반도체 산업은 전형적인 '피라미드' 구조를 가지고 있습니다. 상류로 갈수록 기업 수는 적고, 생산액은 커지며, 기술적 난이도는 높아집니다. 우리나라의 반도체 산업은 후발 주자로서의 출발이 늦었고, 핵심 기술 부족과 인재 부족으로 인해 발전이 크게 제한되었습니다. 핵심 기술 확보에 실패하면서 다른 나라에 의해 발전이 저해되는 경우가 많았고, 그 결과 핵심 칩 분야는 여전히 수입에 크게 의존하고 있습니다.
2018년 ZTE 사태는 아직도 생생하게 기억납니다! 얼마 전 미국은 화웨이가 보유한 핵심 반도체 기술과 장비를 빌미로 화웨이에 대한 제재를 강화하여 화웨이와 우리나라의 첨단 기술 분야 발전을 저해하려 했습니다!
미국은 '기술'이라는 창을 들고 우리나라의 '핵심 기술 부족'이라는 약점을 꿰뚫었습니다. 이는 우리나라 반도체 산업에 경종을 울리는 동시에, 많은 사람들과 기업들에게 미국 기술에 의존하는 것이 얼마나 위험한지를 깨닫게 했습니다. 핵심 기술을 확보하고 기술 의존에서 벗어나는 것만이 올바른 길입니다!
현재 우리나라는 반도체 산업 발전을 전략적 수준으로 끌어올리고, 국가 핵심 발전 산업으로 지정하여 막대한 자금과 인재를 투자해 기술적 돌파구를 마련하고 있으며, 조속히 독립적인 연구 개발과 자급자족의 길로 나아가기 위해 노력하고 있습니다. 현재 돌파구를 기다리고 있는 핵심 기술은 다음과 같은 분야입니다.
집적회로 산업의 핵심 장비인 리소그래피 장비는 "인류가 만든 가장 정교하고 복잡한 기계"로 불립니다. 현재 세계에서 최고급 리소그래피 장비를 제조할 수 있는 기업은 네덜란드의 ASML뿐이며, 일본의 니콘과 캐논은 중저가 리소그래피 장비를 생산하여 80% 이상의 시장 점유율을 차지하고 있습니다.
포토리소그래피 시스템은 반도체 칩 제조의 핵심입니다. 포토리소그래피는 반도체 칩 생산 공정에서 가장 복잡하고 중요한 단계이며, 시간과 비용이 많이 소요됩니다. 반도체 칩 생산의 핵심이자 어려운 점은 마스크에 새겨진 회로도를 실리콘 웨이퍼에 전사하는 것인데, 이 과정이 포토리소그래피를 통해 이루어집니다. 포토리소그래피 공정 수준은 칩의 공정 수준과 성능 수준을 직접적으로 결정합니다.
최첨단 리소그래피 장비는 현대 광학 산업의 정점이라고 할 수 있습니다. 이러한 장비는 제조가 매우 어렵습니다. 현재 ASML의 최첨단 EUV 극자외선 리소그래피 장비는 5nm 공정으로 칩을 생산할 수 있습니다. 리소그래피 장비 한 대의 가격은 100억 달러를 넘어섰습니다. 중국이 자체 개발한 리소그래피 장비는 현재 90nm 공정까지만 구현할 수 있어 큰 격차가 존재합니다.
포토리소그래피 장비 개발의 어려움은 무엇일까요? 리소그래피 장비는 시스템 통합, 정밀 광학, 정밀 모션, 정밀 재료 이송, 고정밀 미세 환경 제어 등 다양한 첨단 기술을 필요로 합니다. 이는 모든 반도체 제조 장비 중에서도 가장 기술적으로 고도화된 장비입니다. ASML은 장비 전체의 각 부분에서 세계 최고 수준의 기술을 확보하기 위해 리소그래피 장비 부품의 90% 이상을 외부에서 구매합니다. ASML은 독일의 기계 기술, 독일 최고급 Zeiss 렌즈, 미국의 광원 및 측정 장비 등 세계 최고 수준의 기술 연구 개발을 통해 첨단 기술을 집약하고 있습니다. ASML의 고급 리소그래피 장비는 "인적 지혜의 산물"이라고 할 수 있습니다.
중국 제조업체:SMEE 상하이 마이크로일렉트로닉스
CPU는 매우 큰 규모의 집적 회로로, 컴퓨터의 연산 및 제어 코어 역할을 합니다. 주요 기능은 컴퓨터 소프트웨어의 명령어를 해석하고 데이터를 처리하는 것입니다. 중앙 처리 장치는 주로 산술 연산 장치(ALU)와 캐시 메모리, 그리고 이들 간의 연결을 구현하는 데이터 버스, 제어 버스, 상태 버스로 구성됩니다. 내부 메모리 및 입출력 장치와 함께 전자 컴퓨터의 세 가지 핵심 구성 요소를 이룹니다. CPU는 연산 및 제어 시스템에서 보내는 명령어에 의존합니다. 각 CPU는 하드웨어 회로에 맞춰 설계된 일련의 명령어 체계를 갖추고 있습니다. 명령어 세트의 성능 또한 CPU의 중요한 지표입니다. 명령어 세트는 마이크로프로세서의 효율성을 향상시키는 가장 효과적인 도구 중 하나입니다.
미국의 인텔과 AMD는 전 세계 PC 시장의 거의 모든 부분을 장악하고 있습니다. 중국산 CPU는 임베디드 기기나 서버 장비와 같은 전문 분야뿐만 아니라 일반 소비자 시장까지 아우르는 다양한 분야에 사용됩니다. 이처럼 사용 대상과 적용 분야가 매우 다양하기 때문에 중국 소비자들 사이에서도 국산 CPU에 대한 인식은 각기 다릅니다. 예를 들어, 서버 시장을 겨냥한 페이텅(Feiteng)과 선웨이(Shenwei)는 그다지 널리 알려져 있지 않습니다.
CPU는 빠르게 발전하고 있으며, 주파수, 연산 능력, 전력 소비량은 성능을 측정하는 중요한 지표입니다. 후발 주자인 중국은 연구 개발 수준이 항상 세계 선진 수준에 비해 크게 뒤처져 있습니다. 예를 들어, 룽손(Loongson)의 성능은 항상 인텔에 뒤쳐지는 것처럼 보입니다. 룽손은 중국과학원 컴퓨팅기술연구소에서 자체 개발한 범용 CPU로, MIPS 명령어 세트와 유사한 RISC 명령어 세트를 사용합니다. 그러나 룽손의 성공적인 개발 덕분에 푸싱 고속철도는 100% 국산화를 달성했고, 4세대 J-20 위상 레이더와 베이더우 위성에도 중국산 CPU가 탑재될 수 있었습니다.
모바일 CPU 분야에서 퀄컴의 입지는 여전히 확고합니다. 화웨이 하이실리콘의 키린 CPU는 영국 거대 기업 ARM의 기술에 의존하고 있긴 하지만 충분히 훌륭한 성능을 자랑합니다. 유니속 역시 모바일 CPU 칩 분야에서 상당한 성과를 거두었습니다. 하지만 문제는 미국이 최근 화웨이의 반도체 칩 분야 발전을 저해하기 위해 제재를 강화했다는 점입니다. 키린 CPU의 미래는 여전히 불투명합니다.
세계적인 주요 제조업체:인텔(미국), AMD(미국)
중국 제조업체:Huawei HiSilicon, Unisoc, Loongson Zhongke(Loongson CPU), Tianjin Feiteng(Feiteng CPU), Shanghai Zhaoxin(Zhaoxin CPU) 등
현재 전 세계적으로 주요 집적회로 EDA 소프트웨어 회사는 멘토 그래픽스, 케이던스, 시놉시스 세 곳입니다. 이 세 미국 기업은 EDA 업계에서 거의 독점적인 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 현재 칩 설계부터 생산까지 전 과정을 아우르는 EDA 공급업체는 케이던스와 시놉시스뿐입니다.
인텔, 애플, 퀄컴과 같은 주요 반도체 생산 및 설계 업체들은 모두 이 두 회사로부터 EDA 소프트웨어 및 관련 서비스를 구매해야 합니다. 중국의 주요 반도체 설계 업체인 화웨이 하이실리콘, 양쯔 메모리, 유니소크 또한 이들 미국 기업으로부터 EDA 설계 소프트웨어를 구매하고 있습니다.
국내 EDA 업체인 BGI 지우티안, 신허 테크놀로지, 광리 마이크로일렉트로닉스 등은 일부 EDA 설계 도구만 제공할 뿐, IC 설계, 배선, 검증, 시뮬레이션 등 산업 체인 전반을 아우르는 EDA 도구를 제공하지 못하고 있습니다. 더욱이 국내 EDA 소프트웨어와 첨단 기술의 결합이 미흡하고, 첨단 기술이 적용된 칩에 대한 지원도 부족합니다. 따라서 국내 EDA 업체들의 기술력은 이러한 세계적인 선두 EDA 업체들과 경쟁하기에는 한참 뒤처져 있습니다.
세계적인 주요 제조업체:멘토 그래픽스(미국), 케이던스(미국), 시놉시스(미국)
중국 제조업체:BGI Jiutian, Xinhe Technology, Guangli Micro 등
DRAM은 동적 랜덤 액세스 메모리로, 가장 널리 사용되는 시스템 메모리입니다. 미국의 마이크론, 한국의 삼성, SK 하이닉스가 DRAM 시장에서 절대적인 독점적 지위를 차지하며 시장을 장악하고 있습니다.
중국의 3대 메모리 칩 제조업체인 양쯔메모리, 허페이창신, 기가디바이스가 메모리 칩 설계 및 생산에 착수하면서 한국, 미국, 일본이 독점하고 있는 메모리 칩 시장이 깨질 것으로 예상된다.
양쯔 메모리는 올해 Xtacking 아키텍처 기반의 64단 3D NAND 플래시 메모리 양산에 성공했습니다. 나아가 업계에서 일반적으로 사용되는 96단을 건너뛰고 128단 3D NAND 플래시 메모리 개발에도 성공했습니다.
허페이 창신은 2019년에 19nm 공정을 사용하여 8G DDR4 메모리의 양산을 달성했으며, 올해 자체 개발한 광웨이이 PRO DDR4 메모리를 공식 상용화하여 소비자 시장에 선보일 예정입니다.
기가디바이스는 국내 NOR 플래시 시장 점유율 1위이자 세계 3대 NOR 플래시 공급업체 중 하나입니다. 현재 NAND 플래시 시장으로 점차 확장하고 있으며 DRAM 사업에도 적극적으로 진출하고 있습니다.
DRAM은 돌파구가 필요한 핵심 반도체 기술 중 국내 대량 생산 가능성이 가장 높은 기술이며, 앞으로의 발전을 기대해 볼 만하다.
세계적인 주요 제조업체:마이크론(미국), 삼성(대한민국), SK하이닉스(대한민국) 등
중국 제조업체:양쯔강 저장, 허페이 Changxin, GigaDevice
무선 주파수 칩은 무선 신호 통신을 특정 무선 신호 파형으로 변환하여 안테나 공진을 통해 송신하는 전자 부품을 말합니다. 무선 주파수 칩의 구조는 수신 채널과 송신 채널의 두 부분으로 구성됩니다. 기존 GSM 및 TD-SCDMA 방식에서 단말기가 추가 주파수 대역을 지원하는 경우, 해당 단말기의 무선 주파수 칩은 그에 맞춰 수신 채널을 추가합니다. 하지만 새로운 송신 채널이 필요한지는 새로운 주파수 대역과 기존 주파수 대역 간의 관계에 따라 결정됩니다.
중국은 세계 최대의 휴대폰 생산국이지만, 고급형 휴대폰 무선 주파수(RF) 소자를 자체적으로 생산할 수는 없습니다. 이를 위해서는 소재, 공정, 설계 경험 등에서 탄탄한 축적이 필요합니다. 국내 기업들은 저가형 및 중가형 무선 주파수 칩 분야에서 상당한 시장 점유율을 차지하고 있지만, 고급형 무선 주파수 칩 분야에는 여전히 성장 가능성이 매우 큽니다.
세계적인 주요 제조업체:스카이웍스(미국), 코르보 버라이즌(미국) 등
중국 제조업체:Unisoc, Weijie Chuangxin, Zhongpu Micro 등
CPLD는 PAL 및 GAL 소자에서 발전된 장치입니다. 비교적 규모가 크고 구조가 복잡하며, 대규모 집적 회로의 범주에 속합니다. 사용자가 필요에 따라 논리 기능을 구성할 수 있는 디지털 집적 회로입니다. 기본적인 설계 방법은 통합 개발 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 회로도, 하드웨어 설명 언어 등을 이용해 해당 타겟 파일을 생성한 다음, 다운로드 케이블을 통해 코드를 타겟 칩으로 전송(시스템 내 프로그래밍)하여 설계된 디지털 시스템을 구현하는 것입니다.
FPGA는 필드 프로그래머블 게이트 어레이로, PAL, GAL, CPLD와 같은 프로그래머블 소자를 기반으로 개발된 제품입니다. 응용 분야별 집적 회로(ASIC) 분야에서 반맞춤형 회로로 등장하여 맞춤형 회로의 단점을 해결할 뿐만 아니라 기존 프로그래머블 소자의 게이트 수 제한이라는 한계도 극복했습니다.
FPGA 산업 진입 장벽은 매우 높습니다. 지난 10여 년 동안 인텔, IBM, 모토로라, 필립스, 도시바, 삼성 등 60여 개 기업이 이 분야에 진출을 시도했지만, 16.7억 달러에 알테라를 인수하며 성공적으로 진출한 인텔을 제외하고는 대부분 실패했습니다. 현재 FPGA 시장의 거대 기업들은 자일링스, 알테라, 래티스, 액텔, 앳멜, 아바고, 사이프러스 등 미국에 집중되어 있으며, 각 기업은 저마다의 강점을 가지고 있습니다. 그중 자일링스는 수천만 개의 게이트와 16나노미터 공정 기술을 보유한 세계적인 FPGA 기업이며, 액텔은 안티퓨즈 기술과 항공우주 등급 제품 분야의 선구자입니다. 이들 기업의 제품은 산업, 군사, 항공우주 등급 제품에 필수적인 핵심 칩으로 사용되고 있습니다. 하지만 이러한 기술 경쟁력은 첨단 기술 개발에 힘쓰는 전 세계 국가들의 발목을 잡는 주요 요인이기도 합니다. 그중에서도 자일링스와 알테라 두 회사가 시장 점유율의 90%를 차지하고 있다. 기술력 측면에서 국내 제조업체와 해외 제조업체 간의 격차는 매우 크다. 국내에는 수백 개의 FPGA 제조업체가 경쟁하고 있지만, 대부분 중저가 시장에 집중되어 있으며, 게이트 수가 약 1천만 개에 달하는 FPGA를 생산하고 있다. 자체 개발한 2천만 개 이상의 게이트를 갖춘 FPGA도 일부 있지만, 중국전자공업의 3천5백만 개 게이트 FPGA와 중국전자의 7천만 개 게이트 FPGA는 기술적으로 획기적인 성과이다.
통촹(Tongchuang)은 중국 FPGA 산업 발전을 선도하고 있습니다. 중국 최초로 10천만 게이트 FPGA 제품의 양산 및 출하를 달성한 후, 30천만 게이트 미만의 중저가형 FPGA 제품 모델 개발을 가속화하고 지속적으로 보완 및 개선해 왔습니다. 그중 Logos 및 Compact 시리즈 전 제품군은 이미 양산에 들어갔으며, Logos2 및 Titan2 시리즈 전 제품군은 올해 양산에 돌입하여 국내 중저가형 애플리케이션의 수요를 모두 충족할 수 있을 것으로 예상됩니다. 시장 점유율은 약 60%에 달하며, 이는 중국 전자정보 산업의 안정적인 성장에 충분히 기여할 것입니다.
주요 해외 제조업체:자일링스(미국), 알테라(미국) 등
중국 제조업체:심천 유니속, 상하이 푸단 마이크로일렉트로닉스, 베이징 마이크로일렉트로닉스 등
DSP 칩은 디지털 신호 처리 기술을 구현할 수 있는 칩을 말합니다. DSP 칩 내부는 프로그램과 데이터를 분리하는 하버드 구조를 채택하고 있으며, 전용 하드웨어 곱셈기를 갖추고 파이프라인 연산을 폭넓게 활용하며, 다양한 디지털 신호 처리 알고리즘을 신속하게 구현할 수 있는 특수 DSP 명령어들을 제공합니다.
DSP 칩은 탄생 이후 급속도로 발전해 왔습니다. 이는 집적 회로 기술의 발전 덕분이기도 하지만, 거대한 시장 규모 덕분이기도 합니다. 불과 20여 년 만에 DSP 칩은 신호 처리, 통신, 레이더, 영상 처리, 군사, 계측, 자동화 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
현재 전 세계 DSP 칩 시장은 여전히 거대 기업들이 독점하고 있습니다. 텍사스 인스트루먼트, ADI, 프리스케일, 모토로라 등이 이 업계를 선도하고 있습니다. 국내 DSP 칩 시장은 상대적으로 늦게 시작되었습니다. 2006년 중국전력연구원 제14연구소와 룽선(Loongson)사가 협력하여 국산 DSP 칩을 개발했고, 2012년에 개발한 "화루이 1호(Hua Rui No. 1)"는 프리스케일의 MPC8640D보다 우수한 성능을 보여주었습니다. 그리고 2017년에는 국산 DSP 칩 "화루이 2호(Hua Rui No. 2)"가 시장에 출시되었습니다.
주요 해외 제조업체:TI 텍사스 인스트루먼트(미국), ADI 아날로그 디바이스(미국) 등
중국 제조업체:CLP 14, CLP 38, Hunan Jinxin Electronics, Beijing Zhongxing Microelectronics 등
디스플레이 코어, 비주얼 프로세서, 디스플레이 칩 등으로도 불리는 이 마이크로프로세서는 개인용 컴퓨터, 워크스테이션, 게임 콘솔, 그리고 일부 모바일 기기(태블릿, 스마트폰 등)에서 이미지 처리를 전문으로 합니다. 컴퓨터 시스템에 필요한 디스플레이 정보를 변환하고 구동하며, 디스플레이에 라인 스캔 신호를 제공하고, 디스플레이의 정확한 표시를 제어하는 역할을 합니다. 디스플레이와 개인용 컴퓨터 마더보드를 연결하는 중요한 부품이며, "인간-컴퓨터 상호작용"에 있어서도 중요한 장치 중 하나입니다.
GPU 하면 가장 먼저 떠오르는 것은 전 세계 GPU 시장의 절반 이상을 차지하는 NVIDIA이며, AMD의 GPU도 상당한 비중을 차지하고 있습니다. 중국의 GPU 기업들은 아직 규모를 크게 키우지는 못했지만, 관련 기술 개발은 활발히 진행되고 있습니다. 현재 국내 GPU 연구 기업으로는 상하이 자오신, 화웨이, 비반테, 톈슈즈신, 화샤칩, 코어뷰, 중국조선공업그룹 709연구소, AVIC 631연구소 등이 있습니다. OFweek 전자공학 네트워크의 편집자에 따르면, 중국조선공업그룹이 독자적인 지적재산권을 바탕으로 개발한 링지우 GP101은 국내 그래픽 카드 분야의 공백을 메우는 역할을 하고 있습니다. 링지우 GP101은 고성능 저전력 그래픽 처리 칩이지만, 유럽이나 미국의 선두 기업들과 비교하면 아직 갈 길이 멀고, 세계 최고 수준에 도달하기까지는 상당한 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다.
주요 해외 제조업체:이매지네이션(영국), 퀄컴(미국), 엔비디아(미국), AMD(미국) 등
MPU는 마이크로프로세서 또는 메모리 보호 장치라고도 합니다. MPU는 단일 칩으로 구성되어 있으며, 칩셋은 여러 개의 칩으로 이루어져 있습니다. 초기에는 7개 또는 8개의 칩이 사용되는 경우도 있었지만, 현재는 대부분 노스 브리지 칩과 사우스 브리지 칩이라는 두 개의 칩으로 통합되어 사용됩니다. MPU는 컴퓨터의 계산, 판단 및 제어를 담당하는 중심 부품이며, "컴퓨터의 심장"이라고도 불립니다.
인텔, 퀄컴, 삼성, 프리스케일, 미디어텍, 스프레드트럼과 같은 공급업체들이 이 시장을 선도하고 있습니다. 국내 MPU 시장 점유율은 매우 낮아 거의 0에 가깝지만, BGI, 화웨이, 유니속과 같은 기업들이 관련 기술 연구 개발에 박차를 가하고 있습니다.
주요 해외 제조업체:인텔(영국), 퀄컴(미국), 프리스케일(미국) 등
반도체 제조 재료는 주로 실리콘 웨이퍼, 전자 가스, 포토마스크, 포토레지스트 보조 화학 물질, 연마 재료, 포토레지스트, 습식 화학 물질 및 스퍼터링 타겟을 포함합니다.
세계 반도체 소재 산업은 여전히 일본, 미국, 한국, 독일 등 여러 국가가 절대적인 지배력을 행사하고 있습니다. 중국은 반도체 소재 분야에서 타겟, 패키징 기판, 연마액, 포토레지스트 등 세부 제품 분야에서 큰 발전을 이루었으며, 일부 제품의 기술 수준은 세계 최고 수준에 도달했지만, 전반적인 수준은 여전히 국제 최고 수준에는 한참 못 미칩니다.
면책 조항: 본 기사는 "IoT IQ"에서 발췌한 내용입니다. 본 기사는 필자의 개인적인 견해일 뿐이며, 사코마이크로 및 업계의 공식적인 입장을 대변하는 것은 아닙니다. 재인쇄 및 공유는 허용되지만, 지적 재산권 보호를 위해 원본 출처와 필자를 명시해 주시기 바랍니다. 저작권 침해 사항이 있을 경우 삭제를 위해 당사에 연락 주시기 바랍니다.
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