"반도체, 현재 기술 정체기···2차 격변기 준비 잘 해야"

"반도체 기술은 1980년대 1차 격변기를 거쳐 현재는 정체기입니다. 다가오는 2차 격변기는 누구도 앞날을 예측할 수 없는 상황입니다. 2차 격변기는 해결해야 할 난이도가 1차 격변기보다 난이도가 몇 천배 더 어렵고 투자규모도 엄청 커져야 합니다. 우리나라도 2차 격변기에 잘 대비해야 합니다."

신창환 고려대학교 반도체공학과 교수는 한국소프트웨어산업협회(KOSA, 회장 조준희)가 17일 서울 삼정호텔에서 개최한 '제26회 KOSA 런앤그로우 포럼'에서 초청강사로 나와 이 같이 밝혔다. 신 교수는 ‘첨단 반도체 기술과 반도체 산업 지형 변화’를 주제로 강연했다. 2022년부터 고려대서 근무하고 있는 그는 성균관대학교 전자전기공학부 부교수(2018년~2022년)와 SK하이닉스 사외이사(2017년~2023년)를 역임했다. 올 2월 18일 KBS 1TV에서 방영한 '이슈픽, 쌤과함께'에 나와 반도체가 무엇인지, 세계 각국간 벌어지는 반도체 경쟁을 들려주기도 했다.

산업의 쌀인 반도체는 1980년대 이후 현재까지 세 번의 수요 폭발이 있었다. 1차 수요 폭발은 1990년 일어난 PC시대 개막으로 당시 글로벌 PC 판매량이 2500만대를 돌파하며 세계 반도체 시장 매출이 500억달러에 달했다. 2차 수요 폭발은 2002년 블랙베리 스마트폰이 처음 등장이 등장한 모빌리티 시기로 당시 세계 반도체 매출은 1410억달러였다. 3차 수요 폭발은 ICT 기기가 생성한 데이터가 사람이 생성한 데이터를 초월한 시기(2018년)로 AI가 이를 초래했다. 당시 세계 반도체 매출은 4660억 달러로 크게 상승했다. 신 교수는 4차 수요 폭발기로 2030년을 예상하며 이 시기 세계 반도체 매출은 1조달러가 될 것으로 내다봤다.

신창환 고려대학교 반도체공학과 교수가 17일 서울 삼정호텔에서 열린 '제26회 KOSA 런앤그로우 포럼'에서 초청강사로 나와 발표하고 있다.

반도체는 크게 설계, 공정&제조, 패키징, 판매 등 4가지 밸류체인을 갖는다. 여기에 장비 및 재료업체와 전방산업이 존재한다. 네 단계마다 전문 기업이 있고 이들 모두를 하는 기업을 종합반도체기업(IDE)이라 부른다. 우리나라 삼성전자와 SK하이닉스, 미국 인텔과 마이크론, 키옥시아가 대표적 IDE다. 설계는 퀄컴과 엔비디아가, 파운드리는 TSMC와 삼성, FG가 대표기업이다.

신 교수에 따르면, 팹리스 세계 1~3위는 퀄컴(23%), 브로드컴(21%), 엔비디아(18%)다. 파운드리 세계 1~3위는 TSMC(52%), 삼성전자(19%), 글로벌파운드리와 UMC(각 7%), D램 세계 1~3위는 삼성전자(44%), SK하이닉스(29%), 마이크론(21%)이다.

신 교수는 반도체 기술 역사를 과거, 현재, 미래로 구분해 설명하며 "1980년대 중반과 현재처럼 반도체 기술 발전이 정체하는 시기가 있다. 1980년대는 중반에는 반도체 기술이 BJT에서 MOSFET로 세대교체가 하면서 정체를 해결했다. 현재는 문제해결을 위한 아이디어들은 있지만 실질적인 해결이 되지 않고 있다. 여기에 미국과 중국 갈등을 비롯해 여러 문제가 파생되고 있다"고 해석했다.

1980년대 1차 반도체 격변기에는 일본이 메모리 치킨게임으로 인텔, TI, IBM 등 미국 반도체 강자들을 격퇴했고 대신 미국기업은 CPU와 DSP 등 고급 설계 분야로 이동했다. 팹리스는 2000년초반부터 등장했는데 미국은 팹리스들이 경쟁하면서 고수익분야 신기술을 창출했다.

특히 미국은 반도체산업 경쟁력을 지속적으로 확보하기 위해 1987년 세마텍(SEMATECH)과 SRC를 설립했다. 세마텍은 비경쟁 단계의 초기 연구를 기업간 연합으로 공동 수행하는 연구기관으로 연간 투자액이 3억~5억달러에 달했다. SRC는 차세대 반도체 기술을 연구하는 대학을 그룹으로 묶어 지원하는 민간기업으로 반도체기업들이 공동 출연한 예산을 사용했다. 이들은 팹리스 등장으로 회원사가 감소하면서 역할이 축소됐다. 신 교수는 TSMC가 성공한 이유로 오픈 이노베이션을 꼽으며 "오픈하지 않으면 1등에서 내려와야 한다"고 밝혔다.

현재 반도체 기술이 정체기인데 대해 신 교수는 "반도체 산업이 시스템 레벨 기술발전보다 집적도 향상을 통한 제조원가 절감에 주력하고 있다"면서 "팹리스가 차세대 반도체기술보다 현재 반도체 기술을 활용한 설계기술에 주로 투자, 차세대 반도체 제조 기술 투자가 대폭 감소됐다"고 짚었다. 이어 새로운 반도체 기술 도입시 설계비용이 급격히 증가한다면서 "설계 뿐 아니라 제조기술 측면에서도 새로운 혁신기술개발비가 기하급수적으로 증가한다. 이제는 각자 반도체를 설계하는 시대로 기업간 경쟁에서 국가간 경쟁으로 변화고 있다"고 말했다.

또 MBCFET가 반도체 소자의 궁극적 형태이지만 이것만으로는 반도체기술 한계를 극복할 수 없다면서 "이제 새로운 모양이나 작게 만드는데도 한계에 온 것인가?"라고 물었다. 제조기술 난이도 증가로 설계기업과 제조기업간 갑을관계가 역전됐다면서 "제조기술 확보만으로는 차세대 기술 주도권을 확보할 수 없다. 핵심과제는 양산 캐파(capa, 능력)가 아니라 2차 격변기 이후 기술을 선점하기 위한 올바른 전략 수리과 실행"이라고 강조했다.

신 교수는 TSMC 로고 변화도 주의깊게 봐야 한다고 짚었다. 단순히 로고 색깍 변화(검정에서 빨강)가 아니라, 배경으로 쓴 불량률을 크게 줄인 반도체 다이 그림을 주목하라는 것이다. 이어 "파운드리는 제조만 하는 게 아니다. 설계도 많이 한다. 파운드리가 제조만 한다는 건 잘못 알려진 것"이라면서 "파운드리는 단순히 생산만 하는 게 아니라 팹리스와 협업하며 설계 서비스도 하며 선제적으로 개발한다"고 말했다. 미-중 반도체 경쟁에 대해서는 "중국은 반도체 분야에서 기술경쟁을 멈출 이유가 없다. 또 미국은 초격차기술을 확보할때까지 중국 발전을 최대한 지연시키는 것이 목표"라며 "미-중 경쟁이 어떤 형태로 발전하든 우리나라에는 큰 도움이 되지 않는 방향"이라고 내다봤다.