미국과 중국은 다양한 면에서 견제와 충돌을 벌이고 있다. 미국의 전(全)방위적인 대(對)중국 포위망은 갈수록 촘촘해지고 더욱 더 강력해지고 있는 분위기이다.

미-중 두 나라 사이에서는 핵심 칩(chip)에 대한 지배력 쟁탈전이 한창이다. 어떻게든 지배력을 확보하려는 중국의 노력은 미국 정부의 강력한 저항에 직면해 있다.

미국이 중국의 첨단 침 생산 능력을 제한하고, 전략 기술에 대한 우위를 확보하기 위한 조치를 강화함에 따라 중국은 반도체 분야에서 미국과 그 동맹국들을 추월하기 위해 숨이 헐떡이는 가파른 언덕길을 달려 올라가야만 한다.

최근 미국은 인공지능(AI) 애플리케이션과 슈퍼컴퓨터에 사용되는 앤비디아(Nvidia)와 에이엠디(AMD) 첨단 그래픽 프로세서 유닛(GPUs, graphic processor units)의 중국 판매를 제한조치를 했다. 미국 상무부가 지난 8월 차세대 칩 생산에 사용되는 전자설계자동화(EDA, electronic design automation) 소프트웨어의 중국 수출 금지를 발표한 데 따른 조치이다.

미국은 동아시아의 파트너인 대만, 한국, 일본을 압박하면서 중국을 국제기술생태계( international tech ecosystem)로부터 고립시키기 위한 이른바 ‘칩4(Chip 4)'라는 산업동맹(industry alliance)을 구축하고 있으며, 칩스법(Chips Act)을 미 의회에서 통과시켜 미국 산업을 발전시키기 위한 노력을 강화, 미국 땅에서 칩을 만드는 기업에 520억 달러(약 71조 7,600억 원)의 보조금을 제공하기로 했다.

곧 출간될 책인 ‘칩 전쟁(Chip War)’의 저자인 크리스 밀러(Chris Miller)는 알자지라와의 인터뷰에서 “미국은 세계 반도체 생태게에서 중심적인 역할을 강화하고, 중국이 첨단 칩을 생산할 수 없도록 하기 위해 노력하고 있다”며 “세계에서 가장 중요한 기술을 위한 싸움”하고 있다고 말했다.

크리스 밀러는 “반도체에 대한 통제는 클라우드 컴퓨팅(cloud computing)에서 자율 주행(autonomous driving)에 이르기까지 세계 경제의 미래를 형성할 뿐만 아니라 군사력의 근간이기도 하다”고 강조했다.

미국과 중국의 한 치의 양보 없이 치열한 경쟁 속에서, 반도체가 가장 격렬한 격전지 중 하나로 떠올랐다. 아이폰에서 전투기에 이르기까지 현대 경제의 생명줄 역할을 하는 것을 넘어, 반도체 칩은 미래의 기술적 돌파구를 여는 데 매우 중요한 것으로 보이며, 이는 내일의 세계적인 힘의 균형이 오늘날 개발되고 있는 웨이퍼 얇은 칩에 달려 있을 수 있다는 것을 의미한다.

중국은 다른 주요국들과 마찬가지로 세계 고급 칩 공급의 90% 이상을 차지하는 대만의 반도체 생산에 크게 의존하고 있지만, 최근 중국 국내 산업 발전에 상당한 진전을 보이고 있다.

지난 7월 테크인사이트(TechInsights) 연구원들은 “중국의 국가 챔피언인 반도체 제조 국제공사(SMIC, Semiconductor Manufacturing International Corporation)가 7 나노미터(nm) 칩을 생산할 수 있는 능력을 획득했을 가능성이 있다고 알려지면서, 14 나노미터 노드(node)를 넘어서기 위해, 수년간 고군분투한 끝에 큰 도약을 예고한 셈이다. 반도체는 보통 트랜지스터 게이트(transistor gates)의 길이에 의해 비교되며, 일반적으로 더 큰 처리 능력을 가진 작은 게이트와 비교된다.

베이징 당국이 후원하는 SMIC는 현재 북부 도시 톈진에 제 4공장을 건설할 새로운 계획으로 파운드리 공장의 생산능력(foundry capacity)을 높이고 있다. 그러나 대외적으로 일체 비밀로 구체적으로 공식적인 정보는 없다.

업계 분석가이자 뉴스레터 세미애널리틱스(Semi Analysis)의 저자인 딜런 파텔(Dylan Patel)은 알자지라에 “(제 4공장 건설) 그것은 엄청난 돌파구”라며 “몇 가지 기능이 누락되었지만 완전히 작동하는 노드”라는 설명이다.

그는 “이것은 그들이 극복할 수 없을 것으로 추정되는 장벽을 돌파한 첫 번째 진짜 신호”이며, “이제 디자인을 점진적으로 개선하고, 더 높은 가치의 칩으로 생산을 확장해야 한다”고 말했다.

중국은 네덜란드의 주요 제조업체 ASML이 암스테르담에 대한 미국의 압력으로 수출 허가를 거부당한 이후 첨단 칩인 극자외선(EUV, extreme ultraviolet) 석판인쇄 장비(lithography machines)를 생산하기 위한 최신 장비 획득이 미국에 의해 차단됐다.

그러나 중국 기업들은 여전히 덜 발전된 칩에 패턴을 에칭(etching)하는 데 일반적으로 사용되는 더 큰 빔 파장을 특징으로 하는 덜 효율적인 극자외선(DUV, deep ultraviolet) 석판인쇄 장비를 사용하여 고급 반도체를 만들 수도 있다고는 한다.

미국은 칩 제조 장비 금지를 확대하겠다는 계획을 밝혔지만, 중국은 ASML의 EUV가 아닌 DUV 석판인쇄 장비를 2021년도에만 81대를 사들였다.

레이 양(Ray Yang) 대만 산업기술연구소 컨설팅 디렉터는 알자지라에 “SMIC는 DUV로 7nm 공정을 제작할 수 있어 대량 생산할 수 있지만, 그렇다고 해서 비용 효율이 높아지지는 않는다”고 말했다.

그에 따르면, “DUV는 해상도나 낮은 편이며, 생산 수율도 매우 낮기 때문에, 고급 프로세서를 위한 비용 최적화 솔루션이 아니며 7nm 이상의 솔루션은 불가능하다”는 것이다.

레이 양은 “중국의 SMIC가 국가 지원으로 인해 수익성이 낮은 공정을 사용하여 첨단 칩을 생산할 수는 있다”면서 “이제 화웨이(Huawei)가 외국 파운드리 공장을 사용할 수 없게 되면서 중국은 시급히 필요한 칩에 SMIC에 크게 의존하고 있으며, 이는 ‘특별한 비상업적 용도’일 가능성이 높다”고 말했다.

이러한 비상업적인 용도는 중국의 성장하는 군대를 위한 첨단 무기를 포함한다. 중국 최대 기술 대기업 중 하나인 ‘화웨이’와 중국 군부의 연결은 워싱턴의 오랜 우려 사항으로, 트럼프 행정부가 2019년 회사를 제재 기업 '기업 명단'에 추가하면서 절정에 달했다.

시진핑(習近平) 중국 국가주석 치하에서 ‘군민 융합 전략(Military-Civil Fusion Strategy)’이 산업 정책의 기둥이 되면서, 민간 기술 돌파구를 활용해 중국의 국방 분야를 강화하는 것이 국가적 우선순위가 됐다.

홍콩 시티 대학의 기술 개발 전문가인 더글러스 풀러(Douglas Fuller는 알자지라에 “칩은 스마트 무기에 매우 중요하다”면서 “많은 정책 입안자들이 중국 반도체 산업의 발전에 대해 그렇게 우려하는 이유 중 하나”라고 말했다.

중국이 7nm 이하 칩을 생산할 수 있는 기술이 아직 부족한 것으로 판단되지만, SMIC와 상하이 마이크로 일렉트로닉스 이큅먼트(Shanghai Micro Electronics Equipment Co) 등 기업들은 난국을 타개하기 위해 자국산 기계 개발에 열을 올리고 있다.

딜런 파텔(Dylan Patel)은 “SMIC 엔지니어들은 이러한 기계에 문제가 생기기 쉽다는 불만을 누설했다”면서 “DUV 석판인쇄 기계의 하위 유형을 언급하며, 중국은 아직 제대로 작동하는 ArF 석판인쇄 장비를 만들지 못했다”며, “중국은 외국 공구로 칩을 만드는 데는 몇 년 뒤처져 있지만, 국내 공구로 칩을 만드는 데는 수십 년 뒤처져 있다”고 말했다.

중국 업체들은 아직 꼭 생산할 수 없더라도 7nm 미만의 칩은 계속 설계할 수는 있다.

2021년에 알리바바는 중국의 가장 진보된 디자인 중 하나인 이톈 710(Yitian 710)을 공개했는데, 이 칩은 다양한 사물인터넷(IoT) 애플리케이션을 위해 만들어진 5nm 서버 칩이다.

그럼에도 불구하고, 워싱턴의 최근 규제는 차세대 칩인 5nm 이하 칩의 설계 단계를 더욱 어렵게 만들 것이다.

차세대 칩은 칩이 무한히 작은 크기로 축되는 물리적 한계에 대한 해결책으로 널리 고려되고 있는 차세대 트랜지스터 구조인 게이트 만능(GAA, gate-all-around) 설계에 의존할 것으로 예상된다.

파텔은 “이번 금지는 현재 중국의 파이프라인에 영향을 미치지만, GAA가 아직 이뤄지지 않은 2nm 이하 노드만을 위한 것이기 때문에, 앞으로 수년간 제품과 수익에는 영향을 미치지 않을 것”이라며 “2nm 노드가 향후 수십 년 동안 세계 최고의 반도체 제조업체인 대만 반도체 제조사(TSMC)의 생산량의 절반을 차지할 수 있다”고 덧붙였다.

파텔은 “중국이 이 EDA 공급자들을 피하기는 어려울 것”이라면서도 “그러나 (미국의 선도적인 EDA 공급업체)인 ‘케이던스(Cadence)’는 중국에 합작회사를 두고 있으며, 미국 고객에 비해 중국에서 디자인 프로그램을 할인된 가격에 제공하고 있다. 따라서 중국은 현지 기업에 어느 정도 영향력을 행사할 수 있고 그들에게 압력을 가할 수 있다.

레이 양은 “중국이 공개시장에서 석판인쇄 장비를 구매하지 못하게 된다면, 필요한 석판인쇄 장비를 조달하기 위해 할 수 있는 모든 것을 할 것”이라며, “이는 리버스 엔지니어링(reverse engineering, 역설계 혹은 역공정), IP 절도(IP theft) 또는 전략적으로 외국 기업을 인수하는 것을 수반할 수 있다. 이는 과거에 다른 중요한 기술에서 여러 번 발생했다”고 설명했다.

중국도 탄소 등 실리콘 대체 소재에 자원을 쏟아 붓는 등 돌파구를 모색하고 있다. 베이징은 탄소섬유, 그래핀, 탄화규소 및 기타 탄소 기반 복합재료에 대한 연구를 14차 5개년 계획에 포함시켰다.

파텔은 “그것은 미래의 잠재적인 기술이지만, 아직 규모로 증명되지 않았다”고 지적하고, “연구실에서 엄청난 컴퓨터 운영속도(clock speeds)로, 초고속 칩을 만들 수 있지만 경제적으로 실현 가능한 모델로 만드는 것은 전혀 다른 이야기”라고 말했다.