 검사, 공장 운영까지 전 과정을 고도화하고 있다고 밝혔다.

첨단 반도체 공정이 2나노미터 이하 초미세 공정으로 진입하면서 제조 현장은 세계에서 가장 복잡한 컴퓨팅 환경 가운데 하나로 변하고 있다. 회로 설계와 리소그래피(노광), 트랜지스터 시뮬레이션, 공정 제어, 품질 검사 등 모든 과정에서 방대한 데이터를 실시간으로 처리해야 하기 때문이다.

TSMC는 이러한 작업에 엔비디아의 GPU와 쿠다(CUDA) 기반 소프트웨어를 활용하고 있다. 쿠다는 GPU를 활용해 방대한 연산 작업을 빠르게 처리할 수 있도록 지원하는 엔비디아의 대표 플랫폼이다.

대표적으로 반도체 회로를 웨이퍼에 새기는 리소그래피 공정에서는 엔비디아의 '쿠리소(cuLitho)'를 적용해 기존 CPU 기반 방식보다 처리 속도와 비용 효율을 20~50% 개선했다. 쿠리소는 반도체 회로를 웨이퍼에 정밀하게 새기기 위한 리소그래피 연산을 GPU로 처리해 생산성을 높이는 기술이다.

신소재와 반도체 구조를 검증하는 트랜지스터 시뮬레이션에도 엔비디아 기술이 활용되고 있다. TSMC는 GPU 가속 시뮬레이션을 통해 화학·물리 계산 속도를 평균 50배 이상 높이고 차세대 공정 개발 기간을 단축하고 있다.

◆AI로 돌려보고 공장 짓는다
생산 과정에서도 AI 역할은 확대되고 있다. TSMC는 머신러닝 기술을 이용해 수십만 개 공정 변수를 분석하고 공정 오차를 최소화하고 있다. 또 엔비디아 H200 GPU를 활용해 생산 스케줄링을 최적화하고 장비 활용도를 높이고 있다. 품질 검사 분야에서도 엔비디아의 비전 AI 플랫폼을 활용해 웨이퍼 표면의 나노미터급 결함을 탐지하고 있다.

특히 엔비디아가 주목받는 분야는 디지털 트윈이다. 디지털 트윈은 실제 공장과 생산 설비를 가상 공간에 그대로 구현해 공정 변경과 장비 배치, 생산 계획 등을 사전에 검증하는 기술이다. 공장을 실제로 바꾸기 전에 가상 환경에서 먼저 시험해 볼 수 있다는 점에서 제조업의 핵심 AI 기술로 꼽힌다.

TSMC는 엔비디아의 옴니버스 플랫폼을 활용해 실제 공장을 짓기 전에 장비 배치와 생산 흐름을 검증하는 '팹트윈(FabTwin)' 구축을 검토하고 있다. 이를 통해 투자 효율을 높이고 생산 병목 현상을 사전에 파악할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

◆삼성전자, 5만개 GPU로 'AI 팩토리' 구축
삼성전자 역시 같은 방향으로 움직이고 있다. 삼성전자는 지난해 10월 엔비디아와의 전략적 협력을 통해 '반도체 AI 팩토리' 구축 계획을 발표했다. 향후 수년간 5만개 이상의 엔비디아 GPU를 도입해 AI 인프라를 구축하고 옴니버스를 활용한 디지털 트윈 제조 환경을 확대할 계획이다.

삼성전자는 이미 일부 생산 공정에 쿠리소와 쿠다-X를 적용해 미세 공정에서 발생하는 회로 왜곡을 실시간으로 예측·보정하고 있다. 삼성전자는 이를 통해 공정 시뮬레이션 속도를 기존 대비 20배 향상시켰다고 설명했다. 또한 옴니버스를 기반으로 설비 이상 탐지와 고장 예측, 생산 일정 최적화 시스템도 구축하고 있다.

◆SK하이닉스, '자율형 공장 2030' 시동
SK하이닉스도 엔비디아 기술을 활용한 자율형 공장 구축에 나서고 있다. SK텔레콤은 지난 1일 엔비디아 옴니버스를 활용해 SK하이닉스 반도체 팹에 디지털 트윈 기술을 적용하고 있다고 밝혔다. SK하이닉스는 '자율형 공장 2030' 전략의 일환으로 디지털 트윈 기술 검증을 완료했으며 단계적 상용화를 추진하고 있다.

이를 위해 SK텔레콤은 엔비디아의 에이전트 툴킷과 옴니버스를 활용해 제조 현장의 설비와 공간 구조, 운영 데이터를 자동으로 분석하고 가상 환경에 반영하는 '에이전틱 디지털 트윈 모델링' 기술을 개발했다. AI가 제조 현장의 3차원 데이터를 이해하고 최적화하도록 지원하는 기술이다. SK하이닉스는 이를 통해 생산 설비 이상을 사전에 탐지하고 공정 변경에 따른 영향을 미리 검증하는 한편 생산 일정과 물류 동선까지 최적화할 계획이다.

업계에서는 TSMC와 삼성전자, SK하이닉스가 모두 엔비디아 플랫폼을 기반으로 제조 혁신에 나서고 있다는 점에 주목하고 있다. 과거 엔비디아가 AI 반도체를 설계하고 판매하는 기업이었다면 이제는 반도체 공장의 생산성과 수율을 높이는 소프트웨어와 AI 플랫폼을 공급하는 기업으로 역할이 확대되고 있다는 것이다.

반도체업계 한 관계자는 "엔비디아가 더 이상 칩만 파는 회사가 아니라는 점이 중요하다"며 "반도체 공장의 설계와 시뮬레이션, 생산, 검사, 디지털 트윈까지 엔비디아 플랫폼 위에서 돌아가기 시작하면서 공급망 전반에 대한 영향력이 커지고 있다"고 평가했다.

syu@newspim.com