작년부터 계속 듣는 소리가 반도체 공급란에 따른 반도체 부족을 말하고 있습니다. 대표적인 곳이 자동차 산업입니다. 반도체가 부족해서 자동차 생산을 못하고 지금도 인기 차종은 주문 후 1년 이상 기다려야 합니다. 자동차에 반도체가 얼마나 들어가기에 이런 문제가 발생한 것일까요?
이유는 생각보다 간단합니다. 최신 자동차들은 움직이는 가전제품처럼 다양하고 많은 반도체를 장착하는데 반해 반도체 생산 공장과 제조사는 한정되어 있다 보니 수요를 공급이 따라가지 못하고 있습니다. 그럼 공장을 늘리면 되지 않냐고 하지만 이게 쉽지 않습니다. 반도체 중에 자동차 반도체는 내구성이 아주 뛰어나야 합니다. 대부분의 전기 먹는 제품들은 실내에 있거나 몸에 지니고 있습니다. 그런데 자동차는 기본적으로 실외를 달리고 주행합니다. 고온, 저온, 각종 환경 영향을 다 견뎌야 하기에 내구성이 좋아야 합니다. 더 큰 문제는 그런 혹독한 내구성 테스트를 통과해서 만든 자동차 반도체가 그렇게 비싼 반도체가 아닙니다. 가격이 저렴하니 자동차 반도체를 만들려는 회사가 많지 않습니다.
삼성전자가 만들면 되지 않냐고 하지만 삼성전자는 고부가가치 반도체를 만들지 가격도 싸고 이익도 많지 않은 자동차 반도체 만들지 않습니다. 비단 자동차 반도체만 문제는 아닙니다. 세상이 IT 산업이 혈관이 되어서 서로 링크되고 전자화 되고 온라인과 연결되다 보니 반도체 수요는 급격하게 늘고 있습니다.
다행스럽게도 한국은 세계적인 반도체 회사가 삼성전자, 하이닉스와 동부하이텍 등등이 꽤 많습니다. 그럼 한국 반도체 제조 생산 회사들이 어떤 위치에 있는지와 함께 팹리스, 파운드리 업체가 뭔지 자세히 다룬 글이 있어서 소개합니다.
https://semiwiki.com/semiconductor-manufacturers/307494-the-semiconductor-ecosystem-explained/
반도체 관련 정보를 정리하는 웹 사이트 Semiwiki의 글을 번역하고 제 생각을 더해서 소개합니다.
위 피라미드는 반도체 산업을 도식화한 피라미드입니다. 눈에 익숙한 기업들이 엄청 많네요. 상위 기업과 하위 기업은 원청 하청 기업이 아닌 바닥에 있는 ARM 같은 회사들의 반도체 설계 기술로 설계를 시작해서 쭉쭉 올라가서 TSMC와 삼성전자의 반도체만 전문적으로 생산하는 파운드리 업체들이 생산하는 제조 순으로 표시했네요.
IP 코어를 판매하는 기업들
IP코어는 영어로 intellectual property core의 약자로 번역하면 지적재산 코어입니다. IP 코어는 CPU 같은 칩의 기본이 되는 집적 회로 설계 특허를 가진 회사들로 컴퓨팅 처리를 하는 IP 코어, 암호화 처리를 하는 IP 코어, 음성 처리를 하는 IP 코어 등 많은 종류의 특허 회사들이 있습니다. 현재 IP 코어 특허 회사는 약 150개가 넘습니다.
반도체를 설계하는 기업들은 이러한 IP 코어 회사들과 라이센스 계약을 하고 반도체 설계를 할 수 있습니다. 예를 들어 애플은 Arm과 라이선스 계약을 맺고 아이폰 등에 탑재하는 칩에 Arm IP 코어를 이용하고 있습니다.
EDA를 개발하는 기업들
현재의 반도체는 매우 복잡하며 1개의 칩 안에 다양한 기능을 가진 반도체를 포함하고 있습니다. 예를 들어서 20~30년 만 해도 하나의 기능만 하는 칩이 대부분이었는데 모바일 칩을 보면 AP에서 CPU, GPU, 통신 모듈까지 들어가 있는 다기능 칩이 만들어지고 있습니다. 이러다 보니 회로 설계는 무척 복잡해졌는데 이런 복잡한 회로 설계를 가능하게 하는 회사를 Electronic Design Automation(전자 설계 자동화 툴)로 약자로 EDA라고 합니다.
EDA 업체로는 Cadence, Mentor, Synopsys라는 회사가 있는데 3개 회사 모두 미국 회사입니다. 한국이 메모리 반도체 설계나 파운드리는 강한데 이런 기초가 되는 회사들이 없는 게 약점입니다.
반도체의 재료 회사들
반도체 칩 설계가 끝났습니다. 음식으로 따지면 레시피가 완성되었습니다. 설계도 대로 만들려면 반도체 재료를 만들어야 합니다. 반도체 생산에는 실리콘 웨이퍼나 포토레지스트 같은 특수한 재료가 필요합니다. 한국에게 포토레지스트 공급 중단하겠다고 했던 일본이 생각나네요. 이들 재료 중 일부는 일본 기업이 탑클래스를 차지하고 있는데 대표적인 회사가 신에쓰 화학 공업이나 SUMCO 같은 회사들입니다.
반도체 재료 회사들을 보니 SK 실트론도 보이네요. LG 실트론이었다가 SK가 인수했습니다. LG가 왜 이런 알짜 기업을 SK에 판매했는지 이해 못하는 건 아닙니다. LG그룹은 반도체 만드는 회사가 거의 없죠. 주력 사업도 아니고요. 그러다 보니 SK하이닉스가 있는 SK에 넘긴 듯하네요. 참고로 SK 실트론은 반도체용 실리콘 웨이퍼 제조업체로 최근 반도체 광풍에 힘을 얻어서 실적이 크게 오르고 있습니다.
반도체 공정 제조 장치 업체들
피자 같이 생긴 실리콘 웨이퍼를 만들고 그 위에 전자 회로 설계도대로 그려주는 전 공정이 필요합니다. 회로를 그릴 때 필요한 것이 노광장비로 네덜란드 업체인 ASML이 세계적입니다. 특히 미세공정 회로를 빛으로 그려야 하는 EUV를 만들 수 있는 유일한 회사라서 삼성전자와 TSMC가 나부터 먼저 달라고 할 정도죠. 미국 정부는 ASML 장비를 중국에 판매하지 못하게 막고 있고요. 전 공정이 끝난 후에 실리콘 웨이퍼에서 반도체를 잘라내는 후공정이 진행됩니다.
팹리스 업체들
드디어 나오네요. 팹리스 업체들. 팹리스는 팩토리가 없는 회사를 말합니다. 공장은 없고 설계만 하는 반도체 설계 회사입니다. ARM, AMD, 애플, 퀄컴, IBM, 엔비디아 회사들이 유명합니다. 인텔이 빠진 건 인텔은 설계도 하고 공장도 있는 회사입니다. 엔비디아 같은 경우 설계를 한 후 이대로 만들어 달라고 TSMC와 삼성전자 파운드리에 맡기죠.
건축으로 따지면 건축 설계 사무소가 팹리스 회사이고 그 설계대로 시공하는 공장만 있는 회사를 파운드리라고 할 수 있습니다. 몇 년 전만 해도 팹리스가 갑이었죠. 이 회사들이 삼성전자나 TSMC 중 한 곳에 맡겨서 제품 생산을 해달라고 요청해야 하기에 갑의 위치였는데 현재는 팹리스 회사들은 늘어나고 수요는 폭증하는데 5nm 같은 미세 공정 제조 생산 능력을 갖춘 회사가 삼성전자와 TSMC 밖에 없다 보니 지금은 파운드리 업체들이 오히려 갑이 된 느낌입니다.
IDM 기업들
팹리스 기업과 달리 반도체 설계부터 제조까지 다 하는 회사를 IDM 업체라고 합니다. 여기에 삼성전자와 SK하이닉스가 있네요. 두 회사 모두 반도체 메모리 설계와 생산까지 합니다. 세계 3대 메모리 반도체 회사인 삼성전자, SK하이닉스, 미국 마이크론이 모두 여기 있네요. 이 3개의 회사는 치킨 게임에서 살아남은 회사입니다. 지금은 꿀을 빨고 있는데 문제는 메모리 반도체는 주기적으로 메모리 반도체 가격이 올랐다 내렸다 합니다.
반면 인텔 같은 시스템 반도체는 꾸준히 팔리기에 안정적인 수익을 얻을 수 있어요. 그래서 상대적으로 주가도 높습니다. 인텔도 설계부터 제조까지 혼자 다 하고 있는 회사입니다. 다만 CPU 같은 시스템 반도체 회사입니다.
파운드리 업체들
요즘 갑자기 뜬 파운드리 업체입니다. 파운드리는 설계회사인 팹리스 회사들이 이대로 만들어주세요라고 설계도를 보내오면 그대로 만들어주는 생산 납품 업체입니다. 몇년 전만 해도 을이었지만 미세공정 제조 능력이 있는 회사도 많지 않고 파운드리 업체도 많지 않아서 지금은 밀려드는 주문에 공장을 확장하려고 하고 있습니다.
이 파운드리는 제조 노하우도 있어야 하지만 공장 한 개 만드는데 수조 원이 들어가기에 자본력도 있어야 합니다. 그래서 버는 돈을 다시 반도체 공장 짓는데 다시 투입하죠. 삼성전자와 TSMC, SMIC, UMC 같은 회사들이 있습니다. 삼성전자의 이재용 부회장이 수년 전에 파운드리 사업을 외쳤고 이는 신의 한 수였습니다. 그때 이 사업 안 했으면 TSMC가 몽땅 다 수주하고 반도체 가격은 지금보다 더 올랐을 겁니다.
다만 삼성전자가 TSMC처럼 80년대부터 파운드리 사업을 한 것이 아닌 시작한지 10년밖에 안 되어서 제조 노하우는 TSMC보다 딸립니다. 또한 TSMC는 제조 노하우도 많지만 관련 자회사와 협력업체들이 많아서 팹리스 업체들에게 설계 노하우까지 반대로 전수해주고 안내해주기도 합니다. 게다가 설계 능력도 있는데 모든 것이 삼성전자보다 앞섭니다.
삼성전자는 파운드리 사업을 하고 세계 2위이지만 발열 이슈가 터지고 고정적인 고객이 없다 보니 아직까지는 큰돈을 벌지 못하고 있습니다. 겨우 똔똔을 이루고 있다고 하네요. 다만 3nm 공정을 먼저 외쳤고 먼저 생산하기 시작하면 팹리스 업체들이 돌아 설지도 모릅니다.
또한 삼성전자는 더 큰 약점이 있는데 삼성전자는 스마트폰도 만들고 모바일 AP와 온갖 가전 제품을 만들어서 적이 많습니다. 이러니 세계 최대 고객인 애플이 삼성전자 파운드리에 생산을 맡기지 않습니다. 아이폰 3은 삼성전자 파운드리에서 만들기도 했었는데 지금은 TSMC에만 생산 주문을 합니다. 아무래도 경쟁업체이다 보니 자신들이 보낸 설계도를 들여다보게 될 가능성이 있어서 생산 안 맡깁니다.
이런 회사들이 꽤 많습니다. 그래서 삼성전자가 파운드리 사업부를 독립시켜서 팹리스 회사들의 지분 투자를 받고 독립 법인으로 분리해야 한다는 소리가 많습니다. 이재용 부회장의 결단이 필요하죠.
고순도 다결정 실리콘으로 실리콘 웨이퍼를 만들어서 그 위에 설계도대로 노광을 한 후 식각 후에 실리콘 웨이퍼를 잘라서 반도체를 분리합니다. 그리고 그걸 패키징하는 과정을 거쳐서 제품화합니다.
실리콘 웨이퍼에 회로를 그릴 때 얇게 그릴수록 하나의 실리콘 웨피어에 더 많은 반도체를 만들면 원가도 적게 들고 생산량도 많아서 아주 좋죠. 게다가 전기도 덜 먹고요. 다만 미세하게 회로를 그리고 만들려면 높은 기술력이 필요합니다. 그래서 회로도 선폭을 얇게 만들 수 있는 미세공정이 가능한 회사가 몇 없습니다.
130nm는 엄청 많은 회사들이 있었습니다. 2001년에는 130nm 선폭이 최첨단 공정이었지만 점점 줄다가 2009년 32nm를 지나서 2015년 14nm에서는 인텔, TSMC, GF/AMD가 있었습니다. 그러나 10nm에서는 인텔, 삼성, TSMC만 남았고 1자리인 7nm는 삼성전자, TSMC만 남았습니다. 인텔은 시도했다가 7nm 공정 실패합니다. 현재 5nm 공정이 대세이고 갤럭시 S22는 4nm 공정에서 나온 퀄컴과 삼성 엑시노스가 탑재됩니다.
그리고 올해 안에 삼성전자는 3nm 공정 반도체를 양산할 예정입니다. 3nm 공정 성공하면 삼성전자 주가 좀 오르겠네요.
