교양으로 읽는 반도체 상식
비즈니스로 보는 반도체의 과거, 현재, 미래
[ 글을 시작하기 전에 ]
반도체는 스마트폰이나 개인용 컴퓨터 같은 전자제품을 비롯해 인터넷 통신을 포함한 사회 인프라, 자동차와 전철 등 우리 주변 곳곳에 다양한 형태로 사용되고 있어 우리의 생활이 반도체 덕분에 유지되고 있다고 해도 지나치지 않다.
최근 몇 년 동안 전 세계 반도체 수요가 지속적으로 증가함에 따라 반도체 시장도 비약적으로 성장하고 있다.
반도체 시장은 2021년 시점 일본 내 생산량만 연간 약 5조 엔, 세계 전체로는 약 72조 엔에 달하는 거대한 시장이다.
일본의 국가 예산이 연간 약 100조 엔인 것을 감안하면 시장의 크기를 실감할 수 있다.
더불어 5세대 이동통신 시스템을 사용하는 스마트폰이나 전기자동차의 보급, 디지털 트랜스포메이션을 기반으로 한 업무 효율화, 메타버스의 발전 등 응용 기기와 응용 시스템의 진화에 따른 수요 증가로 순풍에 돛 단 성장 기세는 앞으로도 이어질 전망이다.
그런 반도체는 앞으로 어떤 분야에서 더 크게 발전하게 될 것인지 어떤 시점으로 바라봐야 하는지 알아보도록 하자.
Ⅰ. 반도체 제조사들의 성패를 가르는 비즈니스 모델
반도체 제소사에는 수직 통합형과 수평 분업형이라는 두 가지 비즈니스 모델이 존재한다.
수직 통합협은 반도체의 설계 공정, 전공정, 후공정을 모두 한 회사에서 맡아 수행하는 방식을 말한다.
반면에 수평 분업형이란, 설계 공정, 전공정, 후공정 이 세 공정을 여러 회사에서 분담하는 형태를 말한다.
수평 분업형 모델은 예를 들어 설계는 미국에서 하고 전공정은 대만에 있는 회사에서 담당한다.
그리고 마지막으로 말레이시아 회사가 후공정을 맡는 식이다.
최근에는 인터넷이 발달하면서 설계 도면을 해외에 있는 회사로 눈 깜빡할 사이에 보낼 수 있게 되었다.
그래서 설계 회사가 위치한 나라와 제조 회사가 자리한 나라가 같을 필요가 없다.
또한 반도체는 매우 작고 가벼운 제품이기 때문에 전공정을 맡는 공장에서 후공정을 맡는 공장까지 재공품을 비행기로 수송하는 일이 가능하다.
그 덕분에 국경을 뛰어넘어 수평 분업이라는 비즈니스 모델을 유지할 수 있다.
수평 분업형 비즈니스에서 설계를 전문으로 하는 회사를 팹리스 기업, 전공정을 담당하는 제조 전문회사를 파운드리 기업, 후공정을 담당하는 회사를 OSAT라고 부른다.
그리고 반도체 제조사 중 설계부터 제조와 판매까지 모든 것을 자체 진행하는 기업을 종합 반도체 회사 또는 IDM이라고 부른다.
기존의 반도체 제조사는 대부분 수직 통합형이었다. 특히 일본에서는 반도체가 사용되는 TV나 음향기기를 설계하고 개발하는 시점부터, 해당 기기에 맞는 전용 반도체를 함께 설계해 제조하는 구조가 일반적이었다.
반도체를 제조할 뿐 아니라, 생산한 반도체를 적용한 전자제품을 조립해 최종 제품을 생산하는 작업까지도 한 회사 내에서 모두 진행하는 시스템이었던 것이다.
1970년대부터 1980년대까지는 NEC나 후지쯔, 도시바, 미쓰비시 전기, 히타치 제작소, 소니나 마쓰시타 전기산업과 같은 회사들의 경쟁이 치열했다.
이들은 설계부터 제조까지, 자체 개발한 반도체를 탑재해 성능이 뛰어난 음향 기기와 영상 기기 등을 잇달아 출시했다.
예를 들어 한 기업 안에 일반 사용자를 고객으로 하는 전자기기 개발 본부가 있고, 그 산하에 반도체 사업부를 두어 해당 조직을 통해 설계 공정부터 후공정까지 전 공정에 대응하는 시스템이었다.
지금은 거의 볼 수 없게 되었지만 1970년대~1980년대 일본에서는 반도체뿐 아니라 반도체 제조 장치까지 전자제품 제조사 또는 관련 기업이 제조하는 일이 많았다.
다만 이런 경우, 반도체 제조 장치의 A~Z까지 전자제품 회사 또는 관련 기업이 만드는 것이 아니라, 반도체 제조사가 제조 장치 샘플을 만들면 그 후 반도체 제조 장치 업체가 제조만 하는 방식이었다.
설계를 담당하는 기업은 거금의 투자에서 해방되기 때문에 사업을 효율적으로 운영할 수 있다.
그리고 제조를 담당하는 기업은 다수의 고객사를 유치할 수 있어 제조 규모를 확대하기 쉽고 업무 효율을 더 높일 수 있다.
외적으로는 인터넷의 보급이 반도체 비즈니스 모델 전환의 원동력이 되기도 했다.
인터넷 덕분에 멀리 떨어진 장소에 있어도 실시간으로 의사소통이 가능하고, 개발이 지연되거나 품질이 떨어지는 사태도 막을 수 있게 되었다.
예를 들어, 미국에 있는 팹리스 기업이 설계한 도면을 대만의 파운드리 기업에 실시간으로 발송하고 제조 기술자가 도면을 확인한 뒤 미국에 바로 회신해 수정본을 받는 소통 방법은 인터넷이 있기에 가능해진 것이다.
반도체 제조에 필요한 재료와 부품의 공급망뿐 아니라, 설계나 제조 공정 자체가 전 세계에 걸쳐 조성되는 것은 반도체 업계의 비즈니스적 특징이기도 하다.
수평 분업형 비즈니스 모델은 반도체를 주문하는 회사와 해당 주문에 맞는 반도체를 설계하는 회사, 제조하는 회사가 각각 따로 존재하는 형태다.
뉴스에서 미국 엔디비아가 반도체를 생산하고 있다는 내용이 보도되었다고 가정해 보자.
수평 분업형 비즈니스 모델에서는 파운드리 기업이 제조를 담당할 뿐, 엔비디아와 같은 팹리스 기업이 직접 제조하는 것은 아니다.
팹리스 기업이 담당하는 것은 어디까지나 개발과 설계까지 일뿐, 반도체를 직접 제조하는 것이 아니라는 점을 이해해야 한다.
반도체 업계의 동향을 올바르게 파악하기 위해서는 업무 현장에서 거론되는 반도체 회사가 개발 설계를 담당하는 팹리스 기업과 제조를 담당하는 파운드리 기업 등으로 다시 나뉜다는 점을 염두에 두는 편이 좋다.
각각 다른 정체성을 가진 이러한 회사들을 반도체 기업이라는 큰 카테고리 하나로 뭉뚱그리는 것은 비즈니스 동향을 엉뚱하게 이해하는 원인이 되기도 한다.
최근 미국의 애플을 비롯해 구글이나 아마존 닷컴 등 독자적인 단말이나 특수한 서버가 필요한 기업들이 반도체를 자체 개발하려는 움직임을 보인다.
이러한 경우, 전자제품 개발부터 반도체 제조까지의 모든 공정을 직접 담당하려는 것이 아니라, 자사 전용 반도체를 설계해 TSMC와 같은 파운드리 기업에 제조를 맡기는 것이라는 점을 알아두도록 하자.
이렇듯 반도체 비즈니스 모델은 수직 통합형에서 출발해 수평 분업형으로 옮겨가고 있으며, 최근에는 수직 통합형과 수평 분업형의 장점만을 모아 적용하는 방식이 주를 이루고 있다.
IT나 자동차 업계에서도 수직 통합형이나 수평분업형이라는 틀에 얽매이지 않고 공급망과 밸류체인을 최적화하려 하고 있다.
Ⅱ. 개인 휴대전화, 1인 1 기기의 시대
1990년대에는 개인용 컴퓨터나 음향 기기, 영상 기기 등이 반도체의 수요 증가를 이끌어왔고, 이런 수요들은 반도체의 고성능화로 이어졌다.
1990년대 후반부터는 새로운 반도체 수요층이 등장하는데, 그것은 바로 휴대전화와 휴대전화의 기지국이다.
휴대전화가 일반 소비자에게 널리 퍼지게 된 것은 1993년 무렵부터다.
이후 휴대전화 서비스와 함께 기기의 여러 성능이 빠르게 진화한다.
휴대전화 서비스 진화의 구체적인 예로는 NTT 도코모가 1999년에 개시한 휴대전화용 인터넷 접속 서비스 i모드를 들 수 있다.
i모드는 기존에는 개인용 컴퓨터로만 접속할 수 있었던 인터넷을 휴대전화 기기로도 가능하게 만들었다.
그 뒤로 2000년대에 들어서면서 휴대전화에 적외선 통신 기능이나 간편 결제 기능, 카메라 기능 등의 다양한 부가 기능이 추가된다.
흔히 피처폰이라고 부르는 기기를 향해 빠르게 진화하고 있었다.
그리고 2000년대 후반, 피처폰이 스마프폰에게 휴대전화 주역의 자리를 내주면서 모바일 인터넷 접속 환경이 커다란 변화를 맞는다.
먼저, PC시대부터 시작된 SNS나 동영상 스트리밍 서비스가 크게 발전한다.
이 외에도 앱을 통한 문자나 전화 등 전화 회선을 이용하지 않는 통화 서비스가 이용자들에게 널리 퍼진다.
스마트폰을 포함한 휴대전화 기기 그 자체와 휴대전화 서비스가 크게 진화함으로써 2022년 현재는 스마트폰으로 동영상을 업로드하고 사용하는 일이 가능해졌다.
이렇게 휴대전화의 발전으로 반도체의 사용량은 늘어나고 기능은 점차 고도화된다.
일례로, 1997년 무렵 널리 보급되었던 휴대전화에는 한 대당 1만 엔 정도의 반도체가 적용되어 있었지만 현재 많은 사람이 사용하는 스마트폰 한 대에는 4만 엔이 넘는 반도체가 사용되고 있다.
당시와 비교하면 반도체 단가가 크게 낮아졌기 때문에 낱개 단위로 환산해 보면, 현재 사용되는 스마트폰 한 대에 얼마나 많은 고성능 반도체가 탑재되어 있는지 가늠해 볼 수 있다.
Ⅲ. 활기가 넘치는 반도체 시장
2021년 반도체 매출은 과거 최고치인 5,559억 달러로 일본 엔으로 환산하면 약 72조 엔에 달한다.
반도체 시장은 지금도 1년에 10%에 가까운 성장세를 보이며 앞으로도 높은 성장률을 보일 것으로 전망한다.
1970년대부터 반도체 업계의 동향을 소개해 오던 반도체 시장 통계의 2022년 1분기 예측에 따르면 2022년 매출이 6,465억 달러에 달할 것이라고 한다.
2022년에 이렇게 매출이 크게 상승함과 동시에 10%가 넘는 성장률을 보이는 시장은 달리 존재하지 않는다.
앞으로의 반도체 시장은 세포 분열하듯 성장할 것이다.
반도체 시장이 앞으로도 무서운 기세로 성장할 것이라고 예상하는 근거는 무엇일까.
사실 반도체 시장은 지금 한 가지 큰 변화를 맞이하고 있다. 지금까지 처럼 상징적인 전자제품의 수요를 동력으로 반도체의 수요가 늘어나는 시대는 끝나고 다음 시대가 찾아오는 것이다.
현대 반도체는 그야말로 각양각색의 제품에 사용되고 있다. 전기로 작동하는 제품에는 기본적으로 반도체가 사용되기 때문에, 전력이나 통신 등의 인프라는 물론, 공장에 있는 산업 기기나 자동차 등에도 적용된다.
향후 반도체 수요를 늘려가기 위해 염두에 두어야 할 핵심은 이렇게 매우 다양한 제품에 사용되고 있다는 점이다.
한 종류의 전자제품에 사용되는 반도체의 양만 늘어나는 것이 아니라, 여러 기기에 적용되는 반도체 사용량이 이전보다 조금씩 늘어날 것이다.
동시에 신제품이나 새로운 용도 때문에 반도체 전체 수요가 늘어날 것으로 예측하는 것이다.
일례로 자동차 업계의 경우 하이브리드나 전기차가 더 보급됨에 따라 반도체 수요가 늘 것으로 분석한다.
자동차 전동화, 전자화, 자율주행화에 따라 자동차 업계에 필요한 반도체의 양은 틀림없이 증가할 것이다.
Ⅳ. 반도체 공급은 갑자기 멈춘다.
반도체 부족을 호소하는 이유는, 반도체의 공급망이 매우 불안정한 균형 위에 유지되고 있기 때문이다.
반도체 시장은 어떤 계기로 공급망 일부가 끊기면 반도체를 공급할 수 없는 위험에 항상 직면해 있다.
반도체의 공급망은 전 세계에 퍼져 있다.
반도체의 재료나 제조 장치 분야는 특정 회사의 점유율이 높다.
반도체 제조 공정의 경우, 전 세계에 걸쳐 수평 분업화되어 있어 설계는 미국 기업이 전공정은 대만 기업이, 마지막 후공정은 말레이시아에 있는 기업이 담당하는 경우가 적지 않다.
즉, 멀리 떨어진 다른 나라에서 사고나 재해가 발생했을 경우, 그 나라가 공급망의 일부를 담당하고 있다면 반도체 공급에 영향을 끼칠 가능성이 있는 것이다.
또한 특히 반도체의 재료나 제조 장치의 경우 특정 회사의 점유율이 높아 갑자기 공급이 중단될 수 있는 위험 요인으로 작용하고 있다.
일례로 실리콘 웨이퍼의 경우, 노부코시화학공업의 세계 점유율은 30%에 가깝고, SUMCO는 20%다.
웨이퍼에 회로를 전사할 때 사용하는 포토마스크는 대일본인쇄와 돗판인쇄의 점유율이 높다.
더불어 웨이퍼 세정 장치 분야에서는 SCREEN 홀딩스가 40%를 점유하고 있으며, 도쿄 일렉트론도 포토레지스트를 도포하고 현상하는 장치 분야에서 90%를 점유하고 있다.
이들 모두가 일본 기업이기 때문에, 일본에 영향을 미칠만한 재해가 일어나면 전 세계에서 반도체를 만들 수 없는 사태가 발생할 가능성이 있는 것이다.
Ⅴ. 중국, 대만, 미국 세계 최고는 누구인가!
미국에서 반도체가 발명되었고 상용화에 성공했다. 그 후 일본이 일시적으로 높은 시장 점유율을 보였지만, 반도체의 수요가 개인용 컴퓨터에서 휴대전화로 바뀔 무렵부터 상승세를 잃기 시작했다.
이 시기부터 반도체를 둘러싼 전 세계 동향이 복잡해지기 시작한다.
수직 통합형에서 수평 분업형으로 비즈니스 모델이 달라지면서, 대만과 한국, 중국 등의 파운드리 기업들이 주목받게 되고 미국에서는 팹리스 기업이 늘어나는 등, 어떤 나라가 유독 강세를 보인다고 표현하기 어려운 구도가 되었다.
예를 들어 최첨단 반도체로 매출이 크게 오른 기업이라는 표현만 해도 실제로는 TSMC와 같은 최첨단 반도체 파운드리 기업과 팹리스 기업이 한 팀으로 움직이는 경우가 많아 쉽게 단정할 수 없다.
2022년 현재 반도체 제조를 전문으로 하는 파운드리 중 강세를 보이는 기업은 다음과 같다.
TSMC (대만), 삼성전자(한국), UMC (대만), 글로벌파운드리스(미국), SMIC (중국) 대만이나 한국, 미국과 더불어 중국의 기업이 파운드리 시장에서 상위권을 차지하고 있다.
그중에서도 정상에 자리 잡고 있는 기업에 TSMC다. TSMC는 최첨단 기술을 강점으로 승부하는 기업으로 2025년부터 2nm공정을 적용한 반도체 생산을 시작할 계획이다.
기술 면에서 압도적으로 강력한 TSMC를 바짝 뒤쫓고 있는 기업은 삼성전자로 스마트폰용 앱이나 자동차용 MCU를 중심으로 사업을 전개하고 있다.
한편, 반도체 설계를 전문으로 하는 팹리스 기업 중 강세를 보이는 기업은 다음과 같다.
퀄컴, 브로드컴, 엔비디아, 미디어텍(대만), AMD, 하이실리콘(중국)
팹리스는 주로 미국이 강세를 보이고 있으며, 대만과 중국이 추격하고 있다.
최근에는 대만과 한국, 중국이 반도체 시장에서 높은 실적을 올리고 있다는 뉴스를 접할 기회가 많을 것이다.
그래서 미래 반도체의 주역은 대만과 한국이다라는 인상을 가진 사람도 상당히 많을 것으로 생각한다.
[ 글을 마치며 ]
먼저 반도체는 산업의 쌀이라고 불리며 4차 산업혁명을 주도하고 있다는 것을 알아야 한다.
4차 산업혁명에서의 핵심은 인공지능, 데이터 클라우드 센터, 전기자동차, 자율주행차, 도심 항공 모빌리티가 있는데 모두 전기를 활용해서 아날로그적인 활동을 디지털로 전환한다는데 그 목적이 존재한다.
디지털로의 전환에 가장 핵심적인 역할을 하는 것은 결국 반도체가 되고 반도체라는 물질 위에 보이지 않는 정보가 저장되고 활용되는 형태로 발전하게 된다.
이런 점에서 볼 때에 반도체 산업은 모든 산업의 근간이 될 것으로 보이고 이 때문에 강대국들이 자국의 기술 우위 논리를 기반으로 안보 중점 주의 같은 정책을 펼치고 있는 것이다.
먼저 미국의 정책을 보면 최첨단 반도체 기술은 자국에서 설계되고 생산되고 공급되는 것을 주요 골자로 하는 Chip4 외교 정책을 펼치기 시작했다.
실질적으로 미국은 반도체 설계분야에서는 압도적인 1위 기술력을 가지고 있지만 제조나 전공정 후공정에서는 아직 괄목할 만한 성장을 보이지는 못하고 있다.
이 부분을 보충하기 위해서 인텔에 막대한 투자를 하고 있지만 2024년 말이나 되어야 어느 정도의 가시성이 확보되는 수준이다.
하지만 인공지능의 발전과 Chip의 활용도는 2022년부터 시작이 되었고 엄청난 경쟁의 소용돌이가 시작되고 있는 형태이다.
시간적인 여유가 없는 4차 산업혁명 가치 사슬의 끝단에 있는 기업들은 파운드리 공정을 앞세운 대만을 활용하기 시작했고 대만은 소부장에 강점을 둔 일본과 손을 잡게 되었다.
여기에 파운드리에서는 2위의 강점을 지니고 메모리 산업에서의 독보적인 1위인 한국도 Chip4의 주축이 되어서 외교적인 협상을 이끌어나가고 있는 모양새이다.
이를 요약해 보면 앞으로 Chip4가 바라는 새로운 반도체 지형은 설계는 미국에서 조립 제조와 생산은 대만과 한국에서 소부장은 일본에서라는 공식이 성립되게 된다.
하지만 이 안에서도 외교적인 이슈와 지정학적인 문제가 발생될 수 있기 때문에 언제 어떻게 변화하게 될지는 모를 일이다.
앞으로도 어떤 변화가 지속적으로 발생하게 될지 관심을 가지고 계속 공부해 나가도록 해야겠다.
참고 도서 : 교양으로 읽는 반도체 상식 ( 고죠 마사유키 )
