기획③ 수조 원 쏟아붓는 AI 데이터센터…유리기판이 투자비 부담 덜어줄까

서버당 연산 처리량 높아지면 추가 설비 투자 부담 완화 가능성
전력·냉각·공간 활용 효율 개선 기대…운영비 절감 여부 주목
반도체 가격과 실제 처리 성능 비교해야 경제성 판단 가능


인공지능(AI) 데이터센터 산업이 대규모 자본투자 경쟁으로 확대되면서 설비 규모뿐 아니라 투자 효율과 수익성을 확보하는 일이 핵심 과제로 떠오르고 있다. AI 데이터센터 건설에는 토지와 건물뿐 아니라 전력 공급시설, 냉각 시스템, 네트워크, 고성능 GPU 서버 등 막대한 설비 투자가 필요하다.

특히 고성능 AI 가속기의 가격과 전력 소비 부담이 커지면서 데이터센터 운영업체들은 기존 인프라를 활용해 더 많은 AI 작업을 처리할 수 있는 기술에 주목하고 있다. 차세대 반도체 패키징 기술인 유리기판(Glass Substrate)도 이러한 흐름에서 주목받는 소재다. 반도체 패키지의 집적도와 신호 전달 효율을 높여 고성능 AI 반도체의 성능 확장과 전력 효율 개선을 뒷받침할 수 있다는 기대에서다.

◇ AI 데이터센터, 설비 확충 넘어 투자 효율 경쟁 = AI 데이터센터의 경쟁력은 GPU와 전력 인프라를 얼마나 많이 확보했는지뿐 아니라 투입한 자원으로 얼마나 많은 연산 서비스를 제공할 수 있는지에 달려 있다. 서버와 전력 설비를 추가로 구축하면 처리 능력을 높일 수 있지만, 그만큼 초기 투자비와 운영비 부담도 커진다.

특히 전력 공급이 제한된 지역에서는 확보한 전력을 얼마나 효율적으로 활용하느냐가 중요하다. 예를 들어 100MW 규모의 전력을 공급받는 데이터센터에서 서버의 전력당 연산 처리량이 높아지면 전력 공급 규모를 늘리지 않고도 더 많은 AI 작업을 처리할 가능성이 생긴다. 기존 인프라를 활용해 서비스 공급 능력을 높일 수 있다면 추가 설비 투자 부담을 완화하는 데도 도움이 된다.

이 때문에 반도체의 연산 성능뿐 아니라 칩과 칩을 연결하는 패키징 기술도 중요해지고 있다. 고성능 AI 반도체는 여러 칩을 하나의 패키지에 집적하는 방식으로 발전하고 있어, 이를 뒷받침할 기판의 성능이 차세대 반도체 경쟁력을 좌우하는 요소로 부상하고 있다.

◇ 유리기판, 고집적 패키징으로 성능 개선 뒷받침 = 유리기판은 기존 유기 소재 대신 유리를 반도체 패키지의 기판으로 활용하는 기술이다. 유리는 평탄도가 높고 열적·기계적 안정성이 우수해 대면적 패키지에서 발생할 수 있는 기판 변형을 줄이고, 미세 배선과 고집적 구조를 구현하는 데 유리한 소재로 평가된다.

AI 반도체는 연산 성능을 높이기 위해 프로세서와 메모리 등 여러 구성 요소를 긴밀하게 연결해야 한다. 패키지의 크기가 커지고 연결 구조가 복잡해질수록 신호 전달과 전력 공급의 효율을 확보하는 것이 중요해진다. 유리기판은 이러한 고집적 패키징의 기술적 제약을 보완하고, 설계에 따라 칩 간 연결 밀도와 전기적 성능을 개선할 수 있는 대안으로 거론된다.

이 같은 기술적 진전이 실제 AI 반도체의 성능 향상으로 이어지면 데이터센터 운영 효율에도 영향을 미칠 수 있다. 유리기판을 적용한 반도체가 더 많은 칩을 효율적으로 집적하고 신호 전달 과정의 전력 손실을 줄인다면, 동일한 전력과 공간에서 더 많은 연산을 처리할 가능성이 생긴다.

특히 AI 데이터센터는 GPU와 메모리, 네트워크 장비 등이 소비하는 전력뿐 아니라 서버에서 발생하는 열을 식히는 데도 상당한 비용이 든다. 반도체의 전력 효율이 개선돼 작업당 전력 소비가 줄어들면 냉각 부담과 운영비를 낮추는 데도 도움이 될 수 있다. 전력 공급이 제한된 데이터센터에서는 기존 인프라를 활용해 연산 처리량을 높일 수 있다는 점에서도 의미가 있다.

◇ 상용화 관건은 제조 수율과 비용 경쟁력 = 기술적 성능 개선이 곧바로 경제성 확보로 이어지는 것은 아니다. 유리기판은 대면적 가공 과정에서 유리 파손이나 미세 균열이 발생할 수 있고, 고정밀 가공과 검사 공정에서 제조 난도가 높다는 과제가 있다. 생산 수율이 낮거나 제조 비용이 높으면 유리기판을 적용한 반도체의 가격이 상승해 데이터센터 사업자의 투자 부담을 키울 수 있다.

결국 데이터센터 운영업체가 차세대 반도체를 도입할 때는 성능뿐 아니라 구매가격, 전력 소비량, 유지보수 비용 등을 종합적으로 고려한다. 유리기판 적용으로 연산 처리량이 크게 늘고 작업당 비용이 낮아진다면 높은 초기 비용을 상쇄할 수 있지만, 성능 개선 폭이 제한적이라면 도입 유인이 약해질 수 있다.

따라서 유리기판의 경쟁력은 기술 개발 성과를 넘어 상용 제품의 가격과 성능, 제조 수율, 공급 안정성을 통해 평가해야 한다. 교보증권의 박희철·최보영 연구원은 지난달 29일 발간한 ‘유리기판: 변화의 시작’ 보고서에서 가격 경쟁력과 양산 수율 확보 여부가 유리기판의 상용화와 사업성을 좌우하는 주요 변수라고 분석했다. 기술 검증 단계의 성과만으로 시장성을 판단하기보다 실제 양산 시점과 수율 개선 수준, 생산능력 확대 등 구체적인 사업화 진척을 확인해야 한다는 설명이다. 유리기판의 시장 경쟁력은 기술적 우수성 자체보다 이를 안정적인 대량생산으로 연결하고, 기존 기판 대비 가격과 성능 측면에서 차별화된 가치를 입증할 수 있는지에 따라 결정될 것이라는 분석이다.