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Nikkei Electronics_2023.4 특집 요약 (p30~63)

반도체 패권의 향방
미국의 반도체 전략과 일본과 중국의 동향

1980년대에 전성기를 자랑했지만, 지금은 쇠퇴 일로를 걷고 있는 일본의 반도체 제조 사업. 이러한 상황을 반전시키기 위해 일본 정부가 움직이기 시작했다. 그 배후에 있는 것은 대만의 유사시를 우려하는 미국 정부이다. 전세계 반도체 생산의 중심지인 대만에서의 출하가 멈춘다면 세계 경제는 대혼란에 빠질 것이다.

반도체는 군사적으로 가장 중요한 전략 물자로, 기술 측면에서 중국이 자립해 미국을 추월한다면 파워 밸런스는 달라진다. 이러한 파워 게임 속에서 일본은 세계 반도체 제조 분야에서 다시 영광을 되찾을 수 있을까?

제1부: 세계 동향
미국의 반도체 전략에 연계된 일본, 중국의 반격 주시

미국이 반도체 공급망 확보를 위해 움직이기 시작했다. 미국과 일본, 유럽에서 첨단 반도체를 제조할 수 있는 공급망을 확보하는 한편, 이 3극과 플러스 대만으로 양산과 기술을 독점하려는 전략이다. 일본도 이 대전략에 따라 크게 움직이기 시작했다.

“가치관을 공유하는 동맹국들로 반도체 공급망을 완결시킬 것이다”(자유민주당 반도체전략추진의원연맹의 아마리(甘利) 회장). 첨단 로직반도체를 둘러싸고 이러한 미국 주도의 새로운 공급망이 형성되려 하고 있다.

이 공급망에 참여할 것으로 전망되는 것은 일본과 유럽, 대만 등의 국가 및 지역이다. 전공정에서 후공정까지의 반도체 공급망을 신뢰할 수 있는 국가 및 지역으로 완결. 미국으로선 지정학적 리스크를 없애고 중국에 대한 반도체 규제 강화로도 이어나가겠다는 생각이다.

구체적으로는 이중 공급망을 구성할 것이다. 우선 ‘작은 틀’로서 각각의 국가 및 지역이 반도체 양산 거점을 구축. 또한 ‘큰 틀’로서 국가 및 지역 간 연대해 첨단 로직반도체 등을 제조하는 것이다.

각 국가 및 지역에서의 양산 거점 설립에 크게 관련되어 있는 것이 대만의 TSMC(臺灣 積體電路製造)이다. TSMC는 일본 구마모토(熊本) 현 기쿠요(菊陽)쪼에 22n~28nm 공정의 반도체 양산공장을 건설 중이다. 독일에서의 22n~28nm 프로세스 양산 공장 구축도 검토하고 있다. 미국에서는 2022년 12월, 첨단 3nm 세대 프로세스의 반도체 양산공장 건설을 개시했다.

TSMC가 양산 거점의 해외 진출을 추진하는 이유는 무엇일까? “경제적 합리성은 없다”(인포머인텔리전스의 미나미카와(南川) 시니어 컨설팅 디렉터)라는 지적도 있듯이, 공장의 설립 및 운영에 드는 비용이나 인력은 방대하다.

TSMC로서는 어느 정도 경제적 합리성에 맞지 않아도, 대형 고객인 애플이나 AMD(Advanced Micro Device), 퀄컴, 엔비디아와 같은 미국 기업들이 안고 있는 지정학상의 우려를 해소할 필요가 있는 것이다.

대만은 세계 첨단 로직반도체 시장에서 약 90%의 점유율을 차지하고 있다. 양산 거점이 한 곳으로 집중되어 있는 상태는 지정학적 리스크가 너무 높다. 애플 등 미국 대기업들의 입장에선 대만 유사시, 첨단 반도체를 입수할 수 없게 되는 리스크는 피하고 싶을 것이다.

실제로 TSMC의 웨이(魏) CEO는 TSMC의 구마모토 공장 설립에 대해 2022년 12월, 대만에서 개최된 세미나에서 "중요 고객인 소니그룹과 소니그룹의 고객인 애플의 요구에 따른 것"이라는 취지의 말을 했다고 복수의 대만 언론들이 보도했다. 각국 정부의 거액 보조금 지원과 맞물려 해외 공장 설치를 가속화하고 있는 상황이다.

미국 기업들이 TSMC에 미국 공장과 일본을 포함한 해외 공장을 마련하도록 압박하는 배후에는 미국 정부의 전략이 있는 것은 분명하다. “TSMC의 구마모토 공장 설립에도 미국 정부의 의향이 크게 작용하고 있다”(미나미카와 시니어 컨설팅 디렉터). 이와 같이 미국이 TSMC의 해외 전략을 지원하는 배경에는 신뢰할 수 있는 나라에서 그 이외의 나라로 반도체 관련 기술이 유출되는 것을 막는 목적도 있다.

첨단 공장 주변은 인재, 제조 거점, 연구개발 거점을 끌어들인다. 일본은 반도체 제조장치 및 재료에 강점이 있지만, 국내에 첨단 반도체 양산 거점이 없는 현 상황이 이어진다면 언젠간 이러한 자원은 해외로 빠져 갈 것이다. 동맹국으로 공급망을 완결시키고 싶은 미국으로서도 이러한 사태를 피하고 싶을 것이다.

이것은 동맹국인 일본이나 유럽에게도 메리트가 있다. 일본에는 소니그룹과 덴소, 유럽에는 독일의 인피니언크놀로지스(Infineon Technologies)와 폭스바겐과 같은 고객이 있기 때문에 TSMC 진출에 대한 요망의 목소리가 크다. 미국과 일본, 유럽은 반도체 양산 거점을 보유하게 됨으로써 각국이 자국의 강점을 활용하며 경제 안전 보장의 관점에서의 안정적인 공급이 이루어지게 된다.

-- 미‧중 반도체 마찰과 다자 협력 --
미국이 반도체 공급망을 주도하는 데는 크게 두 가지 이유가 있다. (1) 중국을 첨단 반도체 제조에서 퇴출시키기 위해 (2) 첨단 로직반도체 양산은 한 나라에서 조달할 수 없고 다자간의 협력이 불가결하기 때문이다.

우선 첨단 반도체는 군사력 강화에 필수적이기 때문에 중국을 반도체 공급망에서 퇴출시켜 제조를 막으려는 의도이다. 미‧중 반도체 마찰은 미국이 중국의 반도체 발전을 우려한 것에서 비롯되었다. 중국의 반도체 글로벌 생산능력은 최근 몇 년 사이에 미국을 앞질렀다.

미국 IC Insights의 조사에 따르면, 2011년 시점에서 중국의 점유율은 약 9%에 불과, 약 15%의 미국보다 뒤처져 있었다. 하지만 2021년 말, 미국 Knometa Research의 조사에서는 미국이 약 11%에 머무른 반면, 중국은 16%까지 증가해 역전되고 말았다.

중국 정부가 2017년에 내건 2030년까지 인공지능(AI) 기술을 세계 정상 수준으로 끌어올리고 국방력 등을 향상시키겠다는 목표는 미국의 조바심을 더욱 부채질했다. 유도미사일이나 군용 드론 자율비행 등의 용도에 고성능 첨단 로직반도체는 필수이다. 이를 막기 위해 미국은 이듬해인 2018년 이후 제조장치 수출규제를 강화해왔다.

미국 정부는 지금 대중 반도체 규제 확대를 위해 일본 및 네덜란드 정부와 협의 중이다. 일본과 네덜란드가 대중 반도체 규제에 협력하면 중국의 첨단 반도체 제조에 결정타가 되어 7n~5nm 세대 프로세스 이후의 최첨단 로직반도체 제조는 매우 어려워진다. 양 국이 제조의 근간을 담당하고 있기 때문이다.

일본은 앞서 기술한 바와 같이 반도체 재료 및 제조 장치에 강점이 있으며, 예를 들면, 포토레지스트(Photoresist, 감광성 내식 피막)에서는 세계 시장 점유율의 90%를 차지하고 있다. 네덜란드 기업인 ASML은 첨단 로직반도체 제조에 필수적인 EUV(극단 자외선) 노광장치를 제조한다.

“(반도체 공급망에서) 중국과는 협력할 수 없다”. 아마리 회장이 이렇게 단언하듯이, 일본 정부는 미국이 추진하고 있는 대중 반도체 규제 도입에 적극적이다. 이러한 자세에 부응하듯 미국은 일본의 반도체 양산 거점 설치에 대해 지원해왔다.

파운드리 기업 라피더스(Rapidus) 설립이 그 한 예이다. 이 회사는 최첨단 2nm 세대 프로세스 반도체를 양산하기 위해 미국 IBM으로부터 나노시트인 GAA(Gate All Around) 기술을 획득했다. IBM와 미국 정부는 지정학적 리스크가 낮은 일본에 양산 거점 기능을 기대해 지원에 나섰다. 하지만 IBM은 2nm 세대 프로세스 반도체 양산 노하우는 가지고 있지 않다. 향후, 양산 노하우 획득을 위해서도 미국에 대한 협력이 필요하다.

또한 현재 EUV 노광 장치를 사용한 로직 반도체의 양산을 하고 있다고 여겨지는 곳은 세계에서도 대만 TSMC와 한국의 삼성전자뿐이다. 중국의 SMIC가 7nm 세대 프로세스의 제조 기술을 확립했다고 보도되었지만, 이것들은 불화아르곤(ArF) 액침노광장치의 더블 패터닝으로 제조된 것으로 보여 “비용이나 작업 효율과 같은 생산성을 고려하면 양산화는 어렵다”(SEMI 재팬의 아오키(青木) 스페셜리스트).

지속적인 양산에는 EUV 노광장치가 필요하지만, 중국으로의 수출이 매우 어려운 상황이기 때문이다.

-- 공급망은 한 나라에서 조달할 수 없어 --
첨단 로직반도체 양산에 다자간 협력이 불가피해진 현 상황은 새로운 반도체 공급망을 형성하는 또 다른 이유라고 할 수 있다.

“반도체 공급망은 한 나라에서만 조달하기 어렵다. (동맹국에 의한) 글로벌한 제휴가 필요하다”. 기사다(岸田) 총리는 2022년 12월 14일, 반도체 장치 및 재료 전시회 ‘SEMION Japan 2022’에서 이렇게 말했다. 'More Moore'라로 하는 미세화의 가속과 'More than Moore'라는 차세대 기술의 발전으로 첨단 로직반도체 제조는 한층 더 복잡해지고 있다.

반도체 재료 및 장치는 일본과 미국, EUV 노광 장치는 네덜란드, EDA(설계 자동화) 툴은 미국, 파운드리는 대만이나 한국 등, 첨단 로직반도체의 각 공정을 담당하는 거점은 전 세계에 분산되어 있다. 각국 내의 ‘소규모 공급망’으로는 조달할 수 없는 상황인 것이다.

국가 및 지역 간 협력이 필요한 것은 미세화만이 아니다. ‘3차원(3D) 구현’과 복수의 작은 다이를 1패키지에 담는 ‘칩렛(Chiolet)’이라고 하는 차세대 기술 개발도 가속화되고 있다. 이러한 기술이 구현되면 감속하는 미세화 기술의 진화를 보완하고, 에너지 소비량을 줄이면서 저비용으로 성능 향상이 가능하기 때문이다.

그래서 배선 기술과 조립 공정에 강점이 있는 일본이 선택되었다고 할 수 있다. 향후의 미세화 및 고성능화에서는 기술의 난이도가 높아져 동맹국 간 긴밀히 협력하지 않으면 앞으로 나아갈 수 없는 상황에 이르렀다.

-- 높아지는 보복 리스크 --
하지만 새로운 반도체 공급망 형성은 미국에게 양날의 칼이기도 하다. 이것이 더 강화된 대중 반도체 규제로 이어질 경우, 중국의 보복 리스크는 그만큼 높아지기 때문이다.

중국은 앞으로 반도체 재료로 중요한 희귀금속 수출 제한과 해외 기업의 중국 공장 폐쇄에 나설지도 모른다. 또한 대만해협에 대한 군사적 압력을 높일 가능성도 있다. 그렇게 된다면 반도체 공급망은 급속히 혼란에 빠질 것이다.

제2부: 일본 동향
IBM으로부터의 타진도, ‘감당할 수 있는 국내 기업 없다’. 라피더스 탄생의 막후

첨단 반도체의 국산화를 목표로 하는 기업, 라피더스(Rapidus, 도쿄)가 탄생했다. 라피더스는 설립되자마자 EUV(극단자외선) 노광장치 확보를 목표로 미국 IBM와 벨기에 연구기관 imec의 협업을 잇달아 발표했다.

제3부: 중국 동향
미국 반도체 규제의 허점 찌르는 중국, 첨단 프로세스 영향은 1년 뒤인가?

미국의 대중 반도체 규제가 상당히 강하다. 2022년 10월에는 첨단 제조장치 수출에 엄격한 규제를 가했다. 중국은 더 이상 첨단 프로세스를 제조할 수 없게 될 것인가? 일본의 반도체 산업에는 어떤 영향을 미칠 것인가?

제4부: Q&A
라피더스가 지향하는 2nm 세대의 GAA는? 반도체 미세화에 대한 10가지 의문

라피더스가 2027년 양산 개시를 위해 제조를 목표로 하는 것이 GAA(Gate All Around)라고 하는 첨단 기술을 사용한 2nm 세대 프로세스의 로직 반도체이다. GAA 구조를 양산할 수 있는 기업은 세계적으로도 한정되어 있다.

제5부: 대만에서 본 라피다스
대만 분석가들 "제조할 수 있지만 수지가 맞지 않는다"

첨단 반도체 양산을 주도하는 TSMC를 가진 대만에서는 2nm 세대 프로세스 양산을 목표로 하는 파운드리 기업인 라피더스를 어떻게 보고 있을까?

6부: 미‧중 반도체 마찰
'대만 유사 사태는 반드시 발생한다', 반도체 30년 정체로 TSMC는 열망의 표적

미‧중 반도체 마찰을 배경으로 한 새로운 반도체 공급망을 놓고 각국이 기로에 서있다. 그 중심에 있는 것이 대만의 TSMC이다. TSMC는 높아지는 지정학적 리스크를 분산하기 위해 일본과 미국에 로직 반도체의 신공장을 설립, 독일에서의 공장 설립 검토도 추진하고 있다.

7부: 반도체 흥망사
미국 시점에서 본 ‘일본 반도체의 패전’, 타격이 컸던 삼성에 대한 정치적 지원

2022년 10월, 미국에서 흥미로운 서적이 출판되었다. 반도체 세계사를 미국 시각에서 그린 'CHIP WAR'이다. 이 책에서는 미국의 정부와 산업계가 얼마나 일본을 두려워했고, 여러 방법으로 규제를 가한 역사를 알 수 있다.

-- 끝 --

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