반도체 패권전쟁
[10년 후 더 빛나는 책] 반도체 투자 전쟁 (김영우 지음)
경제 뉴스를 읽어 보면, 수출 품목 1위 반도체, 3 나노 파운드리, EUV 공정과 같이 온통 반도체 뉴스가 포털을 채운다. ‘반도체 투자 전쟁 (김영우 지음)’은 현재의 반도체 산업과 앞으로 2030년까지 지속될 미국, 중국, 한국, 대만의 반도체 패권 및 경쟁에 대하여 원인과 각 국의 추진 전략에 대하여 잘 설명하고 있어서, 반도체 산업과 한국 경제를 이해하는 입문서의 역할을 하게 될 것이다.
반도체 패권 전쟁
2015년 중국이 반도체 굴기를 선언한 즈음부터, 미국과 중국의 반도체 패권전쟁은 두 나라의 미래 운명을 걸고 맹렬한 기세로 진행되고 있다. 사실상 반도체 산업의 주도권은 한국과 대만이 가지고 있다.
중국은 2015년 5월 중국 국무원이 발표한 ‘중국 제조 2025’에서 2025년까지 반도체 핵심 칩 국산화와 첨단 메모리 개발을 포함한 10대 산업 발전 계획을 세우고, 칭화 유니그룹의 YMTC와 SMIC 등 자국 내 IC 제조 기업을 지원하고 있음에도 좀처럼 반도체 굴기에 가까이 가지 못하고 있다.
미국은 시스템 칩 설계에 있어서 인텔, 애플, 퀄컴이 주도하고 있다. 또한 파운드리에 대하여는 중국 정책을 쫓아서, 자국 기업인 인텔과 마이크론에 유리한 정책을 내세우고, 한국과 대만업체의 파운드리 공장을 자국에 유치하기 위하여 설비투자 비용의 40%를 돌려주는 정책을 제시하였고, 중국의 화웨이와 하이실리콘 등을 블랙리스트 기업으로 지정하고 스마트폰과 5G 모뎀에 핵심 부품 수출 및 설비 공급에 대한 제재를 하였다.
한국은 D램과 낸드 플래시의 메모리 반도체 분야에서 1위를 하고 있지만, 스마트폰, 클라우드, AI, 자율주행 자동차의 머리를 담당하는 시스템 반도체에 있어서는 시스템 칩 설계와 파운드리에서의 도약과 시스템 반도체의 생태계 형성이 되어야 발전이 가능할 것으로 보인다.
반도체 시장
반도체 제품은 정보를 저장하고 기억하는 메모리 반도체와 연산과 추론 등 논리적인 정보 처리 기능을 하는 시스템 반도체로 이루어진다. 그리고 메모리 제품은 D램과 NAND 플래시가 대표 제품으로 현재는 삼성전자(한국), SK하이닉스(한국), 마이크론(미국), 키옥시아(일본)와 같이 종합 반도체 회사(IDM)들이 생산하고 있다. 이와는 달리, 시스템 반도체는 CPU, GPU, AP 등이 해당 제품으로 칩 설계, 파운드리, 패키징 및 검사 (OSAT)의 분업화로 제품이 생산되고 있다.
반도체 제품군 및 주요 업체 (2020년 M/S)반도체 공정과 필름 카메라
지금은 모두가 스마트폰으로 사진을 찍지만, 예전에는 필름 카메라를 사용하여 사진을 찍었다. 반도체 공정은 필름 사진을 현상하는 것과 비슷하다. 암실에서 현상과 인화로 흑백 사진을 뽑는 과정과 비슷하다. 필름 카메라는 감광제가 발라져 있는 필름에 카메라를 통해 영상을 맺히게 한 다음, 이를 현상액, 정지액, 정착액을 순차적으로 이용하여 필름을 현상하고, 노광 및 확대를 통해 인화지에 인화함으로써 한 장의 사진이 나오게 된다.
반도체 공정은 기술적으로 차이가 크겠지만, 필름을 현상하는 것과 같이, 웨이퍼에 감광제를 도포하고, EUV 노광기를 이용하여 회로 패턴이 그려진 마스크와 똑같은 모양으로, 웨이퍼에 EUV 단파장의 빛을 쬐서 그리는 과정을 하게 된다. 그리고, 식각 등을 진행하고, 패키징 처리를 함으로써 D램, NAND 플래시, 또는 시스템 반도체로 사용될 수 있다.
여기서 마스크에 그려진 회로 패턴은 사진을 찍는 대상인 인물 및 풍경이 되고, EUV 노광기가 SLR 카메라에 해당한다고 보면 된다.
반도체 핵심 기술: 초미세공정, FET, 적층 메모리
하이앤드(High-end) 반도체에서 중요한 것은 메모리 용량, 연산 처리 속도와 함께, 작게 만들면서 소모 전력을 작게 하는 데 있다. 이에 따라, 회로의 패턴을 가늘게 할수록 작게 만들 수 있고, 소모 전력도 감소하게 되어, 공정에서 7 나노인지 5 나노 공정인지가 하이앤드 반도체 제조의 핵심이 된다. 5 나노 공정은 7 나노 공정에 비해 칩 사이즈가 50% 줄어들고, 소비 전력은 20% 줄어들게 된다.
메모리의 경우, 삼성전자와 SK 하이닉스는 EUV 초미세공정을 도입하였고, 시스템 반도체에서는 TSMC와 삼성전자만이 5 나노 공정을 진행하고 있으며, TSMC는 최근 3 나노까지 상용화 준비를 마친 상황이다. 나노 미터 수준의 초미세 공정을 위해서는 EUV 노광기 뿐만 아니라, EUV 마스크를 포함한 모든 공정에서 초미세공정이 뒷받침되어야 한다. 극자외선 (Extreme Ultra Violet)은 자외선 밖의 X-레이에 가까이 위치하여 13.5 나노의 파장을 가지고 있으며, 모든 물질에 흡수가 되기 때문에 진공 상태에서 공정을 하여야 하며 렌즈 등을 사용하기 어려운 대역이다. EUV 노광기의 진화에 따라, 1 나노 공정까지 가능하게 될 것이다.
또한, 잔류가 흐르지 않게 하는 FET (Field Effect Transistor) 구조 혁신을 통해 빠른 프로세싱이 가능해진다. 기존에 게이트웨이 기술이 평면형 게이트웨이에서 소스(source)와 드레인(drain) 양단간에 전류가 흐르는 채널(channel)의 세 개의 면을 둘러싸는 Tri-Gateway로 발전하였고, 최근에는 4개의 면을 제어하는 GAA(Gateway All Around) 기술이 제안되었다. 또한 메모리 수직 적층 기술을 통해 용량을 늘릴 수 있는 데, 최근 7세대인 176단 적층 기술이 낸드플래시 양산에 적용되고 있다.
반도체 핵심 기술(초미세공정, FET 구조, 적층 메모리)반도체 시장에서의 펠로톤과 드래프팅
한국은 메모리 시장 1위라고 해서 안심할 수 있는 상황은 아니다. 마이크론(미국) 은 176단 적층 기술을 적용한 NAND 플래시 양산을 세계 최초로 2020년 11월 시작하였고, TSMC(대만)는 2021년 들어와 3 나노 공정을 통한 칩 성능 테스트를 진행하고 있다는 것은, 이 시장에서의 기술 경쟁이 얼마나 치열한 지를 보여주는 것이다.
드래프팅은 사이클에서 사용하는 기술이다. 선두 그룹과 펠로톤 (peloton)을 형성하되, 뒤에 바짝 따라 감으로써 바람 저항이 줄어들게 되고, 힘을 비축함으로써 결승선을 앞두고 추월하는 전략이다. 미국과 중국의 반도체 패권 전쟁 중에, 한국은 메모리 반도체에서의 우위 전략을 유지하는 반면, 파운드리에서 3 나노의 초미세공정을 따라잡고, 시스템 반도체의 설계 능력과 에코시스템을 키움으로써 2030년에 선두로 치고 나가는 전략을 준비하고 있다.
