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Nikkei X-TECH_2023.6.20

반도체 입국, 일본의 역습 (제7회)
일본 반도체 재건을 위한 3가지 라스트 찬스

반도체 재건이 지금 이루어지지 않으면 안 되는 이유. 그것은 일본 반도체에 있어서 지금, 다음의 3가지 라스트 찬스가 다가오기 때문이다. 그것은 바로 ‘기술변혁’, ‘인재’, ‘국내의 위기’이다.

우선 기술변혁. “일본이 다시 한번 차세대 반도체에 참가할 수 있는 라스트 찬스이다”. 경제산업성이 자주 이렇게 강조하는 것은 지금 2개의 기술적 혁신이 일어나려 하고 있기 때문이다.

하나는 현재 트랜지스터의 구조가 일변하려 하고 있다는 것. 또 하나는 이종(異種) 칩 집적(헤테로지니어스 인테그레이션)이라는 차세대 기술개발이 보급을 향해 이제 막 시작되었다는 점이다.

트랜지스터의 미세화가 진행됨에 따라 점차 현재의 구조로는 대응이 어려워지고 있다. 너무 작기 때문에 제어가 어렵고, 스위치를 오프(절연)해도 전류가 새는 ‘누설(리크)’이 발생하기 때문이다. 이 문제에 대응하기 위해 최근 새로운 트랜지스터 구조가 몇몇 등장하고 있다.

라피더스(RAPIDUS)가 추진하는 것은 GAA(Gate-all-Around) 나노시트로 불리는 최첨단 구조로, 3나노미터 세대 이후의 반도체에서 이용될 것으로 전망되고 있다. 3나노미터 반도체는 지금부터 스마트폰 등에서 사용되어 나갈 것이다. 아이폰14 Pro/Pro Max에 탑재된 반도체 칩(A16 Bionic)에 사용되고 있는 것도 5나노미터이다.

이처럼 바로 지금, 트랜지스터 구조가 변혁을 맞이하고 있다. 현 세대(22나노미터 이후)의 ‘FinFET’ 구조로부터의 전환이 추진되고 있는 것이다. 일본에서는 FinFET 양산에는 이르지 못하고, 그 바로 전인 플레이너형이라고 불리는 구조에서 멈춰 있다

라피더스는 FinFET를 건너 뛰고 한번에 GAA 나노시트 양산 기술을 확보한다는 계획이다. 그렇게 함으로써 단번에 30년의 뒤처짐을 따라잡으려는 것이다. “FinFET 기술을 거치지 않고 2나노미터 세대의 GAA 나노시트를 만들 수 있을까?라는 불안감은 처음부터 있었습니다. 하지만 전혀 다른 것으로 따라잡을 수 있다는 것을 알게 되었습니다”. 고이케 사장은 이렇게 말하며 어색한 미소를 지었다.

사실 FinFET와 GAA 모두 일본이 발명 초기에 관여하고 있다. FinFET 구조 개발은 1989년, 히타치가 세계 최초로 성공했다. GAA 구조도 1988년에 도시바가 제창한 것이다. 하지만 양산은 2가지 모두 세계에 뒤처졌다. 반도체를 양산하는 회사는 점점 줄어 FinFET 구조의 반도체 양산은 일본에서 실현되지 못했다. GAA 구조는 말할 것도 없다.

이종 칩 집적이라는 신기술도 실용화가 진행되기 시작했다.
“기존과 다른 무대에서 일본이 반도체를 제패해 세계를 이끌겠습니다”. 자민당의 전 간사장이자 반도체전략추진의원연맹 회장인 아마리(甘利) 씨는 이종 칩 집적에 대한 각오를 이렇게 밝혔다.

이종 칩 집적은 한계가 보이고 있는 미세화를 보완할 기술로 기대를 모으고 있다. 수 나노미터 세대에까지 도달함에 따라 미세화 경쟁은 언제 한계를 맞을 지 모르는 상황에 놓이게 되었다.

최첨단 칩은 제조 비용이 비싸다. 그래서 이종 칩 집적에서는 하나의 칩에 트랜지스터를 채우는 것이 아니라, 초고속 처리가 필요한 부분은 최첨단 칩, 구세대 기술로 만들어도 문제없는 기능은 구세대 기술로 만든 칩으로 나누어 제작해 2차원적 혹은 3차원적으로 붙일 수 있다. 이렇게 함으로써 성능을 희생하지 않고 전체적인 비용을 낮출 수 있다.

미세화 진화 기술을 무어의 법칙에 빗대어 ‘모어 무어(More Moore)’라고 부른다. 이종 칩 집적과 같은 차세대 기술은 미세화 무어의 법칙 밖에 있는 기술이라는 의미에서 모어 댄 무어(More-than-Moore)로 불린다. 지금은 모어 무어가 계속 이어지고 있는 한편, 모어 댄 무어 기술도 빠르게 침투하고 있는 시기에 해당한다. 일본의 강점인 재료 및 제조 장치 분야를 무기로 반도체 재건을 도모한다는 계산이다.

라피더스에서도 이종 칩 집적을 추진할 예정으로, 일본 IBM의 실장 엔지니어였던 오리이(折井) 씨가 주도한다.

두 번째 라스트 찬스는 인재이다. 국내 여러 업계와 마찬가지로 반도체 업계에서도 인력 부족이 심각하다. 하지만 지금이 라스트 찬스인 것은 과거 세계 탑 레벨에 올라선 지식과 경험을 가진 60~70대 시니어 층이 아직 남아 있다는 점이다.

이 시니어 층은 1980년대 일본의 반도체 업계를 이끌어온 엔지니어로 당시 20~30대였다.

이 세대의 엔지니어가 업계에서 사라지면 일본에서는 많은 노하우와 지식이 사라지게 된다. 라피더스의 고이케 사장도 바로 이 세대의 엔지니어이다. 이후 세대는 최전선에 있는 반도체 제조업체에서 어떻게 연구개발을 진행해야 할지 모른다. 즉, 이 60~70대가 업계를 떠나기까지 얼마 남지 않은 기간에 승부해야 한다.

세 번째는 국내에서 첨단 반도체를 확보할 수 있는 라스트 찬스이다.
“이번이 마지막이자 최대 기회이다. 절대 놓치지 말아야 한다!” 제5회 반도체 전략회의에서 이렇게 외친 사람은 전문가 멤버인 와카바야시(若林) 교수.

“첨단 반도체가 국내에 없으면 디지털 인프라 격차로 인한 치명적인 격차가 생겨 버린다”(와카바야시 교수). 첨단 반도체는 5G 기지국이나 대규모 데이터를 관리하는 데이터센터로 쓰인다. 이 핵심 부분이 국내에 없으면 생명과 관련된 위험이 발생할 것이라고 그는 전망한다.

예를 들어, 향후 보급이 전망되는 기술로는 자동차의 자율주행과 원격의료, 디지털트윈이 있다. 완전자율주행(자율주행 레벨 4, 5)이 보급되면 사람은 더 이상 운전할 필요가 없어지고 노인 운전자의 자동차 사고도 줄어들 것이다.

도쿄에서 오사카까지의 장거리도 연결할 수 있는 원격의료는 의사가 부족한 지역에서도 고도의 수술을 할 수 있게 될 가능성이 있다. 의료 격차를 없앨 수 있을 것이다.
디지털상에 현실세계를 재현하는 디지털트윈 기술은 현실세계의 시뮬레이션을 통해 재해나 교통체증 등을 막을 수 있다.

“이러한 첨단 반도체가 일본에 없으면 어떻게 되겠는가?”(와카바야시 교수). 자동차의 자율주행에서는 통신 지연이 사고로 이어질 수 있다. 원격의료에서는 제대로 된 수술이 불가능하게 된다.

또한 디지털상에 현실세계를 재현하는 '디지털트윈' 기술에서는 데이터센터가 필수이다. 이것을 확보하지 못한다면 예를 들면, 홍수의 사전 시뮬레이션이 가능한 방재 디지털트윈을 작동시킬 수 없다. 첨단 반도체 제조 거점은 “향후의 일본에 반드시 필요하다”라고 와카바야시 교수는 말한다

지금이 차세대 기술에 의한 스타트 라인의 재설정, 반도체 황금기 마지막 세대의 노하우 전수, 첨단 반도체 유무가 치명적인 격차를 일으키기 직전의 타이밍이다. 이러한 찬스의 톱니바퀴들이 맞춰지면서 일본 반도체가 재건을 향해 움직이기 시작했다.

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