스마트폰 시대, 메모리와 비메모리 반도체 차이와 경쟁력 (파운드리의 전진)

한국의 반도체 산업은 메모리 반도체를 기반으로 성장해 왔다. 지금은 스마트폰과 데이터 센터 수요가 확대되면서 비메모리 반도체에 대한 중요도가 높아지고 있다. 메모리 반도체와 비메모리 반도체의 차이는 무엇일까? 그리고 경쟁력은 무엇인지 알아보자.

 

 

 

메모리 반도체: D램과 낸드 플래시 구분은 어떻게 하나

D램은 데이터를 장착된 기기에 영구적으로 저장되지 않고 임시로 저장한다. 전력이 공급되는 동안 임시로 저장되고, 전원이 꺼지면 모든 데이터는 삭제된다. 그 대신 속도가 빠르다는 장점이 있다. 반대로 낸드 플래시는 속도는 느리지만 데이터를 영구히 저장한다. 낸드는 단일 품목으로 컴퓨터에 장착되기는 어려워 SSD라는 형태로 사용된다.

그렇다면 데이터를 영구히 사용할 수 있는 낸드 플래시를 두고 왜 D램을 굳이 사용하는지 의문을 가질 수 있다. 그 이유는 바로 속도와 효율적인 작업을 위해서이다. 만약 컴퓨터에 데이터를 입력할 때마다 메모리에 데이터를 영구 저장된다고 생각해보자. 속도가 느려지고, 입력 데이터도 하나로 모아지지 않고 흩어져서 메모리에 저장될 것이다. 또한 낸드 플래시는 수명이 길지 않다는 단점도 있다.

 

한편 D램의 글로벌 top 3은 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론이다. D램은 낸드 플래시보다 제조가 어렵고 긴 세월 축적된 기술로 인해 진입장벽이 높다. 전문화된 인력과 생산 노하우가 없으면 많은 금액을 투입한다고 해도 격차를 좁히기 쉽지 않다. 특히 D램은 제조 공정에서 다른 칩들과는 달리 내부에 캐패시터라는 구조물을 만드는 공정을 거쳐야 한다. 이 공정이 신규 진입자가 D램 시장에 진입하기 어렵게 만드는 요인이 된다.

 

 

 

D램이 메모리 반도체의 중심인 이유

위에서 살펴보았듯이 D램은 휘발성 메모리이다. 기술이 발전할수록 속도가 빠른 반도체의 수요가 증가하는 것은 당연하다. 노트북, 스마트폰은 기본이고, 엄청난 규모의 데이터를 저장해야 하는 데이터센터와 클라우드는 물론 차량용 반도체와 그래픽 카드에도 D램이 필요하다. 데이터가 완전히 저장되기 전 빠른 연산을 위해 고성능 D램 수요는 계속해서 확대되었다. 특히 세대가 바뀔수록 그 성능 개선폭이 크다. 현재는 DDR5가 2020년 7월에 표준으로 정해졌고, D램 업체들은 새로운 기준으로 제품 생산을 확대해 나가고 있다.

 

비메모리 반도체의 정의와 성격

비메모리 반도체는 데이터를 저장하는 용도가 아닌 다른 목적으로 사용되는 모든 반도체를 통칭한다. 제조업 입장에서 비메모리 반도체는 다품종이라는 것이다. 칩의 종류가 다양하다 보니 기술의 편차도 심하고 사용 환경까지 모두 상이하다. 이렇다 보니 비메모리칩을 만드는 반도체 기업은 전 세계에 셀 수도 없이 많이 있고, 당연히 시장 규모도 크다. 대표적으로 텍사스 인스트루먼트는 1만 개 이상의 칩을 판매하며 시장 지배력을 확대하고 있다. 반면, 단순 하청에 불과한 기업들도 존재한다.

 

 

 

스마트폰 시대: AP(Application Processor)의 발전

비메모리 반도체를 공부하면서 꼭 알아야 할 칩이 AP(Application Processor)이다. 지금은 컴퓨터보다 모바일 디바이스의 시대이다. 스마트폰 발전 속도가 PC의 속도보다 더 빠르게 진행되고 있다. 이러한 스마트폰 시대엔 새로운 비메모리 칩이 요구된다. PC보다 성능은 좀 떨어지더라도 낮은 소비전력으로 운영되는 반도체가 필요했던 것이다. 제조사들은 하나의 칩에 모든 시스템을 구성하는 SoC(system on chip)에 집중했는데, AP(Application Processor)가 Soc의 대표적인 사례라고 할 수 있겠다. 컴퓨터 시대에는 큰 주목을 받지 못했지만, 모바일 시대에서 새로운 설계 기술을 보유한 기업이 신흥 강자로 떠올랐다. 대표적인 회사가 바로 미국의 퀄컴과 영국의 ARM이다. 이 뿐만 아니라 당초 CPU는 PC용으로 AP는 모바일 기기용으로 구분될 것이라는 예상은 빗나가고 있다. 설계와 최적화 생산기술을 발달로 AP 기반의 태블릿 PC와 노트북이 등장하기 시작했다.

 

팹리스(Fabless)와 파운드리(Foundry) 기업

칩 종류가 많아지고 신속한 대량 생산 니즈가 높아지다 보니 칩을 설계하는 기업과 생산하는 기업의 분업화가 자연스럽게 구분되기 시작했다. 세계적으로 스마트 디바이스에 장착되는 반도체의 경우 팹리스와 파운드리의 구분이 뚜렷한 현상이 발생한다. 반면, 차량용 반도체 시장에서는 이 같은 생산 구분이 상대적으로 제한적이다. 대표적인 기업이 독일의 네덜란드의 NXP와 독일의 Infineon이 있다. 이들은 팹리스와 파운드리를 모두 보유하고 있다. 우리는 이런 기업을 종합 반도체 기업(integrated Device Manufactures, 줄여서 IDX)이라고 부른다. 한국의 삼성전자도 IDX이다. 물론 이들도 상황에 따라서는 설계한 제품 일부를 전문 파운드리 기업에게 의뢰한다.

 

 

 

▶ 팹리스(Fabless): IP가 경쟁력

팹리스는 반도체를 설계하는 기업을 말한다. 단어 자체에서도 알 수 있듯이 fab(제조 설비)이 less(없다)라는 의미이다. 반도체의 생산 설비를 별도로 마련하지 않고, 오로지 반도체의 회로를 설계하여 전문 생산업체에게 의뢰한다. 팹리스의 핵심은 IP이다. 칩 설계를 처음부터 끝까지 하면 시간이 많이 소요되는데 그러면 다음 세대 제품을 빠르게 개발할 수가 없다. 그래서 다른 회사의 IP를 사용할 수밖에 없게 되는데 문제는 타사의 IP를 사용할 때마다 비용을 지불해야 한다는 것이다. 이렇다 보니 IP 개발에만 집중하는 기업이 생겨나게 되는데 그 대표적인 예가 미국의 시놉시스와 영국의 ARM이다.

▶ 파운드리 (Foundry): 백조가 된 오리

파운드리는 생산설비를 갖추고 전문적으로 반도체 생산을 하는 기업을 말한다. 반도체 업종에서 파운드리의 중요성이 갈수록 높아지고 있다. 몇 년 전만 해도 파운드리는 단순 제조라고 불리며 무시를 받았던 것이 사실이다. 그러나 스마트용 반도체와 데이터 센터용 반도체에 요구되는 성능이 비약적으로 발전하면서 비메모리 반도체의 중요성이 높아지는 세상이 도래하게 된다. 이러한 세상에서 파운드리 기업은 더 이상 무시의 대상이 아니라 슈퍼 을의 지위를 누리게 된다. 대표적인 파운드리 기업이 대만의 TSMC이다. 현재 시가총액이 무려 500조 원을 넘어서고 있다. 이미 해당 사업을 철수했던 인텔이 2021년 파운드리 사업을 재개한 이유가 바로 이것이다. TSMC, 삼성전자, UMC가 전 세계 파운드리 점유율 80%를 차지하고 있는 반면, 미국은 자국 내 반도체 생산량이 10%에 불과하다. 최근 바이든 행정부가 왜 그렇게 조바심을 내면서 자체 공급망 확대에 집중하는지 이해가 될 것이다.

 

 

 

반도체 기업의 도전, 변해야 산다

우리는 메모리 반도체와 비메모리 반도체의 발전 과정과 경쟁력에 대해서 알아보았다. 시대가 변하면서 새로운 기술을 가진 IT 제품이 나오고 있다. 이에 따라 반도체 기업도 변하지 않으면 시장에서 도태되고 말 것이다. 삼성전자 이재용 부회장이 삼성은 커다란 도전에 직면했다며 서두르지 않으면 안 된다고 말할 정도다. 한국 정부가 반도체에 대한 대규모 지원을 한다고 하지만 아직 비메모리 분야에서 가야 할 길이 먼 것이 사실이다. 나는 특정 기업에 대한 애착이 깊지는 않지만, 국내 기업이 비메모리 분야에서도 절대 경쟁력을 가지게 되기를 바란다. 다음 글에서는 대체 미국과 중국은 왜 반도체 전쟁을 벌이는지 알아보려고 한다. 이전 글의 반도체 공정과 이번 글의 메모리와 비메모리 반도체에 대한 기초 지식은 다음 이야기를 이해하기에 도움이 될 것이다.