Nikkei Electronics_2018.9 특집 요약 (p16~37)

Breakthrough
파괴와 창조를 가져오는 초고속 머신
반도체 업계의 판도가 바뀐다

제1부: 주역 교체의 시기
무(無)에서 가치를 창조하는 고속연산, 7㎚반도체 수요의 견인 역할

가상통화 마이닝(채굴) 및 AI(인공지능) 해석 등을 위해 초고속 데이터 연산 머신의 수요가 높아지고 있다. 초고속 머신의 특수는 반도체의 첨단 프로세스 개발을 촉구하여 고효율의 방열(열 확산) 기술을 불러 올 전망이다. 반도체 제조사에서는 미국 실리콘밸리의 기업보다도 중국의 신흥기업이 그 존재감을 높이고 있어, 업계의 판도가 뒤바뀌게 될 가능성도 있다.

최첨단 프로세스의 반도체를 사용해 고속 연산하는 컴퓨터인 ’초고속 머신’이 시장에서 활약하고 있다. IoT 데이터 및 데이터 거래부터 연구개발 및 경영에 이르기까지 가치를 불어 넣는 데이터를 창출하는 빅데이터 해석과 비트코인 등 가상통화 마이닝(채굴)이 새로운 견인 역할을 맡는다.

특히 가상통화 마이닝에서는 결재의 정당성 검증으로 보수를 얻을 수 있기 때문에 투자가가 이익을 창출하는 도구로서 2년 전후의 주기로 최첨단 초고속 머신의 구입을 계속해서 늘리는 경우가 많다. 따라서 마이닝용 ASIC는 16㎚세대의 프로세스(16㎚프로세스) 제조 라인의 수요를 압박하는 주요 원인이 되고 있다.

2017년 말에 양산이 시작된 7㎚ 프로세스의 양산에서도 마이닝용 ASIC가 수요의 대부분을 차지한다는 의견도 있다. 실제, 7㎚ 프로세스에서는 블록체인(분산 장부) 기술응용의 벤처 기업인 TRIPLE-1이 자사설계의 데이터 연산용 ASIC 생산을 2018년 8월에 개시해 이것을 탑재한 머신의 출하도 시작한다. 국내의 GMO 인터넷은 역시 자사 설계인 7㎚ 프로세스의 ASIC의 양산을 2018년 10월 안에는 시작해 그 ASIC를 탑재한 머신을 출하할 예정이다.

-- 중국 신흥 기업이 NVIDIA를 제치다 --
초고속 머신의 증식은 일렉트로닉스 등의 하이테크 분야의 업계 지도를 다시 쓸 가능성이 크다. 이미 해당 머신의 개발과 투자에 있어서 주역 교체의 기운이 감지되고 있다.

최근 수 년, 반도체 최첨단 프로세스의 제조 라인을 가장 먼저 채운 것은 스마트폰용 반도체였다. 그것이 지금은 초고속 머신용으로 바뀌고 있다. 회로 패턴을 노광하는 마스크 개발에 수 백억 엔이 드는 최첨단 프로세스에서는 한 품종에 출하 수가 수 백만 개 규모인 “스마트폰용 조차 회수가 어려울 것이라는 우려가 있다. (다음 주역은 높은 수익성이 기대되는 가상통화를 시작으로 하는) Fintech(핀테크)용이나 (개발비와는 상관없이 성능을 요구하는) 군사용이 될 것이다”(노무라 증권 금융경제연구소 기업조사부 시니어 아날리스트의 와다 씨).

또한 가상통화 마이닝용 ASIC시장을 주도하고 있는 제조업체는 실리콘밸리에 본사 및 연구 시설을 설립해 하이테크 업계의 시장을 창출해 온 미국계 기업이 아니다. 시장을 일으켜 세워 상장시키고 있는 것은 중국의 신흥기업인 Bitmain이다. 7㎚프로세스의 ASIC를 개발한 TRIPLE-1 및 GMO 인터넷에서 앞서게 된 것은 3~4년전부터 시작되었다.

Bitmain은 2013년에 창업해서부터 급성장을 이뤄내 2017년에 40억달러 가까이 이익을 올렸다고 한다. 40억 미국달러라는 숫자는 자율주행용 AI의 연산 칩을 개발하여 실리콘밸리 기업 중에서도 파죽지세를 보이는 미국 NVIDIA가 거의 같은 기간에 벌어들인 이익을 상회한다. 가상통화 마이닝용 머신 중에서 업계 1위는 Bitmain 이며, 2위 기업도 중국기업이다. 홍콩에 본사를 두고 있는 Canaan이 바로 그 주인공이다.

마이닝용 머신 및 반도체에서의 중국 신흥기업의 대두는 미국 산업계에게 위기감을 조성시켜 중국과의 반도체 무역 마찰에 불이 붙을 정도로 위협이 되고 있다(‘미∙중 하이테크 전쟁, 일본에게 어부지리’ 참조).

-- 성(省) 전력보다 성능’으로 열에 주목 --
-- 가상통화의 버블은 붕괴하나? --
-- 가상통화 이외에 응용이 확대된다 --
-- 채굴 후의 시장에 비즈니스 찬스 --

● 아날리스트의 눈
가상통화에 붕괴 리스크, 위법성 배제로 재성장을 노려

“가상통화가 유망한 기술임에는 틀림없다. 그러나, 이대로라면 존재 가치에 의문이 생기게 되어 위험하다”. 이와 같은 경종을 울리는 것은 노무라 증원의 금융경제연구소 기업조사부 시니어 아날리스트인 와다(和田) 씨이다. 이하, 와다 씨와의 인터뷰를 정리했다. (중략)

● 미∙중 하이테크 전쟁, 일본에게 어부지리’
미국과 중국의 하이테크 마찰이 격렬해지고 있다. 원인은 중국이 제조업을 강화하는 정책으로 방향을 틀었기 때문이다.

-- 중국이 IoT에 주력하는 2가지 이유 --
중국은 ‘중국제조 2025’ ’과학기술∙이노베이션 2030’ ’일대일로(一帶一路)’의 3가지 정책을 추진하고 있다. 그 이유에는 2가지가 있다. 지금까지 중국은 10년 이상에 걸쳐 GDP(국내 총생산)의 성장률을 유지하기 위해 방대한 사회 인프라에 투자해 왔다. GDP에서 차지하는 개인 소비의 비율이 일본 및 미국과 같이 높지 않은 것과 더불어, 장래의 불안으로부터 저축을 늘리는 경향도 있기 때문이다.

중국은 과거 3년동안, 미국이 과거 100년간 소비해온 콘크리트의 양인 약 450억톤보다 많은 약 660억톤을 사용했다. 그 결과, 고속철도는 2만2,000km로 일본의 약 7배, 고속도로는 약 13만km로 미국의 2배이며 일본의 10배가 되고 있다. 그러나 일련의 투자의 대부분이 적자사업이기 때문에 이익을 창출해내지 못해 경제적 파급효과를 기대할 수 없다. 따라서 사회 인프라 투자에 대체되는 새로운 성장 엔진이 필요하게 된다. 그것이 중국이 IoT에 주력하는 이유 중 하나이다. IoT에 의한 대형 프로젝트를 성장 엔진으로 삼고 있으며 그것을 시작으로 투자를 지속해 나간다.

또 다른 이유는 인건비 상승에 있다. 중국의 일렉트로닉스 제조업의 생산액이 세계에 차지하는 비율은 2008년의 24%에서 40%가 넘게 확대되었지만, 그 조류는 바뀌려고 하고 있다. 최근 10년간에 일반 공장직의 인건비가 4배이상 뛰어 올랐기 때문이다. 말레이시아 및 베트남 등 주변의 동남아시아 국가들보다 훨씬 높은 수준이다. 그렇기 때문에 중국 이외의 제조업체 중에서는 저렴한 노동력을 찾아 제조 거점을 중국에서 다른 곳으로 이전하는 업체도 나오고 있다. 구미(歐美)에서는 자국 회귀의 움직임도 있다. 중국 정부 및 제조사는 외화벌이처를 잃게 될 수 있다는 위기감을 느끼고 있다. 실제로 외화를 벌어들이는 능력이 급속도로 쇠퇴되고 있다.

이에 따라 중국은 제조 거점으로서의 위상을 유지하기 위해, 공장의 비용 경쟁력을 높이는 움직임이 가속화되고 있다. 열쇠를 쥐고 있는 것이 IoT인 것이다. 기존에는 노동집약형이었던 공장을 IoT로 자동화∙무인화 하고 있다.

-- 중국의 대두를 용납하지 않는 미국 --
-- 일본에게는 차세대 기술을 개발하는 좋은 기회 --

제2부: 중국 발 신흥 기업
Bitmain이 승리한 이유, AI칩을 노리는 배경

비트코인 채굴(마이팅)용 ASIC으로 혜성처럼 등장한 중국의 Bitmain. 당사는 어떻게 승자가 되었으며 앞으로는 어디를 향해 나가고 있는 것일까? 성공의 이유는 ASIC의 개발뿐만 아니라 앞서 있었던 경합에는 없었던 판매 수법을 실천한 것에 있다. 축적된 이익은 300명을 투입해 AI 칩 개발에 힘을 쏟았다. ‘감시 사회’인 중국 특유의 화상 인식의 수요를 예상한다.

‘타기업을 압도한다’라고 밖에 말할 수 없다. 주식 미공개 기업인 중국의 Bitmain(比特大陸)은 2017년에 ASIC을 이용한 비트코인 채굴기 시장에 있어서 대수 기본으로 67%, 연산능력 기본으로 60%의 점유율을 획득했다. 이들 수치는 Bitmain의 라이벌인 중국의 Canaan(嘉楠耘智)이 미국 Frost & Sullivan의 조사결과로서 IPO(신규주식공개) 신청서에서 나온 것이다.

이것 보다 세간을 놀라게 한 수치가 있다. 미국의 한 미디어가 Bitmain은 미국의 NVIDIA보다 수익이 많다고 2018년 2월에 보도했다. ‘2017년의 Bitmain의 영업이익은 미국 증권회사인 Sanford C. Bernstein에 따르면 30억~40억달러, 영업이익률은 65%’라고 한다. 중국 미디어도 ‘2017년 전반의 순이익은 10억 위안(1억 5,000만 달러 이상)으로 보도했다. Bitmain의 설립은 2013년. 그로부터 4년 정도에 상식을 뛰어 넘는 성장을 이뤄내 고수익을 얻었다고 한다.

-- ASIC 매출은 4억~15억 달러? --
-- 1년반만에 1거 3배 이상의 종업원수 --
-- 반도체 기술자를 이사로 --
-- 수익 셰어로 채굴기를 소비 --
-- 선(先) 주민’에게 미움 받는 ASIC 처리 --
-- 톈왕(天網, 하늘의 그물)에서 화상 칩의 수요 --

제3부: 지적 재산, 사업전략의 해석
미국과 중국에서 선행하는 특허 출원, 전원∙열 대책에 초점을

가상통화 마이닝 관련의 특허출원상황에 대해서 하이테크 분야의 특허 조사에 일가견이 있는 스마트웍스가 조사∙분석을 맡았다. 2015년경부터 출원이 늘어나기 시작해 일본보다도 해외(특히 중국 및 미국)에서의 기술 개발이 발달하고 있는 상황이다. 출원 내용으로부터 전원 및 열 대책에 대한 기술 개발이 중요해 지고 있음을 알 수 있다.

가상통화의 마이닝에는 해시(Hash, 해시치, 해시관수)로 불리는 데이터가 사용된다. 가상통화의 하나, 비트코인으로 사용되는 해시는 ‘SHA-256’으로 ‘RIPEMD-160’이다. 해시관수 계산용 장치(ASIC, IC, 마이크로 프로세서 등)에 관한 특허 출원을 보면, 1990년 이후는 증가 경향에 있으며 일단 2010년 이후에는 미국, 중국을 중심으로 한층 더 증가하고 있다. 한편, 일본의 특허 출원은 2005년 이후 감소하는 경향이다. 한국, 대만, 인도의 출원 건수는 제로 또는 10건 미만이었다.

-- 마이닝용 ASIC의 특허 출원 --
-- ASIC뿐만이 아닌 Bitmain --
-- 일본으로부터의 특허 출원은 저조 --

제4부: 열에 이기는 기술
공냉∙액냉에서 상변화(相變化)로, ‘효율 좋은 성능’이 진화를 촉구한다

기화열을 이용해 효율적으로 열을 확산시키는 상변화식 방열기술의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 기존의 공냉 및 액냉 방식에 비해 방열 성능이 확연히 높다. 연산 성능을 높이기 위해 소비전력을 증대시키는 것을 마다하지 않는 용도가 늘어나고 있는 가운데, 향후 상변화 방식의 실용화가 그 뒤를 이을 것이다.

“고성능의 방열 기계로서 지금까지 중에서 가장 액침방식이 뛰어나다고 판단, 실용화에 앞장서 왔다. 그러나 연산 성능을 지속적으로 향상시키려고 해도 한계점에 부딪히게 된다. 수 년 안에는 새로운 방열 기술로서 상변화 방식의 도입이 필요하다고 생각해 개발에 착수했다”. 이렇게 밝힌 것은 슈퍼컴퓨터용 방열(열 확산) 기술을 개발하고 있는 책임자이다.

-- 상변화가 초고속 머신으로 --
초고속 머신의 방열 성능을 한층 더 높이는 기술이 점점 더 요구되고 있다. 특히 슈퍼 컴퓨터용은 그 밖의 초고속 머신에 앞서 신기술 도입이 활발히 이루어졌다. 상변화 방식은 이미 많은 슈퍼컴퓨터가 어떤 방식으로든 도입하고 있다. 언젠가는 가상통화의 마이닝용 머신을 포함한 많은 초고속 머신으로까지 확산될 가능성이 크다.

앞에서 소개한 액침에 의한 방열 수법은 액체 냉매를 채운 탱크에 다수의 보드를 담그는 액냉식(液冷式) 수법을 말한다. 프로세서에서 발생하는 열을 냉매에 전달해 냉매의 온도를 열 교환기로 낮춰서 순환시킨다. 액체 냉매는 전기 절연성이 높아 불활성의 불소계 액체인 ‘Fluorinert’(미국 3M 제품)이다. 프로세서와 방열 핀에 팬을 통해 공기와 맞닿게 하여 냉각시키는 공냉 방식보다 방열 능력이 높다.

또한 앞에서 말한 액침 방식은 액냉 방식 안에서도 비교적 보수가 수월하다. 냉매로서 비(非) 휘발성으로 증발이 적은 액체를 선택함으로써 탱크를 밀폐시킬 필요가 없어 진다. 탱크 내에 액체를 순환시키는 구조 또한 비교적 간단하다.

-- 기화열로 방열 효율을 높여 --
상변화 방식은 일반적으로는 액침 방식보다 설비가 복잡하여 비용이 비싸진다. 보수도 손이 많이 간다. 그런데도 앞에서 말한 것처럼 기술자가 상면화 방식을 선호하는 이유는 방열 능력을 상당히 높일 수 있기 때문이다. 반도체 칩 면적당 방열량을 현재의 수 십W/㎠에서 100W/㎠ 이상으로 높이는 것이 가능하다.

데이터 센터의 서버랙 주위의 방열량에서도 고밀도화가 요구되고 있다. NEC는 현재의 수 ㎾~10수㎾를 100㎾ 넘게 높이는 것이 업계의 목표라고 판단, 1랙당 100㎾의 전력 밀도에 견딜 수 있는 방열 시스템을 실용화시키겠다는 목표를 삼고 있다. 그 실현에서도 상변화 기술은 반드시 필요한 기술이다.

향후, 초고속 머신에서 발생하는 열은 더욱 증가할 것으로 예상된다. 이미 저가의 전력을 사용하며 성능을 중시하는 대기업 유저가 늘고 있다. 우선 연산 칩의 성능을 높이고 소비전력의 효율은 그 다음 생각한다.

지금까지 소비전력을 줄이는 주요 동기는 전력 비용과 환경 부담으로의 영향이었다. 그러나 재생가능 에너지에 의한 저가 전력을 초고속 머신의 대기업 이용자가 선택적으로 사용하기 시작했다. 환경으로의 악영향은 거의 없어졌다. 또한 설비상각이 끝난 재생가능 에너지 유래의 발전소 전력 비용은 제로에 가까워진다.

-- 열원 가까이에서 액화 --
-- 금속 세공으로 기화의 효율을 높인다 --
-- 기화(氣化)를 촉진하는 구조를 내장 --
-- 파워 반도체로 검증, 자동차 부품에도 --
-- NEC는 상변화 방식의 개량을 지속 --
-- 저압 냉매를 채용 --
-- 칩 측근에서의 방열 --
-- 산업기술종합연구소의 AI용 슈퍼컴퓨터도 상변화 --

 -- 끝 --