전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.9 특집 요약 (p28~35)

반도체 패권의 향방 (2)
가속화되고 있는 미국, 일본, 유럽의 블록화

이제는 옛말이 된 ‘미∙일 반도체 마찰’. 최근 일본과 미국, 유럽, 대만 등이 추진하는 첨단 반도체의 블록화가 진행되고 있다. ‘반도체를 자체적으로 확보하자’라는 슬로건 아래, 각국 정부의 해외 파운드리 공장 유치도 잇따르고 있다.

이러한 움직임에 역사적으로 지역 내 반도체 양산이 추진된 적이 없는 유럽마저 나서고 있다. 미국과 일본, 유럽의 펀딩 경쟁은 멈출 기미를 보이지 않고 있는 가운데, 대만 TSMC의 구마모토(熊本) 공장과 라피다스에 이어 또 다른 움직임이 일본에서 등장했다.

제1부: ITF (imec Technology Forum)
전혀 새로워진 반도체 이벤트 ITF, 미·중 마찰로 정치색 짙어져

“올해는 지금까지와 모든 것이 다르다”. 벨기에의 반도체 연구기관인 imec가 주최한 연례 이벤트 ’ITF World 2023’(5월 16~17일, 벨기에, 이하 ITF)의 관계자는 이렇게 말했다. 올해의 ITF는 예년과 비교해 강연자와 강연 내용이 일변했다. 기술 행사가 아니라 국제 정치가 전면에 나선 모양새였다.

지금까지 ITF는 반도체 응용 분야인 의료나 통신, MR(Mixed Reality)과 같은 미래 기술에 대해 소개하는 강연이 많았다. 하지만 올해에는 자동차 관련 강연은 있었지만, 반도체 응용 분야 강연은 크게 줄고, 첨단 반도체 확보를 위한 국제 공조를 재확인하는 정치색이 강한 내용이 눈에 띄었다.

이러한 격변을 초래한 가장 큰 이유는 미∙중의 반도체 마찰이다. 미국은 중국 이외의 동맹국을 통해 군사 통신에 중요한 첨단 로직 반도체를 확보하겠다는 뜻을 내비치고 있다. 유럽 및 일본 정부는 미국의 움직임에 동조해 중국 수출 규제를 강화하면서 자국의 적극적인 반도체 정책을 내놓고 있다. 실제로 ITF 강연 중 중국 관련 기업은 부재했다. 중국인으로 추정되는 청중도 상당히 적었다.

“ITF로부터 초대받은 것은 의외였다” 미국 글로벌파운드리즈(GlobalFoundries)의 콜필드 사장 겸 CEO는 단상에서 이렇게 말했다. ITF의 강연에 파운드리가 참여해 반도체에 대해 이야기하는 일은 매우 드물기 때문이다. 올해의 ITF에는 미국의 인텔과 한국의 삼성전자, 글로벌파운드리즈, 라피더스(Rapidus, 도쿄) 등의 반도체 제조 업체의 간부들이 참여했다.

정부 측의 강연도 눈에 띄었다. 정부 측에서는 일본의 노하라(野原) 경제산업성 상무정보정책국장과 유럽위원회의 브루튼 위원, 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 로카시오 소장 등이 강연했다.

이벤트의 서두에서 반도체의 적극적 투자에 대해 열변한 사람은 유럽위원회의 브루튼 위원이다. “유럽이 ‘성숙품’을 제조하고 미국이나 아시아가 ‘첨단품’을 제조한다? 그것은 아니다. 우리는 전략적 파트너에 투자해 성숙품뿐만 아니라 첨단품도 제조한다. 안보 확립을 위해 미국 및 일본과 협력해 모든 수단을 강구하기로 결정했다”라고 강조했다.

미국이나 대만, 한국과 달리, 유럽에는 대형 파운드리나 반도체 제조 업체가 거의 없다. 하지만 지정학적 배경에서 세계적으로 반도체의 ‘지산지소(地産地消, 현지에서 생산된 것을 현지에서 소비한다)’가 추진되고 있으며, 유럽도 적극적인 반도체 정책을 내놓고 있다. 첨단품 양산이 의미하는 것은 기본적으로 타국 파운드리를 유치하는 것이다.

위의 발언에서 브르튼 위원이 염두에 두고 있는 것은 인텔과 같은 기업으로 보인다. 인텔은 2022년, 독일의 마그데부르크에 최첨단 반도체 공장을 설립한다고 발표, 2027년에 제조를 개시할 예정이다. “이 공장에서는 최첨단인 옹스트롬 시대의 트랜지스터 기술을 이용한 반도체를 제공해 (유럽의) 파운드리 고객사와 인텔의 수요에 부응할 방침이다”(인텔)라고 한다.

-- 챗GPT에 대한 이슈도 끊이지 않아 --
이러한 정치적인 측면과는 별개로, 공통 이슈가 된 것이 ‘GPT'와 같은 생성 AI의 충격이었다.

“챗GPT는 혁명이다”(엔비디아의 황 CEO)를 시작으로 생성 AI에 대한 발언도 끊이지 않았다. 그 중에서도 가장 많이 언급된 것은 방대한 교사(敎師) 데이터를 처리하는 데이터센터의 중요성이다. “데이터를 효율적으로 해석하고 압축, 감시할 필요가 있다. (데이터센터에 탑재하기 위해 중요한) 반도체의 황금 시대가 올 것이다”라고 글로벌 파운드리즈의 콜필드 CEO는 말했다.

미국 AMD(Advanced Micro Devices)의 페이퍼마스터 CTO(최고기술책임자)는 대규모 언어모델(LLM)에 들어가는 막대한 전력에 대해 경종을 울렸다. “챗GPT에 질문을 1,000만 회 할 경우, 그 전력량은 5,000세대 분의 하루 전력량에 필적한다”(페이퍼마스터 CTO)라고 말한다. 향후 한층 더 생성 AI 활용이 추진된다면 그 전력을 조달하는 것이 어려워질 것이라는 판단이다.

LLM의 파라미터 학습에 소요되는 전력도 크다. 예를 들면, 엔비디아의 나라야난 씨는 논문에서 ‘미국 오픈AI(OpenAI)의 LLM인 ‘GPT-3’에서는 1,024대의 GPU를 34일 간 가동시켜 학습시켰다’라고 했다.

페이퍼마스터 CTO에 따르면, 파라미터 수가 1,750억 개의 GPT-3 학습에 소요된 전력은 수 백MWh였다고 한다. 차세대인 GPT-4는 파라미터 수가 약 1조 개이기 때문에 필요한 GPU와 날짜 수도 늘어난다. 소요되는 전력은 GPT-3의 약 10배인 “수 천 MWh가 필요하다”(페이퍼마스터 CTO)라고 한다.

AMD는 이러한 전력 소비 문제를 프로세서와 메모리의 배선 거리를 짧게 할 수 있는 이종 집적(Heterogeneous Integration) 등의 기술로 해결할 방침이다. “2020~2025년 간 데이터센터에 소요되는 전력을 1/30으로 줄일 계획이다”(페이퍼마스터 CTO)라고 한다.

AI 데이터 처리에 필요한 전력 소비에 대응하기 위해서는 이처럼 미세화뿐 아니라 3차원(3D) 구현 등 이종 집적 기술도 요구된다. 이러한 동향에 발맞춰 신속하고 유연한 경영 전략을 세우는 것은 일본 기업에게도 중요하다.

-- 미국 및 유럽 정부의 고위 관계자가 반도체 전략 논의, 선명해지는 블록화--
“일본의 지금까지의 반도체 정책에서는 주로 국내 기업 간의 협업으로 설립된 회사에 투자했다. 하지만 그 대부분은 살아남지 못했다. 이것을 교훈 삼아 향후에는 해외 기업 등과도 적극적으로 협업해 나가겠다”(경제산업성의 노하라 국장).

벨기에의imec는 5월 16일, 자사의 연차 이벤트 ‘imec Technology Forum World 2023’(2023년 5월 16~17일, 벨기에 앤트워프)에서 일본·미국·유럽의 정부 관계자로 구성된 반도체 토론회를 기획했다.

일본과 미국, 유럽에서는 각각 지역 내에서의 반도체 제조에 대한 지원을 촉진하는 법률이 성립. 국제적으로 협조하면서 첨단 반도체의 개발과 양산 거점 설립을 목표로 하고 있다. “오픈 이노베이션을 강화하겠다. 일본 정부는 국내 반도체 공급망에 기여하는 (해외 기업과의) 협업을 환영한다"라고 노하라 국장은 말했다.

이 토론회 ‘Global chips act initiatives: opportunity to accelerate innovation? (글로벌 칩스법에 대한 대응: 이노베이션을 가속화하기 좋은 기회일까?)’에 참여한 사람은 노하라 국장 외에 NIST(미국 국립표준기술연구소)의 로카시오 소장 겸 표준기술담당 상무차관, 유럽위원회 DG CONNECT의 스콜더스 부총국장이었다.

미∙중 마찰을 배경으로 동맹 지역에서의 반도체 공급망 강화와 첨단 반도체 확보 움직임이 활발해지고 있다. 이러한 움직임을 주도하는 미국은 군사 분야에 중요한 첨단 반도체가 중국과 러시아로 확산되는 것을 우려하고 있다. 미국과 일본, 유럽 등의 동맹국들로 이루어진 ‘폐쇄적 공급망’을 형성해 각각의 강점을 살리면서 협조하길 미국은 원하고 있는 것이다.

그래서 현재 중국을 제외한 형태로 첨단 반도체 연구 개발과 양산에서 국제 공조가 추진되고 있다. 구체적으로는, 수 나노미터 세대 반도체와 이종 집적과 같은 기술 개발이다.

미·일·유럽의 연대에서는 예를 들면, 첨단 반도체 연구기관인 일본의 LSTC(Leading-edge Semiconductor Technology Center)와 미국의 NSTC(National Semiconductor Technology Center), 그리고 imec가 협업한다.  “우리는 반도체 경쟁이 각국의 협업 없이 진행되는 것을 원하지 않는다. 동맹 지역의 기술을 결집시키는 것이 중요하다"라고 NIST의 로카시오 소장은 말했다.

일본 대표인 노하라 국장은 우선 반도체 제조 기반 확립을 위한 경제산업성의 반도체 전략을 소개했다. 그 스텝 1으로 대만 TSMC(臺灣積體電路製造)의 구마모토 공장 건설, 스텝 2로는 라피더스(도쿄)의 2nm 세대 반도체 양산, 스텝 3로는 광전 융합 기술의 실용화를 목표로 한다고 밝혔다. “개인적으로는 이 가운데 라피다스가 가장 중요하다고 생각한다”라고 그는 말했다.

이어서 노하라 국장은 과거 반도체 전략 실패를 "국내 기업 간의 협업으로 설립된 회사에만 투자하다 결국 세금을 허비했다"라고 했다. 구체적으로는 엘피다메모리, 아스프라와 같은 반도체 제조 업체를 말하는 것으로 보인다.

양 사 모두 일본 정부의 반도체 전략이 강화되었던 2000년대 전후에 설립되었지만 현존하지 않기 때문이다. 엘피다메모리는 1999년 NEC와 히타치제작소의 DRAM 사업을 분리 통합해 설립되었지만, 2012년 경영 파탄에 빠졌다.

경제산업성은 이 실패를 교훈 삼아 해외 반도체 관련 기업과의 협업과 일본 유치에 적극 투자하겠다고 밝혔다. 또한 향후에는 (1)EUV(극자외선) 노광 장치 확보 (2) 국내에서의 첨단 반도체 용도 창출 (3)인재 교류, (4)이노베이션을 위한 연구 개발에서 국제 공조를 추진해 나간다고 한다.

-- 미국과 유럽도 1조엔 이상 투자 --
미국에서는 2022년, 'CHIPS and Science Act(CHIPS 및 과학법)'가 통과되어 반도체에 대한 적극적인 투자가 진행되고 있다. 로카시오 소장에 따르면, 미국 정부는 반도체의 견고한 에코시스템 형성을 위한 연구 개발에 110억 달러(1조5,840억 엔)를 투자하기로 결정. 올 여름에 (미국 반도체와 관련해) 많은 발표가 있을 것이라고 한다.

110억 달러의 재정 지원 대상은 (1)미국 반도체 연구기관 NSTC (2)선진 패키징 기술과 이종 집적을 지원하는 ‘National Advanced Packaging Manufacturing Program’ (3)반도체 제조에 관련된 연구소에 대한 자금 제공 (4)계측 기술(metrology) 등 4가지이다.

NSTC는 첨단 반도체의 연구 개발 및 새로운 산업 창출을 목표로 하고 있으며, “본부 외에도 복수의 새로운 시설을 보유하고 있다. 미국 정부는 NSTC에 수 십 억 달러 규모의 예산을 투입할 전망이다. (새로운 시설은) 대학, 정부, 다국적 기업과 연대해 신기술을 개발. 기업이나 기술을 창출하는 공간이 될 것이다”(로카시오 소장)라고 한다.

반도체 제조와 관련된 연구소(Manufacturing Institutes)에 대한 자금 제공에 대해서는 “13개 연구소에 대한 자금 제공을 검토하고 있다”(로카시오 소장)라고 한다.

이에 반해, 유럽은 반도체 생산 능력에서 미국과 일본에 뒤처져 있는 실정이다. 미국 조사회사 노메타리서치에 따르면, 2021년 시점의 유럽 반도체 생산 능력은 5%로 낮다. “반도체 제조 스킬이나 제조 공장에 과제가 있다. 유럽의 산업에는 2nm 세대 반도체와 이종 집적 기술이 요구되고 있다. 투자를 가속화하고 싶다”라고 유럽 위원회의 스콜더스 의원은 밝혔다.

또한, 유럽에서는 올 7월에 ‘European Chips Act(유럽 반도체법)’가 성립되었다. 반도체 전략의 일환으로 인텔의 반도체 공장을 독일의 마그데부르크에 유치. 300억 유로(4조7,100억엔) 이상의 자금을 투입해 마그데부르크 내 2곳에 첨단 반도체 공장을 건설할 예정이다.

COLUMN1 ● 일본×유럽
"일본 거점은 홋카이도, 대학과 연대한다”
미∙중 마찰 등을 배경으로 반도체 분야에서 일본과 미국, 유럽의 연대가 강화되고 있다. 벨기에의 imec은 일본과의 첨단 반도체 개발 협력에 의욕을 보이며 일본 거점 설립에 나섰다.

제2부: 업계 지도
미·중 마찰로 급변하는 반도체 업계, 훈풍 부는 국내 첨단 반도체 양산

한 나라의 미래를 점치는 전략 물자가 된 첨단 반도체. 자동차, 통신, 의료, 현대 무기까지 모든 최첨단 제품에 사용되기 때문에 각국이 첨단 반도체 확보에 주력하고 있는 상황이다.

COLUMN2 ● 군사×첨단 반도체
‘반도체 전쟁’의 저자가 말하는 미래, 생성 AI(인공지능)의 군사 이용도 시작되었다

러시아의 우크라이나 침공을 계기로 군사 분야에서의 반도체 용도가 확대되고 있다. 정보 전쟁 속에서 자율무기와 생성AI응용에 이르기까지 첨단 반도체가 필수가 되고 있다.

제3부: 일본
‘돌관공사’가 진행되고 있는 국내 양산 기반, 라피더스·TSMC·PSMC 삼총사

국내에서 정체되었던 첨단 반도체 양산이 최근 들어 급 물살을 타고 있다. 그 필두에 서있는 것은 2나노미터 세대 양산이라는 야심 찬 목표를 내세우고 있는 라피더스이다.

COLUMN3 ● AI×반도체 설계
천재인 전직 애플 반도체 엔지니어가 예측, AI로 인해 반도체 설계자 거의 필요 없어져

반도체 설계 엔지니어는 앞으로 AI로 완전히 대체될 것이다. 이러한 대담한 예측을 한 사람은 AI 프로세서를 개발하는 캐나다 텐스트렌트(Tenstorrent)의 사장 겸 CTO(최고기술책임자)인 켈러 씨이다.

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