그러나 앞으로 프로세스 미세화에서 웨이퍼 제조 비용이 급상승하면 스케일링으로 커버할 수 없습니다. 만약 1세대의 미세화로 웨이퍼 비용이 2배까지 늘어난다면 트랜지스터 수가 2배가 된다 한들 비용 절감 효과가 상쇄됩니다. 실제로는 거기까지 늘어나진 않지만 GPU는 트랜지스터비용이 지난 세대에 비해 그리 많이 줄어들진 않게 됩니다.

그렇게 되면 이 정도의 트랜지스터 수를 갖춘 GPU가 공정을 미세화해도 제조 단가가 줄어들지 않게 되니 미세화의 의미가 없습니다. 그리고 트랜지스터 수를 두배로 늘린 칩을 만들면 다이 제조 단가는 지금보다 크게 늘어나게 될 것입니다. 트랜지스터 제조 비용이 늘어난다 해도 수익이 큰 비싼 칩은 어느 정도 채산성이 맞지만 경제성이 중요한 중급형 이하의 칩은 제조 공정 미세화의 수지타산이 맞지 않게 됩니다.

앞으로의 반도체 스케일링

GPU의 상황이 이러합니다. 그래서 GPU는 20nm 프로세스로 이행해도 트랜지스터 제조 비용은 당장 많이 늘어나는 건 아닙니다. 그러면 무리해서 20nm 프로세스로 이행해 다이 크기를 줄이기보다 28nm를 유지하며 다이 크기를 늘려 만드는 것이 경제적으로 유리합니다. 적어도 수량이 많지 않을 때 무리를 해서 20nm의 다이를 시작할 이유가 희박합니다. 신형 프로세스의 초기 비용은 비싸지만 경쟁이 심해진 성숙된 공정은 제조 단가가 저렴하기에 구형 프로세스가 갈수록 유리해집니다.

글로벌 파운드리의 Subramani Kengeri(Vice President, Advanced Technology Architecture)는 지난 5월에 다음과 같이 설명했습니다.

"GPU에서 1x의 가장 좁은 메탈 레이어를 사용하는 층은 6~8층입니다. 20nm 공정에서 이들 1x 층은 더블 패터닝을 써야 합니다. 그에 비해 모바일 SoC에서 1x를 사용하는 층은 2~3층 뿐입니다. 더블 패터닝을 쓰는 레이어의 수가 GPU에 비해 모바일 SoC가 훨씬 적습니다. 그래서 제조 비용의 경우 양쪽의 주장이 큰 차이를 보이는 것입니다."

글로벌 파운드리는 20nm에서 제조비용 증가를 거론하는 것이 GPU 쪽이라 설명합니다. 사실 이 문제를 가장 강하게 지적하는 것은 NVIDIA지요.

전형적인 모바일 SoC나 CPU는 20nm 공정에서도 더블 패터닝을 필요로 하는 최소 피치가 최하층인 M1/M2/M3의 3층에 있습니다. 모바일 SoC는 제조 비용을 낮추기 위해서 CPU 쪽의 저항과 딜레이가 낮은 배선을 하며 그 때문에 그라운드 배선층의 수를 제한하고 있습니다. 그래서 20nm 공정의 더블 패터닝에 따라 백 엔드 프로세스의 제조 단가가 늘어난다 한들 3개 층밖에 안되니 받는 영향도 어느 정도 한정됩니다.

모바일 SoC CPU와 GPU의 메탈층 구성 차이

그런데 GPU는 더블 패터닝을 써야 하는 메탈층의 수가 극단적으로 늘어납니다. GPU 제조사는 공종의 옵션이 허락하는 한 최소 피치의 층을 늘리는 경향이 있기 때문입니다. 전형적인 GPU에선 배선층 중 가장 아래부터 중간까지 6층 정도가 최소 피치를 쓰는 경우가 많습니다. 극단적인 경우엔 8개 층을 최소 피치로 만드는 경우도 있습니다. 그래서 GPU는 20nm 프로세스를 도입할 때 생산량의 저하가 심하고 제조 단가가 대폭 늘어나게 됩니다.

20nm로의 전환이 느려지다

이러한 사정이 있어 GPU는 20nm 프로세스로의 이행이 매우 느립니다. 그 결과 GPU는 28nm 공정을 3년이나 스게 됐으며 아키텍처의 확장도 제약을 받습니다. NVIDIA는 원래 맥스웰에서 전력 효율을 높일 예정이었으며 그 덕분에 28nm 공정에서도 전력을 낮추고 성능을 높이는 데 성공했습니다.

맥스웰과 그 이전 세대인 케플러의 비교

하지만 제조 공정을 유지하면서 다이 크기를 늘리고 트랜지스터 수가 늘었습니다. 지금까지 프로세스를 미세화해 다이 크기를 유지하면서 트랜지스터 수를 늘렸던 방식과는 확연히 다른 방식입니다. 아래는 AMD GPU에서 프로세스 기술과 아키텍처 확장의 흐름인데 28nm 공정에서 어려움이 많은 것으로 나타났습니다.

AMD GPU의 프로세스 기술과 아키텍처

NVIDIA는 이번에 TSMC의 28HP 프로세스를 채용했지만 더 높은 퍼포먼스급 공정인  28HPP(차기 PS4 APU가 이것을 사용할 것으로 보임)과 고밀도 공정인 8HPC, 저전력인 28HPM(모바일 SoC가 많이 채용)을 쓰지 않았던 이유는 아직 알 수 없습니다.  28nm 공정으로 가면 기존의 프로세스를 유지하는 것이 모듈을 그대로 쓸 수 있다는 점에서 유리하다고 판단했을지도 모릅니다.