반도체 시장이 2025년 생성형 인공지능(AI)과 데이터센터 구축 확장에 힘입어 괄목할 성장을 거듭할 것이라는 장밋빛 전망이 나왔다. 딜로이트 기술·미디어·통신 센터가 발표한 '2025년 글로벌 반도체 산업 전망' 보고서는 2025년 칩 판매액이 6970억 달러(약 1017조 원)에 달하며 사상 최고치를 갈아치울 것으로 예측했다. 이는 2024년 예상 매출액 6270억 달러(약 915조 원)에서 더욱 증가한 수치이며, 2030년 칩 판매액 1조 달러(약 1459조 원) 달성 목표에도 청신호가 켜졌음을 분명히 했다. 보고서는 2025년부터 2030년까지 연평균 7.5%의 복합 성장률만 유지하면 목표 달성이 무난할 것으로 분석했다.

주식 시장, 반도체 호황 선반영⋯AI 칩 기업 '훨훨', 타 분야는 '글쎄'

주식 시장은 이미 반도체 산업의 밝은 미래를 기민하게 예측하고 있는 듯하다. 2024년 12월 중순, 글로벌 상위 10대 칩 기업의 시가총액 합계는 6조 5000억 달러(약 9485조 원)로 1년 만에 무려 93%나 급증하는 놀라운 성장세를 기록했다. 2022년 11월 중순과 비교하면 235%나 폭등한 수치다. 하지만 지난 2년간 칩 주식 시장은 '두 개의 시장'으로 명확히 나뉘는 씁쓸한 양극화 현상을 여실히 드러냈다.

생성형 AI 칩 시장에 과감하게 뛰어든 기업들은 평균 이상의 압도적인 성과를 거둔 반면, 자동차, 컴퓨터, 스마트폰 등 AI와 직접적인 연관성이 낮은 분야의 반도체 기업들은 상대적으로 부진한 흐름을 면치 못했다.

생성형 AI 칩 '폭풍 성장'⋯시장 규모 218조 원 전망

반도체 산업 성장의 일등 공신은 단연 생성형 AI 칩이다. CPU, GPU, 데이터센터 통신 칩, 메모리, 전력 칩 등 광범위한 영역을 포괄하는 생성형 AI 칩은 2024년 1250억 달러(약 182조 원)를 훌쩍 넘어선 시장 규모를 기록하며 전체 칩 판매액의 20% 이상을 책임지는 핵심 엔진으로 맹렬히 질주했다. 딜로이트는 2025년에는 생성형 AI 칩 시장 규모가 1500억 달러(약 218조 원)를 가뿐히 돌파할 것으로 장밋빛 전망을 내놓았다.

AMD의 리사 수 CEO 역시 AI 가속기 칩 시장 규모가 2028년 5000억 달러(약 7296조 원)에 육박하는 천문학적인 규모로 성장할 것이라는 파격적인 전망을 제시하며 시장의 기대감을 한껏 고조시키기도 했다. 이는 2023년 전체 칩 산업 매출액을 훨씬 뛰어넘는 압도적인 규모다.

PC·스마트폰 '주춤'⋯반도체, 최종 시장 다변화 절실

PC 판매량은 2025년 4% 수준의 미미한 증가세를 보이며 2억 7300만 대 수준에 머무를 것으로 예상되지만, 스마트폰 시장은 1%대의 낮은 한 자릿수 성장에 턱걸이하며 12억 4000만 대 수준에서 정체될 가능성이 높다. 2023년 기준으로 통신 및 컴퓨터 칩(데이터센터 칩 포함) 판매액은 전체 반도체 판매액의 57%를 점유했지만, 자동차 및 산업용 칩 판매액은 31%에 그쳤다.  결국 이는 반도체 산업이 지속적인 성장 궤도에 안착하기 위해서는 특정 시장에 대한 과도한 의존도를 탈피하고, 최종 시장을 전략적으로 다변화해야 한다는 절박한 과제를 던져준다.

웨이퍼 생산 '속 빈 강정'?⋯첨단 패키징 기술 중요성 증대

생성형 AI 칩이 눈부신 수익성을 견인하는 것은 분명한 사실이지만, 냉정히 뜯어보면 이는 극소수의 고부가치 칩에 지나치게 편중되어 나타나는 기형적인 현상이다. 2023년 한 해 동안 무려 1조 개에 달하는 칩이 평균 0.61달러(약 890원)라는 헐값에 판매되었지만, 놀랍게도 생성형 AI 칩은 매출액의 20%를 차지하면서도 웨이퍼 생산량의 0.2%에도 미치지 못하는 초라한 실적을 기록하는 데 그쳤다.

2024년 칩 매출액은 19%라는 경이로운 성장률을 기록했지만, 아이러니하게도 웨이퍼 출하량은 오히려 2.4%나 감소했다는 점은 곱씹어볼 만하다. 2025년 웨이퍼 출하량은 10% 가까이 증가할 것으로 조심스럽게 예측되지만, 이마저도 생성형 AI 칩에 특화되어 사용되는 칩렛 등 특정 기술에 대한 비정상적인 수요 증가에 기댄 일시적인 '착시 효과'일 수 있다는 분석에 무게가 실린다. 실리콘 웨이퍼에만 매몰될 것이 아니라 첨단 패키징 기술로 눈을 돌려야 한다는 업계의 자성론에 더욱 힘이 실리는 이유다.

실제로 TSMC의 CoWoS(Chip-on-Wafer-on-Substrate) 2.5D 첨단 패키징 생산 능력은 2024년 월 3만 5000 웨이퍼에서 2026년 말 9만 웨이퍼까지 2배 이상 폭증할 것으로 전망된다.

R&D 투자 '고삐'⋯수익성은 '글쎄'

미래 기술 혁신을 위한 연구 개발(R&D) 투자 부담은 상상을 초월할 정도로 가파르게 증가하고 있다. 2015년 칩 산업의 평균 연구 개발비는 EBIT(이자 및 법인세 차감 전 이익)의 45% 수준이었지만, 2024년에는 52%까지 껑충 뛰었다. R&D 투자는 연평균 12%씩 '브레이크 없는 폭주'를 거듭하는 반면, 수익성 지표인 EBIT 증가율은 10%에 머무르며 제자리걸음을 하고 있어 반도체 기업들의 수익성 악화에 대한 깊은 고뇌는 더욱 심화될 것으로 우려된다.

반도체 경기 '롤러코스터'⋯2026년 '미지수'

반도체 산업은 예측 불허의 경기 순환적인 변동성에서 벗어나지 못하고 여전히 '롤러코스터'를 타고 있다. 지난 34년간 무려 9번이나 성장과 침체를 숨 가쁘게 반복했으며, 최근 14년간 변동폭이 겉으로 보기에는 다소 완만해진 것처럼 보이지만, 자세히 뜯어보면 경기 침체 빈도는 오히려 증가하는 기이한 추세를 나타내고 있다. 2025년 전망은 핑크빛으로 물들어 있지만, 2026년 이후는 한 치 앞도 내다볼 수 없는 '미지의 영역'이라는 신중론이 설득력을 얻고 있다.

AI 칩, PC·폰 넘어 'IoT'까지?

딜로이트는 2025년 반도체 산업의 4가지 '게임 체인저'(game changer)로 PC·스마트폰·엔터프라이즈 엣지 시장을 정조준한 생성형 AI 가속기 칩, '시프트 레프트(Shift-Left)' 칩 설계 방식, 걷잡을 수 없이 심화되는 인력난, 점증하는 지정학적 리스크 심화에 따른 글로벌 공급망 재편 가능성을 날카롭게 지적했다.

현재 생성형 AI 칩은 고성능 데이터센터를 중심으로 폭발적인 수요 증가세를 보이고 있지만, 2025년부터는 엔터프라이즈 엣지, PC, 스마트폰, IoT(사물 인터넷) 기기 등 '빛의 속도'처럼 다양한 영역으로 빠르게 확산될 것으로 보인다. 특히 PC 시장에서는 2025년 생성형 AI PC 판매 비중이 무려 절반에 육박하고, 2028년에는 '대부분'의 PC가 생성형 AI 기능을 '기본 사양'으로 탑재할 것이라는 파격적인 전망도 제기됐다. 스마트폰 시장 역시 생성형 AI 칩 탑재 비중이 2025년 30% 수준까지 가파르게 증가할 것으로 예측된다.

데이터센터發 엣지 컴퓨팅 '격변'

클라우드 기반 생성형 AI가 거스를 수 없는 '대세'로 굳건히 자리매김했지만, 기업들은 데이터 주권 및 철통 보안 유지, 그리고 '쩐의 전쟁'이라 불리는 비용 절감 등을 절박하게 요구하며 사내 AI 데이터센터 인프라 구축에 사활을 걸고 '올인'(all-in)하고 있다. 이러한 흐름은 엔터프라이즈 엣지 컴퓨팅 시장의 폭풍 성장을 거침없이 견인하며, 마침내 AI 칩 시장의 새로운 성장 엔진으로 화려하게 부상하고 있다. 딜로이트는 엔터프라이즈 엣지 서버용 칩 시장 규모가 2025년 수백억 달러를 넘어설 것으로 보수적으로 추정했다.

PC, 생성형 AI '프리미엄' 입는다⋯스마트폰, 교체 주기 단축 '변수'

생성형 AI PC는 일반 PC 대비 10~15%나 높은 '과도하게 비싼' 가격에 판매될 것으로 점쳐진다. 40 TOPS(초당 테라 연산) 이상의 압도적인 연산 능력을 '필수'로 장착한 PC만이 비로소 '진정한 AI PC'라는 '새로운 기준'도 새롭게 제시됐다. 하지만 좀처럼 지갑을 열지 않는 소비자들은 여전히 높은 가격에 부담을 느끼고 성능에 대한 '면밀한 조사'를  멈추지 않으며 신중한 태도를 견지하고 있으며, 2025년 하반기 화려하게  출격할 것으로 예상되는 고성능 NPU(신경망 처리 장치) 탑재 PC를 눈 빠지게 기다리는 불편한 진실과 마주하고 있다.

스마트폰 시장에서 생성형 AI 칩의 파괴력은 PC 시장보다는 다소 미미할 것이라는 예측이 우세하다. 하지만 '희미한 빛'처럼 생성형 AI 기능이 꽁꽁 얼어붙은 스마트폰 교체 수요 심리를 자극하여 교체 주기를 획기적으로 단축시키는 '촉매제' 역할을 톡톡히 해낼 수 있을지 여전히 미지수다. 만약 생성형 AI 스마트폰에 대한 소비자들의 '폭풍전야'와 같은 잠재된 기대감이 '봇물'처럼 터져 실제 구매로 이어진다면, 이는 생성형 AI 칩 제조사뿐만 아니라 스마트폰 칩 제조사 전반에 걸쳐 부인할 수 없는 이점으로 작용할 수 있다.

IoT 시장, '저가형' AI 칩 개발 '관건'

데이터센터, PC, 스마트폰에 이어 IoT 시장까지 생성형 AI 칩 적용 범위가 확대될 가능성이 열려 있지만, 가장 큰 허들은 가격 경쟁력 확보에 있다. IoT 기기에 탑재될 AI 칩은 개당 0.3달러(약 437원) 수준의 초저가로 개발되어야만 시장 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 보인다. 하지만 IoT 시장은 장기적으로 AI 칩 시장의 새로운 성장 기회를 창출할 잠재력을 충분히 갖췄다는 평가가 지배적이다.

AI 칩 시장, M&A·투자 '봇물'

생성형 AI 칩 시장의 폭발적인 성장 잠재력에 선제적으로 주목한 기업들의 인수합병(M&A) 및 투자가 2025년 더욱 활발하게 이루어질 것으로 예상된다. AI 칩 스타트업들은 이미 벤처 캐피탈 시장에서 '뜨거운 감자'로 떠올랐으며, 사모 펀드, 국부 펀드 등 다양한 투자 주체들의 러브콜이 쇄도하고 있다. 결국, AI 칩 시장의 주도권을 놓고 벌이는 기업들의 합종연횡은 더욱 가속화될 것으로 전망된다.

지속가능성·전력 효율성 '화두'⋯소형 폼팩터 AI 칩 개발 경쟁 '점화'

AI 기술이 고도화될수록 전력 소비량 증가에 대한 우려 역시 커지고 있다. 특히 랩톱, 스마트폰, IoT 기기 등 소형 폼팩터 기기에서는 전력 효율성과 성능이라는 '두 마리 토끼'를 잡는 것이 중요한 과제로 부상하고 있다. 이에 따라 반도체 업계는 지속가능성을 최우선 가치로 두고 저전력·고성능 AI 칩 개발 경쟁에 더욱 박차를 가할 것으로 예상된다.

AI, 칩 설계 판도 바꾼다⋯'시프트 레프트' 디자인 방식 '대세'

AI는 복잡하기로 악명 높은 칩 설계 프로세스를 혁신적으로 변화시키고 있다. 생성형 AI는 기존 설계 개선 및 새로운 설계 아이디어 발굴에 필요한 시간을 획기적으로 단축시키고, PPA(전력·성능·면적) 최적화를 통해 칩 경쟁력 강화에 기여한다. 

2025년부터는 칩 설계 초기 단계부터 테스트, 검증, 유효성 확인 등 검증 프로세스를 진행하는 '시프트 레프트' 디자인 방식이 칩 설계 업계의 새로운 트렌드로 자리매김할 것으로 보인다. 뿐만 아니라, 와트당 성능, 와트당 FLOPS(초당 부동 소수점 연산 횟수), 열적 요인 등 시스템 수준의 지표를 종합적으로 고려한 최적화 전략의 중요성이 더욱 부각될 것이다. 전문가들은 AI 기반 칩 설계가 향후 칩 전력 효율성을 획기적으로 높이는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

맞춤형 칩 시대 개막⋯특화된 칩 설계 경쟁 '본격화'

자동차, 특정 AI 워크로드 등 특정 산업 및 특정 분야에 최적화된 맞춤형 칩 수요가 점차 증가하면서, 범용 칩보다 도메인별·특수 칩의 중요성이 더욱 부각될 전망이다. 생성형 AI 도구는 기업들이 맞춤형 실리콘 설계를 통해 차별화된 경쟁력을 확보하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다. 

3차원 집적 회로, 이종 아키텍처 등 첨단 기술이 빠르게 발전하면서 칩렛 설계, 조립, 검증, 테스트 등 전반적인 설계 프로세스의 복잡성 또한 가중되고 있다. 이에 따라 시스템 설계 단계부터 소프트웨어와 디지털 트윈 기술을 적극적으로 통합하는 것이 칩 설계 효율성을 높이는 데 중요한 요소로 작용할 전망이다.

EDA 업계, AI 기반 설계 도구 개발 '총력'⋯설계·검증·보안 기능 '업그레이드'

칩 설계 프로세스 혁신의 중심에는 EDA(전자 설계 자동화) 업계가 있다. EDA 업계는 AI 기반 설계 도구 개발에 총력을 기울이고 있으며, 설계, 시뮬레이션, 검증, 유효성 확인 등 핵심 기능들을 AI 기술을 기반으로 대폭 업그레이드하는 추세다. 

이와 함께 모델 기반 시스템 엔지니어링 도구를 '시프트 레프트' 접근 방식에 효과적으로 통합하는 방안에 대해서도 심도 있는 논의가 필요한 시점이다.