중국 반도체와 고단한 자립기술
중국 반도체와 고단한 자립기술
  • 김상욱 대기자
  • 승인 2021.01.28 10:58
  • 댓글 0
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- 7nm 칩 생산업체 : 한국 삼성과 대만의 TSMC
- 중국 연간 331조 원 상당 반도체 수입
- 중국 반도체 제조기술 얼마나 뒤쳐졌나 ?
- 중국 반도체 자급률 20% 미만
중국이 연간 3000억 달러(약 331조 5,000억 원)어치의 반도체를 수입하고 있는데, 이 중 절반 이상이 완제품으로 재수출되고 있지만, 제조에 있어서는 기술 곡선이 밑으로 깔려 있는 처지이다. (사진 : 유튜브)
중국이 연간 3000억 달러(약 331조 5,000억 원)어치의 반도체를 수입하고 있는데, 이 중 절반 이상이 완제품으로 재수출되고 있지만, 제조에 있어서는 기술 곡선이 밑으로 깔려 있는 처지이다. (사진 : 유튜브)

마이크로 칩으로도 알려진 반도체는 수억 개의 트랜지스터로 구성된 실리콘 기반의 장치이며, 경우에 따라서는 수십억 개의 트랜지스터가 전자의 움직임을 제어하는 작은 '스위치' 역할을 한다.

오늘날 가장 진보된 칩은 7나노미터(7nm) 제조 공정으로 생산되는데, 1나노미터는 1미터의 약 10억분의 1미터에 해당한다. 예를 들어 7nm 칩을 생산할 수 있는 기업은 세계적으로 한국의 삼성과 대만의 TSMC 두 회사뿐이다. 나노미터 공정 노드가 작을수록 회로 성능이 향상되고, 전력 소비량이 감소하기 때문에 대단히 중요하다.

중국이 연간 3000억 달러(3315,000억 원)어치의 반도체를 수입하고 있는데, 이 중 절반 이상이 완제품으로 재수출되고 있지만, 제조에 있어서는 기술 곡선이 밑으로 깔려 있는 처지이다.

화웨이(Huawei)의 첨단 칩 접근을 차단한 미국의 제재 부과로 반도체 자급자족 욕구가 빨라졌지만, 중국의 목표가 쉽지 않고, 수십 년이 걸릴 수 있다는 게 전문가들의 분석이라고 홍콩의 사우스 차이나 모닝 포스트(SCMP)27일 전했다.

반도체와 미국과 중국 사이의 기술전쟁에서 힘의 균형에 있어 반도체의 역할은 중요한 역할을 하고 있다.

과연 반도체는 무엇이며 어떻게 만들어지는가?

반도체는 어떤 조건에서는 전기를 전도하는 물질이지만, 또 다른 조건에서는 전도하지 못하는 물질로 전류를 조절하기에 좋은 매개체다. 집적회로(IC)나 마이크로 칩으로도 알려진 세계 반도체의 대부분은 실리콘과 같은 순수한 원소로 만들어진다.

실리콘의 원료는 모래인데, 모래는 정제되어 고체 원통형 잉곳(ingots, 주괴=덩어리)으로 녹인 후, 완성된 칩으로 가공할 수 있도록 얇은 디스크나 웨이퍼로 자른다.

실리콘 웨이퍼는 웨이퍼 팹(wafer fab)이라 불리는 공장에서 매우 복잡한 제조 단계(에칭 및 확산 등)를 거친다. 수백 개의 단계가 필요할 수 있는 제작 공정은 다양한 재료의 패턴을 서로 겹쳐 놓는다. 칩을 만드는 데 사용되는 레시피는 최종 용도에 따라 다르다. 그런 다음 개별 칩(다이-die라고 함)을 잘라서 스마트폰, TV, 컴퓨터, 의료 장비와 같은 전자 기기에 내장되는 완성된 반도체로 포장한다.

반도체 산업에는 세 가지 비즈니스 모델이 있다. 디자인-설계(: 퀄컴-Qualcomm, 엔디비아-Nvidia)에만 집중하고 공장이 없는 기업은 팹리스(fabless)기업으로 불리며, 제조업(: TSMC, SMIC)에만 집중하는 기업은 웨이퍼 파운드리(wafer foundries)‘라 불리고, 둘 다 하는 기업은 IDM(Integrated Device Manufacturers : 인텔-Intel, 삼성-Samsung)이라고 불린다.

반도체 공급망에 관여하는 다른 두 종류의 회사가 있다. 전자 설계 자동화(EDA) 기업(: 캐던스-Cadence, 시놉시스-Synopsis)은 집적 회로를 설계하는 데 사용되는 복잡한 소프트웨어를 개발하고, 이른바 백엔드(back end)’ 기업(: Amkor, ASE)은 웨이퍼 파운드리에서 나온 개별 칩의 조립 및 테스트를 수행한다.

그러면, 가장 일반적으로 사용되는 칩의 종류는 어떤 것인가 ?

마이크로 칩은 수십억 개의 트랜지스터를 포함할 수 있으며, 이 트랜지스터는 장치 안에서 전기가 흐르는 방식을 제어한다. 실리콘에 트랜지스터를 배열하면 칩의 기능이 결정된다.

예를 들어 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU)는 엄청난 양의 데이터를 처리하는 데 사용되는 컴퓨팅 엔진(computing engines)이다. 하지만 그들은 각각 독특한 건축물을 가지고 있고 다른 목적을 위해 지어졌다.

모든 컴퓨터의 두뇌(brain)CPU는 명령을 실행하고, 컴퓨터와 운영 체제에 필요한 처리를 수행한다. 다양한 워크로드(업무량)에 적합하며, 다용도, 멀티태스킹, 프로그래밍 용이성 등의 이점을 제공한다.

수천 개의 프로세서 코어가 동시에 실행되도록 설계된 GPUCPU보다 몇 배 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있지만, 다재다능하지는 않다. 원래 그래픽을 위해 설계된 GPU는 현재 게임, 인공지능(AI), 머신 러닝과 같은 광범위한 계산 집약적 응용 프로그램에서 사용된다.

RAM(Random Access Memory) 칩은 데이터를 저장하는 데 사용되며, DRAM은 컴퓨터에서 가장 널리 사용된다. 이들은 일련의 임시 저장 영역이 서로 연결되어 있는 것처럼 보인다. 그러나 데이터를 무한정 저장하는 하드 드라이브와 달리 RAM은 시스템을 재부팅할 때마다 재설정된다.

프로그램을 실행하고 작업을 실행하려면 컴퓨터가 임시 데이터에 빠르게 액세스해야 한다. 따라서 애플리케이션은 스토리지(storage) 장치에서 데이터에 액세스하는 것보다 훨씬 빠른 RAM에 데이터를 읽고 쓴다.

왜 반도체는 작은 것이 더 강한가?

1965년 미국 칩 제조업체 인텔을 공동 창업한 고든 무어(Gordon Moore)는 집적회로에서 트랜지스터의 수가 대략 2년마다 두 배씩 증가할 것이라고 예측한 논문을 썼다. ‘무어의 법칙은 많은 전문가들이 그것이 벽에 부딪힐 것이라고 예측했음에도 불구하고 그 이후로 계속 유지되어 왔다.

오늘날, 가장 진보된 칩은 70억 개 이상의 트랜지스터를 포함하고 있으며, 7 나노미터 제조 공정을 사용하여 웨이퍼 팹이라고 불리는 공장에서 생산된다.

1나노미터는 1미터의 약 10억분의 1이다. 전 세계에서 7nm 칩을 대량으로 생산하는 기업은 두 곳뿐이다. 한국의 삼성전자와 대만에 본사를 둔 TSMC이다. 20207월 미국의 거대 반도체 회사인 인텔은 7nm 공정으로의 전환하느라 6개월 지연을 겪었다.

인텔과 삼성은 자체 칩을 설계하고 제조하기 때문에 통합기기 제조사(IDM)로 통한다. 대만의 TSMC는 자체 웨이퍼 팹이 없는 기업을 위해 칩을 생산하는 독립 웨이퍼 파운드리다. 팹리스 칩 제조업체로 알려진 이 디자인전용 회사에는 미국 퀄컴과 엔비디아, 미디어 등이 포함됩된다.

더 작은 나노미터 공정 노드(process nodes)는 회로 성능을 높이고 전력 소비를 줄여 스마트폰과 같은 제품에 쓰이는데 특히 배터리 충전량이 적기 때문에 매우 중요하다. TSMC에 따르면, 각각의 새로운 프로세스 노드는 보통 속도를 약 20% 높이고 에너지 사용을 40%까지 감소시킨다고 한다.

차기 기술노드는 2020년 상반기 TSMC에서 물량 생산을 시작한 5nm이고, TSMC 로드맵은 20223nm로 이동한다는 계획이다.

중국의 SMIC가 최근 전망에서 인용한 인터내셔널 비즈니스 스트래티지스의 자료에 따르면, 5nm 생산이 가능한 새로운 웨이퍼 팹은 14nm 팹의 두 배인 150억 달러(165,750억 원)가 소요될 것으로 예상된다.

무어의 법칙에 대해 루오젠추(Luo Zhenqiu) TSMC 총책임자는 지난 8‘3nm, 2nm, 심지어 1nm 공정 기술까지 그대로 유지할 것으로 믿는다고 말했다.

중국 반도체는 얼마나 뒤쳐져 있나?

중국은 연간 3000억 달러어치의 칩(이 중 1600억 달러어치)을 수입하고 있지만, 이 칩은 완제품에 재수출되고 있다. 중국이 가장 앞선 반도체 제조업체는 리처드 장(Richard Chang) 전 텍사스인스트루먼츠(Texas Instruments)2000년 설립한 중국국제집성전로제조유한공사(中芯国际集成电路制造有限公司, SMIC)이다.

SMIC는 팹리스 칩 제조업체용 칩을 생산하는 독립 웨이퍼 파운드리인 TSMC와 동일한 비즈니스 모델로 운영하고 있다.

상하이에 본사를 둔 SMIC는 칩을 제조하기 위해 외국 기술에 크게 의존하고 있으며, 최근 미국 장비 공급업체들이 중국 회사로 배송하기 전에 면허를 신청하도록 요구하는 미국 감시 대상에 올랐다.

업계 분석가 앤드류 왕(Andrew Wang)에 따르면, SMIC는 매출의 약 70%를 미국, 유럽, 일본 등으로부터 수입되는 장비와 재료에 투자하고 있다. 그러나 TSMC5nm 생산으로 전환하고 있지만, SMIC의 가장 진보된 프로세스 노드는 14nm수준이어서 7nm 노드의 절반에 달하는 트랜지스터를 포함하고 있다.

와세나르 협정(Wassenaar Arrangement)에 따르면, 미국과 동맹국들은 공산국가로의 이중 사용 기술 수출을 제한하고 있는데, 이는 SMIC와 다른 중국 본토 칩 제조회사들이 최신 칩 제조 기술에 접근할 수 없다는 것을 의미한다.

1996712일 네덜란드 바세나르에서 조인되었던 와세나르 협정은 과거 동구권군사 동맹체제인 바르샤바 조약국들이 참여한 전략 물자 및 무기 수출제한 협정을 말한다.

예를 들어, EUV(극자외선-extreme ultraviolet 파장으로 작동하는 레이저를 사용)라고 불리는 가장 진보된 석판 기계가 중국 수출이 차단됐다. EUV 기술은 7nm 5nm 프로세스 노드에 매우 중요하다.

다시 말해 중국 SMIC14nm 이상의 칩을 생산할 수 없는 DUV(심층 자외선 파장에서 작동)라는 초기 세대 기계만 사용할 수 있다. 최근 몇 년간 중국 반도체 업체들의 경쟁력이 크게 향상됐지만, 업계는 여전히 서구의 핵심 부품에 크게 의존하고 있어, 자급률이 20% 미만이라는 게 글로벌 컨설팅회사인 딜로이트(Deloitte)의 분석이다.

미국 시장 조사업체인 IC인사이츠(IC Insights)에 따르면, 2019년 중국의 집적회로 생산량은 중국이 필요로 하는 칩의 15.7%를 차지했다. 2018년 매출액 기준 세계 15위 반도체 기업은 각각 미국, 대만, 유럽, 한국, 일본에서 비롯됐다. 중국 본토 회사는 명단에 없었다.

왜 유럽 회사 ASML이 반도체 산업에서 그렇게 중요한가?

칩 제조 공정에서 가장 중요한 단계는 석판술로, 빛이 실리콘 웨이퍼에 작은 회로 패턴을 인쇄하는 데 사용된다. 이 빛은 마스크라고 불리는 청사진을 통해 투사되며, 시스템 광학계는 축소되고, 패턴은 포토에 민감한 실리콘 웨이퍼에 초점을 맞춘다.

네덜란드 ASML은 현재 7nm, 5nm 노드로 칩 생산에 필요한 최첨단 석판 시스템을 공급할 수 있는 유일한 업체다. EUV 스캐너로 불리는 이 기계들은 공기 대신 고진공에서 영상을 수행하고 렌즈 대신 초()평평한 다층 거울로 작업을 하며, 고출력 레이저로 주석 방울을 증발시켜 빛을 발생시킨다.

EUV 석판술은 193나노미터의 빛을 사용하는 DUV(심층 자외선-Deep Ultraviolet) 석판술보다 14배 가까이 줄어든 13.5나노미터(X선 레벨에 가까움)의 파장을 가진 빛을 사용한다.

DUV 기계는 일본 니콘과 캐논에서 구할 수 있지만, EUVASML이 유일해 서방국가들의 수출 제한으로 중국 반도체 제조사들이 이용할 수 없다.

그러면, 중국이 반도체를 서방 선진세계를 따라잡기는 얼마나 어려울까 ?

1990년대에 중국은 일본의 도움으로 두 개의 웨이퍼 생산 라인을 건설했다. 중국 국영 철강기업인 쇼우강 그룹(首钢集团, Shougang Group)1995NEC Corp.와 합작법인을 설립한 뒤 중국 국내 최초의 6인치 웨이퍼 팹 생산업체로 떠올랐다.

이후 상하이 화홍반도체(華虹半導體, Huahong Semiconductor)1999년 중국 최초의 8인치 웨이퍼 생산 공장을 건설하기 위해 NEC와 제휴했다. 두 벤처 모두 세계 반도체 시장에서 인상적인 이미지를 주지 못한 것은 생산 비효율과 빠르게 움직이는 반도체 산업에서 잘 작동하지 않는 경직된 하향식 관료주의(top-down bureaucracy) 탓이 컸던 것으로 분석된다.

2000년대 초반에는 중국 최고 수준의 웨이퍼 팹인 SMIC가 중국 및 국제 자금 지원을 받아 민간 벤처로 설립됐다. 다만 중국 내 웨이퍼 팹은 여전히 미국의 반도체 장비업체인 아플라이드 머티어리얼(Applied Materials)과 램 리서치(Lam Research) 등 해외 제조장비와 소재에 대한 의존도가 매우 높다.

시진핑(習近平) 중국 국가주석이 중국 최초의 경제특구로 지정된 지 40주년을 맞아 이번 달 기념행사에서 자력갱생의 길을 가야 한다(must take a path towards self-reliance)”우리의 혁신추진에 독립적이 되어야 한다는 뜻을 밝혔다.

위사오쥔(Wei Shaojun) 칭화대 마이크로 전자 나노전자학부 교수는 칩 자립을 위해 처음부터 시작하겠다는 발상은 이미 글로벌 기술 공급망이 고도로 통합돼 있어 현실적이지 않다고 말했다.

SCMP화제의 민감성 때문에 익명을 요구한 글로벌 투자은행 홍콩사무소 분석가에 따르면, 중국은 향후 10년 안에 응용소재와 램(RAM) 리서치의 장비에 대한 대안을 내놓지 못할 것이라고 한다고 전했다.

이어 그는 대부분의 경우 중국의 팹리스 반도체 업체가 제조업체나 장비업체보다 성공 가능성이 훨씬 높다고 생각한다고 말했다. 하지만 가장 큰 문제는 TSMC와 같은 글로벌 파운드리에 대한 접근성이 떨어질 경우라고 말하고 있다. 공식적으로는 중국 정부가 반도체 제조 기술이 중국산이어야 한다고 규정한 적이 없다.

오히려 외국인 자본, 기술, 인재 유치의 필요성을 강조해, 국내 기업, 특히 대만 기업과의 국제 협력을 확대하도록 독려하고 있다.

리펑페이(Li Pengfei) 중국사회과학원 산하 산업경제연구소 연구원은 중국이 고립될 경우, 반도체 기술에서 남의 등 짚고 뛰어넘기(leapfrog)나 비즈니스 모델 혁신은 매우 어렵다"면서 미국과 다른 선진국들은 EDA(전자 설계 자동화) 도구, 제조장비 및 재료분야에서 중국보다 앞서 있다고 강조했다.

반도체가 화웨이에 중요한 이유는 ? 그리고 華為海思(HiSilicon)는 무엇인가?

화웨이는 전자시스템 제조업체로서 제품 경쟁력을 높이기 위해 가장 앞선 칩이 필요하다. 리처드 유(Richard Yu) 화웨이 소비자사업부 사장은 예를 들어 7nm 공정으로 화웨이가 기존 키린 970 칩에 비해 20% 성능 향상과 40% 높은 전력 효율을 달성할 수 있었다고 말했다.

키린 980(Kirin 980)칩은 69억 개의 트랜지스터를 포함하고 있는데, 이것은 키린 970칩의 그것보다 1.6배 더 많다. 두 칩 모두 TSMC에 의해 제조됐다.

미국의 제재로 화웨이의 TSMC 접속이 끊기면서, 리처드 유 화웨이 소비자사업단 최고경영자(CEO)는 지난 8키린 900 시리즈가 종착역이 될 수도 있다고 말했다. 그는 올해는 화웨이 키린 하이엔드 칩의 마지막 세대일 수 있다이는 우리에게 엄청난 손실이라고 말했다고 SCMP가 전했다.

키린 900 시리즈는 화웨이의 주력 폰에 전력을 공급하는 데 사용될 뿐 아니라 이 회사의 중·고위급 아너 브랜드에서도 발견된다. 최첨단 ARM IP를 활용한 팹리스 업체인 하이실리콘은 화웨이 스마트폰에 사용되는 키린 프로세서도 설계했다.

20191월 화웨이는 2G, 3G, 4G, 5G 전화기를 지원하는 하이실리콘 디자인의 발롱(Ballong 5000) 모뎀 칩셋을 발표했다. 이 회사와 제휴하지 않은 화웨이 보고서 웹사이트에 따르면, 많은 현지 모뎀 제조사들이 사용하는 발롱 5000TSMC가 자사의 7nm 프로세스 노드를 사용하여 제작했다고 한다.

화웨이는 앞서 5G 기지국에 대해 반도체 제조업체인 자일링스(Xilinx) 등 미국 팹리스 업체의 칩을 사용했지만 미국의 제재로 공급이 끊겼다. 화웨이는 이 같은 금지를 기대하며 미국산 칩을 비축함과 동시에 자회사인 하이실리콘도 기지국용 새 칩을 설계하라고 지시했다.

미국 리서치업체 IC인사이츠에 따르면, 20201분기 하이실리콘 매출은 전년 동기 대비 54% 급증한 약 267000만 달러로 매출의 90%가 모기업인 화웨이에 돌아갔음에도 10위 팹리스 반도체 업체로 올라섰다.

하이실리콘은 경쟁사가 사용할 수 있는 선반에서 벗어난 맞춤형 프로세서를 설계할 수 있게 해줬기 때문에 화웨이에 중요한 역할을 했다.

미국의 최근 하이실리콘 같은 화웨이와 계열사 제재가 지난 115일 발효된 것은 TSMC가 화웨이용 칩 생산을 중단했다는 뜻이다. 화웨이는 가까운 미래를 위해 비축된 칩에 의존해 제품 라인을 겨우 유지하고 있다.

중국의 칩 산업의 미래는 어떨까?

외국 기술에 대한 업계의 높은 의존도에도 불구하고, 일부 분석가들은 중국이 거대한 시장 잠재력 때문에 따라잡을 수 있는 기회를 가지고 있다고 생각한다.

지난해 보고서에서 모건 스탠리는 중국이 칩 설계에 투자해야 하는가, 생산 능력을 높여야 하는가, 그리고 현지화나 세계화가 자급자족할 수 있는 가장 효과적인 방법인가라는 근본적인 질문을 던졌다고 말했다.

보고서는 중국 반도체 산업 선진화의 관건은 대규모 제조업을 추구하기보다는 칩 설계에 있다는 결론이다. 또 그것은 세계화보다 현지화에 달려 있다는 결론이다.

특정 칩 설계 측면에서 중국이 스마트폰과 무선 기지국용 네트워킹 칩과 전력반도체 분야에서 성과를 거두고 있다고 글로벌 투자은행 베이징사무소의 한 분석가가 밝혔는데, 그는 화제의 민감성 때문에 익명을 요구한 적이 있다고 SCMP는 전했다.

그는 마이크로프로세서에서 중국이 독립하는 것은 확실히 훨씬 어렵다. 아직 ARM IP에 액세스할 수 있는지 여부에 따라 다르다며 중국 반도체 첨단기술 확보는 매우 고단한 과정이 될 것이라는 전망이다.


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