반도체 기술 현황

1 반도체 기술 현황

우리나라 반도체 산업은 1983년 삼성전자가 64K DRAM을 국내 처음으로 개발하면서 시작되었고, 지금은 메모리 분야에서 압도적으로 세계 1위 자리를 수성해오고 있다. 단일 품목으로는 우리나라에서 수출을 가장 많이 하는 품목으로 자리잡으며, 경제 발전에 기여하고 있다. 반도체 축소 기술이 지속적으로 개발되어 2000년에 반도체 회로 선폭 1μm를 돌파한 이래, 급격한 소자와 장비의 기술 발달로 현재 7nm의 제품이 상용화되기 시작하였고, 더욱이 5nm 이하의 반도체도 개발 중에 있다. 그러나 이러한 초 미세 선폭을 만드는 기술은 현재 여러 가지 어려운 기술적 장애를 마주치고 있는 상황이다. 그럼에도 기술 한계 극복을 위해 소자, 소재 및 공정 장비를 개발하고 있으며, 4차 산업으로 변화하는 환경에 맞추기 위해 평면의 반도체를 3차원 구조로 만들고 다양한 형태의 패키지를 개발하는 등 많은 연구를 하고 있다.

2019년 삼성전자는 ‘시스템 반도체 분야 연구 개발 및 생산 시설 확충에 막대한 금액을 투자하고 전문 인력을 양성하여, 2030년까지 메모리 반도체뿐만 아니라 시스템 반도체를 통해 글로벌 1위를 달성하겠다’는 ‘반도체 비전 2030’을 제시한 바 있다. 여기에는 자사의 기술 능력과 첨단 생산 시설을 활용하여 시스템 반도체 인프라와 기술력을 공유하고, 반도체 설계 전문업체인 Fabless와 설계서비스 지원 업체인 디자인하우스 등 국내 중소업체와의 상생협력을 통해 한국 시스템 반도체 산업 발전에 앞장서겠다는 계획도 포함되어 있다. 또한 정부는 다른 나라보다 조금 늦기는 하였지만 한국의 우수한 인력 개발을 통해 세계를 선도하는 AI 생태계를 조성한다는 내용의 ‘AI 국가전략’을 발표하였고, 학계와 연합하여 높은 교육 수준과 최신 기술 수용성, 세계 최고의 반도체·제조 기술 등 우리의 강점을 극대화할 수 있는 전략의 수립으로 4차 산업의 혁신을 대비하고 있다. 이렇듯, AI 시대로의 변혁을 위해 AI 경쟁력 확보 주체인 기업과 미래 방향성을 제시할 학계 등 민간이 혁신을 주도하고, 정부는 이를 뒷받침하여 국가적 역량을 결집시켜 나갈 계획이다. 그러나 현실적으로 세계 반도체 시장 및 교역 규모의 과반 이상을 시스템 반도체가 차지하고 있으므로 우리나라의 반도체 산업의 지속적인 성장을 위해서는 시스템 반도체의 경쟁력을 높여야 하고, 이미 발표된 정부의 2030년 시스템 반도체 청사진에 따른 반도체 전문 인력 양성과 개발 투자가 지속적으로 이루어져야 한다. 이러한 배경을 기반으로 이번 단원에서는 반도체 시장의 기술 동향과 전망에 대해 알아본다.

세계 반도체 시장의 30% 정도를 차지하는 메모리 반도체 시장은 아마존, Google 등과 같은 IT기업들의 IDC(Internet Data Center)의 확충 및 데이터 처리 성능의 향상 요구를 충족시키기 위해, 서버용을 중심으로 급격하게 성장하고 있으며, 스마트폰을 중심으로 한 모바일 DRAM도 급성장을 이루고 있다. 또한 3차원 낸드(NAND) 기술의 급격한 발전 덕분에 HDD 시장을 가격적으로 대체할 수 있어 기업용 데이터 센터 및 기업용 서버의 수요가 급격히 늘어나게 되었고, 스마트폰의 고용량 메모리를 지원하는 낸드플래시의 성장도 획기적이라고 볼 수 있다. 그러나 메모리 시장은 성장과 침체가 주기적으로 반복되는 실리콘사이클을 타고 있어 반도체 가격의 급등과 급락 현상을 모두 경험할 수 있다.

컴퓨터, 통신기기, 가전기기의 ‘시스템’ 중 핵심 기능을 수행하는 시스템 반도체는 연산, 추론 등 정보 처리 목적으로 사용되고 있다. 컴퓨터의 두뇌로 불리는 중앙처리장치(CPU), 스마트폰에서 CPU 역할을 하는 애플리케이션 프로세서(AP), 자동차에 들어가 다양한 기능을 조정하는 차량용 반도체 등이 대표적이다. 시스템 반도체에서의 성장은 상대적으로 경기변동의 영향을 적게 받아, 완만하지만 안정적인 성장세를 유지하고 있다. 특히 메모리 시장은 삼성전자와 SK하이닉스가 70% 정도를 점유하는 가운데, 시스템 반도체 시장은 Intel을 중심으로 Qualcomm, Broadcom, Texas instruments, nVidia, AMD 등 미국 중심의 반도체 회사들이 지배하고 있다.

최근에는 빅데이터, 인공지능, 사물 인터넷 등 4차 산업 관련한 반도체의 수요가 크게 증가하면서, 기존 IDM 기업의 경쟁이 Fabless로 급격히 전환하는 경쟁의 패러다임 변화가 일어났다. 즉, Apple이 Intel의 5G 반도체를 인수하고 Google이 자사의 AI 반도체 TPU(Tensorflow Processor Unit)를 만드는 등 다양한 형태의 응용 분야를 최적화시킨 반도체가 만들어지고 있는 상황이다. 결국 이러한 Fabless 기업의 반도체를 위탁 생산하는 Foundry 시장이 급성장을 보이게 된 것이다. Foundry 시장은 AI용 반도체뿐만 아니라 자율주행차 등 다양한 애플리케이션의 수요가 증대하면서 이미지센서, 지문센서 등 다양한 형태의 센서를 비롯한 시스템 반도체의 성장으로 이어졌고, 이로 인해 그 규모가 커지고 있다. 한 예로 대만의 TSMC는 Foundry 사업만으로 글로벌 반도체 종합 순위 3위를 차지하고 있다.

표 1-2 2021년 4분기 세계 Foundry 기업 순위 (출처: 트렌드포스)

이러한 반도체 생태계의 변화는 현재 제품에 따른 시스템 반도체와 메모리, 그리고 컴퓨터, 스마트폰, 가전제품 등과 같은 구조에서, 4차 산업혁명에 따라 그 변화가 이루어지고 있다. 즉, 제품으로는 사물 인터넷과 같은 제품에 통신, 메모리, 센서 등이 원칩화되고 에지 컴퓨팅(Edge computing)¹용의 저가 소형 마이크로 프로세서가 등장하였다. 또 빅데이터 처리를 위하여 MRAM과 같은 차세대 메모리의 출현이 시작되었으며, 광범위한 데이터로부터 필요한 정보를 효율적으로 얻기 위한 수치 계산, 분류 등의 처리 프로세서도 필수적이 되었다. 그리고 CPU와 GPU² 기반의 AI 반도체에서 ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuits), 뉴로모픽 반도체³ 등 응용 분야에 최적화된 반도체가 등장함으로써 자율주행차, 스마트팩토리, 스마트가전, 의료 등 새로운 응용 분야가 급격하게 나타나고 있다. 한편 세계 최대 반도체 소비 국가인 중국 또한 ‘반도체산업 발전 추진 요강’을 발표하면서 반도체 부품 국산화를 위한 기술개발, 양산 단계별 세부목표를 제시하고 있다. 아직까지는 한국과 격차가 크지만 화웨이 그룹의 하이실리콘, 칭화유니 그룹 등 Fabless 기업으로의 공격적인 투자를 주목해야 할 것이다. 특히 전기자동차, 자율주행차, AI 분야에 집중적으로 투자하고 있다.

에지 컴퓨팅¹: 응답 시간을 개선하고 대역폭을 절약하기 위해 필요한 곳에 연산과 데이터 스토리지를 도입하는 분산 컴퓨팅 패러다임의 하나

GPU²: 그래픽 처리를 위한 고성능의 처리장치로 그래픽카드의 핵심

뉴로모픽 반도체³: 인간의 뇌 구조를 모방해 만든 반도체 칩. 대용량 데이터를 병렬 처리해 적은 전력으로도 복잡한 연산 및 추론, 학습등이 가능하며, 4차 산업혁명 분야에서 폭넓게 활용할 수 있는 차세대 기술임.