대한민국의 반도체 산업

Arm 나스닥 '데뷔' 첫날 25% 급등

이라는 기사가 오늘(2023-09-15) 아침에 올라왔다. 이 ARM이라는 회사는 어떤 회사인가 그것을 알려면 반도체 산업에 대한 전반적 지식이 필요하다.

ARM은 컴퓨터의 CPU와 스마트폰 두뇌로 불리는 AP칩 설계도를 제공하고 그에 대한 라이선스(수수료) 비용을 받아 수익을 얻는 회사다. 삼성전자는 물론 애플, 퀄컴 등의 주요 반도체 기업이 모두 ARM 설계도를 구매해 자체 규격에 맞게 변경하고 있으며, 전 세계 스마트폰의 95%가 ARM이 설계한 반도체 IP를 사용한다. 세계 각국에서 500개가 넘는 반도체 업체들이 ARM의 반도체 설계자산(IP)을 도입하고 있을 정도다. 현재까지 ARM 디자인을 기반으로 약 2300억 개 이상의 칩이 만들어졌으며, 지난해 기준 ARM의 기술 로열티 수익은 전년보다 20.1% 증가했다. 한마디로 뒤에 설명할 펩리스(반도체 설계자)들의 머리 위에 있는 회사이다.

 일본 손정의 소프트뱅크 회장은 일찌감치 이 같은 ARM의 성장성을 주목했다. 그는 2016년 7월 243억파운드(약 36조원)를 주고 ARM을 매입하게 된다. 당시 손 회장은 "바둑으로 치면 50수 앞을 내다보고 인생 최대의 베팅을 했다"고 말한 것으로 전해진다. 다만 ARM은 반도체 설계 IP만 제공한다는 기존 수익모델을 고수하면서 손정의 회사가 갈등이 생기는데, 여기에 소프트뱅크가 운용하는 비전펀드의 투자 실패로 자금난이 심화되자 손 회장은 결국 매각 카드를 꺼내든다.

 

2020년 미국 그래픽처리장치(GPU) 선도 기업 엔비디아에 400억달러(약 56조원) 규모로 매각을 추진한 것이다. 하지만 미국과 영국, 유럽연합(EU) 등 규제 당국이 모두 반대 의사를 표시하면서 딜은 무산됐다. 당시 삼성전자와 인텔, AMD, 퀄컴 등도 특정 기업이 ARM을 소유하는 것은 안정적 모바일 반도체 IP 공급에 차질을 빚을 수 있다며 우려의 뜻을 전했다.

이에 삼성전자는 ARM 지분을 일부 취득하는 방식으로 인수전에 나설 것으로 보인다.

반도체의 원리는 무엇인가

특정신호엔 구조적 변화가 생겨 도체로 변하는게 반도체이다

반 + 도체 = 도체와 부도체의 중간 성질
우리는 보통 일상생활에서 ‘전기가 통한다. 혹은 전기가 안 통한다.’는 말을 자주 사용합니다. 보다 정확히 말하면 ‘전류가 흐른다. 흐르지 않는다.’라 말할 수 있는데요
도체[Conductor]란, “전기 혹은 열이 잘 흐르는 물질”로 철, 전선, 알루미늄, 가위, 금 등 부도체란[Insulator]란, “전기 혹은 열이 흐르지 않는 물질”로 유리, 도자기, 플라스틱, 마른나무 등 을 말합니다. 전기공학에서는 전기가 흐르는 정도를 ‘전기전도도’라 칭하는데, 도체는 전기전도도가 아주 큰 반면, 부도체는 거의 0(제로)라고 할 수 있다.

그렇다면, 반도체는 무엇일까

이름에서부터 중간적인 성격이 느껴지는데요~
반도체[Semiconductor]란, 일반적으로 “전기전도도가 도체와 부도체의 중간정도”되는 물질로서
半 + 導體 또는 SEMI + CONDUCTOR 라는 뜻을 지니고 있습니다.
순수 반도체는 부도체와 같이 전기가 거의 통하지 않지만, 어떤 특정 신호/과정을 가하면 도체처럼 전기가 흐르기도 한다는 특징을 지니고 있다.

주기율표 4족에 위치한 원소들이 이에 해당하는데 대표적으로 Si(규소)와 Ge(게르마늄)이에 해당한다.

 

대한민국 반도체의 역사

국내 최초의 반도체 기업은 1965년 미국의 소기업인 ‘고미’가 간단한 트랜지스터를 생산하기 위해 설립한 합작기업이었다. 본격적인 제조업은 1966년 미국 반도체 제조사 페어차일드가 투자를 하면서 시작됐고 이후 모토롤라, 시그네틱스, AMI, 도시바 등이 잇따라 투자 대열에 참여했다. 그러나 이 때만해도 우리나라의 값싸고 우수한 노동력을 겨냥해 단순한 제품조립 수준의 노동력을 빌려주는 수준이였다.

반도체 제조의 원재료라 할 수 있는 웨이퍼 가공생산을 우리나라에서 처음 성공한 것은 1974년 한국반도체가 설립되면서다. 그러나 이 회사는 공장 준공 2개월만인 1974년 12월, 자금난에 봉착하고 이건희 회장(당시 중앙일보 이사)이 사재를 털어 인수한다. 이것이 삼성전자 부천 반도체 공장의 시작이다.

삼성은 이 공장에서 1975년 전자 손목시계용 IC 칩을 개발, 국내생산하기 시작했다. 또 1976년에는 국내에서 처음 트랜지스터 생산에 성공하고 당시로서는 최첨단인 3인치 웨이퍼 가공설비까지 갖추고 의욕적인 사업을 전개했다.

 

이후 경쟁 재벌기업인 금성( LG전자의 전신)은 대한전선이 1977년 설립한 대한반도체를 인수하고 미국의 AT&T와 합작으로 금성반도체를 설립했다. 1979년에는 한국전자가 일본 도시바와 합작형태로 트랜지스터, 다이오드 등 개별 소자 완제품을 생산하기 시작했다.

 

그러나 1970년대에는 양적인 성장에도 불구하고 반도체를 하나의 독립된 산업으로 관심을 갖기 보다는 전자산업의 부품산업으로 주목했다. 국내 반도체산업이 독립된 산업으로 자리잡을 수 있도록 과감한 연구개발과 투자가 일어나기 시작한 것은 1983년부터다. 이웃 일본기업들이 반도체 사업에 집중적으로 투자해 미국에 필적하는 성과를 거두는데 자극을 받은 것이다. 당시 미국 인텔은 D램을 처음 제품화한 기업이지만 일본에 밀리자 D램을 포기하고 CPU에만 전념키로 하는 획기적인 결정을 내리기까지 했다.

그럼에도 불구하고 막상 삼성이 1983년 본격적으로 반도체 산업에 뛰어들겠다고 하자 정부관리들 조차 비판하는 사람이 많았다. 이른바 ‘도쿄선언’을 통해 1983년 2월 8일 당시 삼성의 이병철 회장이 반도체 산업 참여를 선언하자 정부의 모 고위 관리는 “사업성도 불확실하고 돈 많이 드는 반도체를 왜 한단 말인가. 차라리 신발산업을 밀어주는 게 낫다”고 비난했다. 물론 앞서 있던 일본의 반도체 업체들도 실소를 금치 못했다고 한다. 반도체 산업은 그만큼 투자가 많이 필요한 산업이었고 고난도의 기술이 필요했기 때문이다.

 

정부의 반도체 산업에 대한 획기적인 지원은 1985년 삼성, 현대, 금성이 설립한 반도체 연구조합과의 공동연구개발 사업제의를 적극 수용한 것이다. ‘단군 이래 최대 국책사업’이라는 이 연구개발 사업에 정부는 총 1천900억원의 연구비 중 600억원을 지원했다. 이 연구개발 사업의 결과물은 1990년대에 금성과 현대가 세계 주요 D램 기업으로 성장하고 우리나라가 세계 D램 시장 점유율 1위를 달성하는 발판이 됐다.

 

D램 시장에서만 점유율 1위를 명심해야한다. 한국이 반도체 시장에서 가진 점유율은 생각보다 크지 않으며 그 중에서도 삼성전자만이 그나마 약진한 성적을 거둘뿐 SK하이닉스(구 LG전자 금성사)는 과거 LG의 영광일 뿐 그다지 활약하지 못하고 있는 실정이다.

 

국제 반도체 산업 구조와 반도체 시장의 규모 차이

반도체 시장은 크게 메모리 반도체와 미메모리 반도체로 나뉜다.

메모리 반도체는 정보를 저장하는 반도체를 말하고 비메모리 반도체는 정보는 저장하지는 않으나 정보를 가공하고 처리하는 연산이나 제어기능 담당하는 반도체를 말한다.

두 사업분야 중 어디가 더 돈이 되는 사업분야라 구분한다면 단연코 비메모리 분야라고 말할 것이다. 

 

 

1. 메모리 반도체

휘발성 메모리(D램) : 전원이 꺼지면 저장된 내용이 사라지는 휘발성을 가짐

비휘발성 메모리(낸드플래시) : 전원이 꺼지더라도 저장내용이 보전되는 비휘발성을 가짐

 

위 와 같이 휘발성 메모리(D램)와과 비휘발성 메모리(낸드플래시)를 나눠 놓은 목적이 있습니다.

정보를 처리하는 용도를 나눠놓아야 효율적이기 때문입니다.

 

휘발성 메모리(D램) 같은경우 성격이 정보저장 능력이 떨어지는 대신에 처리 속도가 아주 빠르다.

 

비휘발성 메모리(낸드플래시) 같은 경우 정보처리 능력이 없는 대신 저장능력이 아주 좋다.

 

현재 휘발성 메모리의 대표는 D램이고 비휘발성 메모리의 대표는 낸드플래시이다.

D램은 컴퓨터와 모바일기기에 부품으로 사용된다.

 

2.비메모리 반도체

비메모리 반도체란 저장하지 않는 반도체를 말한다. 정보처리가 목적이다.

 

비메모리 반도체를 시스템반도체라고도 말한다.

컴퓨터의 중앙처리장치(CPU), 모바일 중앙처리장치(AP), 이미지센서 등을 말한다.

 

대한민국의 반도체 산업을 대부분 메모리 반도체 분야에 치우쳐 성장했다고 봐야 한다. 그래서 지표상 세계 1위라고 하는 부분도 당연 메모리 분야다. 그러나 반도체 시장의 규모는 비메모리 시장이 앞도적으로 높으며 성장 가능성 또한 비메모리의 성장이 두들러지게 커지고 있다.

그러나 비메모리 반도체는 고도의 설계기술이 필요하고 제품 종류기 매우 다양하기 때문에 여러 업체가 함께 역할을 나누어 생산하는 것이 유리하다. 그래서 이 분야는 다음 그림처럼 분야가 나누어진다.

펩리스(설계) / 파운드리(제조) / 패키지(조립/포장)

1. 펩리스(설계)- 그말 그대로 비메모리 반도체를 설계만 하는 분야로 그야말로 필요에 의한 주문이 들어오면 설계도면을 작성해주는 분야다. 펩리스의 설계자산(IP)를 공급하는 특수기업 ARM이 존재한다, 이 기업은 반도체 제조사인 펩리스들을 주고객으로 두는 회사다. 

2. 제조(파운드리) - 이 분야의 대표적인 기업이 대만의 TSMC이다.

TSMC의 등장 배경엔 대한민국이 존재한다. 대한민국이 메모리 분야 선두주자에 올라선 1990년대 성장 가능성에 주목한 한국의 삼성전자는 비메모리 분야의 진출을 선언한다. 이미 전세계 비메모리 분야는 미국의 업체들이 거의 독점했다 할 정도의 분야로 이 진출은 생각보다 대단한 발걸음이였다.

 

삼성전자의 비메모리 진출은 기존의 업체와의 경쟁이였기엔 설계와 제조를 함께 하는 기타 미국기업들과 동일한 구조에서 시작되었다.

앞서 말했든 설계를 마치고 제조과정에 들어가면 자연스레 노동력이 필요한 공장이 필요하게 된다.

 

그때 강점이 되는 것이 비교적 개발도상국이였던 대한민국의 값싼노동력이였다. 대한민국이 메모리 분야 선두 기업인 일본의 기업들을 제치고 1위를 할 수 있었던 원동력도 여기에 있고 2000년에 들어 메모리 시장을 중국에 야금야금 빼앗기는 이유도 여기에 있다. 미국기업들이 해결책으로 제시한 것이 값싼 노동력, 세계의 공장이라 불리우는 중국 공장의 건립이였다.

 

이때 예상치 못한 문제가 발생하니 문제는 도면이 유출되면 기술유출이 된다는 기술보안이 중점적 사안이 되어 애플, 인텔 등등 미국기업이 값싼 노동력을 위해 중국에 공장을 짓는 일도 문제가 되었다. 그래서 개인용pc 보급의 대표기업인 인텔은 중국공장을 포기하기에 이른다.

 

이 점을 노리고 만들어진 기업이 TSMC이다. 그들은 파운드리라고 자신들을 명칭하며 우린 절대 설계를 하지 않으며 보안을 취우선으로 지켜주며 오롯이 제조만을 위한 공장과 노동력만 제공하는 대만의 국영기업으로 1987년 설립되었다. 처음 TSMC의 탄생은 획기적이였고 모든 펩리스 업체들의 러브콜을 받으며 슈퍼을 되었다.

 

TSMC와 삼성전자의 파운드리 전쟁

TSMC의 등장은 충격적이였으며 세계 주요 펩리스 기업의 모든 주문수주는 TSMC의 손으로 들어가게된다. 

삼성전자는 겨우 점유율을 차지하기 시작한 비메모리 반도체 분야에 적신호가 켜졌다.

하여 삼성전자와 TSMC의 두기업의 파운드리 분야 전쟁이 시작되었다고 봐야한다,

삼성전자는 애니콜(삼성전자 자체 휴대폰 브랜드)의 성장을 발판 삼아 펩리스의 영역의 성장까지도 도모해 반도체 시장안에서의 영향 확장을 노렸다.

그리고 이 때부터 시작된 하나의 사건이 등장한다.

이른바 파운드리 기술 경쟁, 초미세공정 기술 경쟁이다.

파운드리(제조) 분야의 핵심은 실리콘 웨이퍼 라는 이 원판 위에 얼마나 많은 반도체를 뽑아내는가와 뽑아낸 반도체의 불공정율을 낮추는 것으로 결정난다. 이는 결국 반도체의 단가가 결정되기 때문이다. 

이 때 더 미세하고 작게 설계된 반도체를 제조해낸다면 1 웨이퍼에서 100개 생산하던 것이 더 미세한 공정으로 150개 생산된다면 반도체 단가가 더 싸지니 이 것이 파운드리의 핵심이다.

 2015 개인용PC 보급이 한참이던 이 시절 펜티엄으로 대표되던 5세대 개인용PC를 설계 제조하던 인텔이 사용하던 초미세공정은 14nm(나노)였다. 

기술 경쟁을 하듯 TSMC와 삼성전자는 2년주기로

더 미세한 공정인 12nm-10nm까지 이 공정을 끌어올린다. 마침내 인텔은 10nm의 운영 실패(10nm공정 시행은 했으나 불량율 관리에 실패)로 파운드리를 삼성전자에 수주하게 된다. 이로써 미국의 기업들은 펩리스로 파운드리(삼성-TSMC)라는 2분법이 세계 시장에 성립되었다. 지난 2022.3 삼성전자의 3nm공정 성공-TSMC도 2022.12 3nm공정 양산에 들어감으로써 이제 삼성과 TSMC는 2나노 이하 초미세공정을 선언하게 되었다. 문제의 기점이 2023년으로 넘어온 것이다. 현재까지의 추이를 보면 3나노 공정의 양산은 삼성이 먼저 성공했음에도 불구하고 파운드리분야 세계 점유율은 TSMC와의 격차가 더 벌어졌다.

펩리스가 우려하는 보안이라는 문제가 생각보다 컷던 것으로 인식된다. 하지만 이제는 추이가 달라질 것이라고 장담한다.

그 이유는 더이상의 초미세공정의 진행 방식의 방향성이 달라졌기 때문이다.

3nm이하로 내려간 공정 즉 2nm이하의 공정은 삼성에서 물리적인 축소로 방법이 없다고 선언했다. 반대로 TSMC는 가능하다라고 말한다. 두 회사가 내놓은 2nm 공정 기술 방향이 갈려버린 것이다. 2nm이하 개선 방안을 두 회사 각각 발표했다.

먼저 TSMC는 더 미세하게 조작이 가능하고 발표했다. 2nm이하면 그만큼 더 작게 제작하면 그만이라는 소리다. 

삼성전자에서 발표한 이론은 좀 다르다. GAA 트랜지스터 구조 기존의 수평방향을 더 미세하게 줄여서 불량율을 낮추기엔DNA가닥보다 얆은 공정을 해야하는데 불가능하다는 판단- GAA 트랜지스터 구조는 웨이퍼상 공간을 수평이 아닌 3차원으로 사용하여 두께를 달리함으로써 반도체를 이끌어내는 구조이다. 현재까지 GAA 트랜지스터 구조를 도입한 파운드리 업체는 삼성전자가 유일하다. 이 기술로 인해 2025년 2mn공정을 2027년엔 무려 1.4nm 공정 양산로 파운드리 시장 기술 격차를 벌려 5년안에 TMSC와의 격차를 따라 잡겠다는 의지를 내보였다.

오늘날 반도체는 차량이나 AI기술 등 4차 산업의 성장에 힘입어 시장 규모가 더 커질 것으로 전망된다. 2017년대비 2028년 추정 5배이상 커질 것으로 예상된다. 현재까지 3mn의 초미세고정이 가능한 파운드리 업체는 TSMC와 삼성전자가 유일하다. 인텔 및 미국의 펩리스 기업들도 앞다투어 초미세공정에 다시 뛰어들겠다고 로드맵을 발표하지만 10mn이 후 그들은 모두 손을 놓았었다. 삼성전자의 2mn이하 기술 양산이 시작될 2025년 반도체 시장의 판도가 바뀔거라 예상된다.

 

삼성전자는  백악관이 주도한 '반도체 회담'에 참석한 삼성전자는 이르면 상반기 내에 미국 반도체 공장 투자계획을 확정했다. 향후 20년간 250조원 규모의 투자계획안 제출, 반도체 공장 11개를 신설할 계획인 것으로 알려졌다. 이는 미국을 반도체 거점 삼아 미국의 펩리스 기업을 끌어안겠다는 전락으로 보여진다.