첨단 반도체를 만든다

미세화와 구조의 입체화 진행

반도체 디바이스 제조 기술이 전환점을 맞이하고 있다. 반도체 미세화가 진행되면서 트랜지스터의 구조가 기존의 평면 구조에서 3차원 구조로 바뀌고 있는 것이다. 최근 국내에서는 정부의 넉넉한 보조금 정책을 배경으로 반도체 공장을 새로 증설하는 계획이 잇따르고 있다. 기술의 세대교체는 일본의 반도체 산업 부흥의 신호탄이 될 수 있을 것인가? 반도체 제조장치 업체들의 대응을 살펴본다.

Part 1. 오래된 반도체의 제조 공정
미세화와 구조의 입체화가 진행되고 있지만, 반도체 제조의 기본은 그대로

일본의 반도체 산업이 활기를 되찾기 시작하고 있다. 대만의 TSMC는 금년 2월, 구마모토(熊本) 현에 건설한 반도체 공장에서 오픈식을 열었다. 차세대 로직 반도체의 국산화를 목표로 하는 라피더스(Rapidus, 도쿄)는 홋카이도에 공장을 건설 중이다. 

1980년대에 세계시장 점유율 50%를 자랑했던 국내 반도체 산업은 한국 및 대만의 부상과 미국의 반격으로 쇠퇴의 길을 걸었다. 옛 명성을 되찾기 위해 일본 정부는 반도체 공장 건설에 대한 넉넉한 보조금 지원 방침을 내놓았다.

정부 정책 뿐만 아니라 반도체 산업은 제조기술에서도 변화하고 있다. 반도체 미세화가 진행되면서 보다 복잡한 트랜지스터 구조가 기대를 모으고 있다.

세키스이 화학공업, 구조체 생산의 90% 가까이 자동화

단독주택 건축을 로봇으로 대대적으로 실시하고 있는 업체를 알고 있는가? 세키스이 화학공업 그룹은 ‘세키스이하이무’라는 브랜드명으로 전개하고 있는 자사의 철골주택을 자사 공장에서 생산한다. 산업용 로봇팔을 다수 활용하여 대폭의 자동화를 실현했다.

철골제 구조체 생산의 85%가 자동화되었으며, 사이타마현 하스다시에 위치한 주력 공장 ‘도쿄사업소’는 자동화율이 90%에 달한다. 여기에서는 공장 내부에서 사람들의 모습을 찾기 어려울 정도라고 한다.

세키스이화학공업의 철공주택은 ‘유닛 공법’이라는 시스템을 채택하고 있다. 주택 전체를 트럭으로 운반할 수 있는 크기인 수m의 ‘유닛’이라는 단위로 분할해, 그 유닛을 공장 내에서 조립한다. 철골을 사용해 박스라멘 구조의 구조체를 만들고, 거기에 각종 설비를 설치해서 생산한다.

외벽이나 내벽은 물론 배선, 배관, 계단까지도 공장 내에서 설치한다. 대부분을 공장 내에서 생산하기 때문에 품질이 안정적이고, 제작 도중에 주택이 비바람을 맞는 일도 없다. 현지에서는 트럭으로 운반된 유닛을 조립만 하면 완성되기 때문에 납기가 짧다는 것도 특징이다.

세키스이화학공업에서 이 주택 생산을 담당하는 것은 자회사인 세키스이하이무공업이다. 이번에는 세키스이하이무공업의 로봇 활용에 대해 살펴보자.

‘날카로운 엔진 기술’이 무기

세계의 ‘하이브리드 시프트’ 조류를 타고 도요타자동차의 실적이 호조를 보이고 있다. 도요타는 2024년 3월기(23년도) 통기의 실적 예상에 대해, 매출을 43조 5000억 엔으로, 영업이익을 4조 9000억 엔으로 상향 조정했다.

각각 전회의 예상을 5000억엔, 4000억엔 인상했다. 영업이익률의 예상도 11.3%로 전회의 예상보다 0.8포인트 높였다. 이 호실적을 견인하는 것이 하이브리드차(HEV)다. 도요타의 신차 판매에서 3대중 1대가 HEV가 되었다.

HEV의 판매 상황은 도요타의 예상을 뛰어넘었다. 도요타의 미야자키(宮崎) 부사장은 “세트한 생산 능력에 대해서 수요가 항상 웃도는 상태를 반복하고 있다”라고 설명한다. 세계에서의 HEV의 판매 비율은 2022년에 약 27%로, 30%를 밑돌았지만 23년에는 33%로 6포인트나 상승했다. 대수로 보면, 도요타자동차는 2023년에 340만~350만대의 HEV를 판매하여 2022년부터 100만 대 가까이 증가했다.
 

게다가 세계 전 지역에서 HEV의 판매 비중은 높아지고 있다. 미국은 물론 전기자동차(EV) 시프트를 목청껏 외쳐온 유럽과 중국에서도 HEV 판매 비중이 높아지고 있다고 한다. “여전히 HEV는 ‘현실적인 해답’으로서 고객들에게 선택을 받고 있다”(미야자키 부사장).
 

지금까지 도요타자동차의 HEV 사업에 대해서는 “EV(전기자동차) 시프트를 놓쳤다” “일본만의 갈라파고스 현상” 등 야유하는 소리도 있었다. 그런 소리를 덮어버리는 인기다.

가시마의 SUICOM돔, 시험 시공 실시

이산화탄소(CO₂) 배출량을 제로 미만으로 하는 탈탄소형 콘크리트를 현장에서 분사해 건물의 몸체부에 사용한다. 가시마가 ’CUCO-SUICOM 돔’의 시험 시공 방법을 3월 13일, 언론에 공개했다.

2025년 국제 박람회(오사카∙간사이 엑스포)를 목표로 가시마가 새로운 탈탄소 기술을 발표했다. 이 기술로 구현하는 것은 CO₂를 흡수해 경화하는 돔형 건축물, ‘CUCO-SUICOM 돔’이다.

오사카∙간사이 엑스포에서는 서쪽 게이트 광장 부근에 세워져 환경 교육의 장으로 사용될 예정이다. 건물 높이는 약 5m. 평면은 타원 형상을 하고 있으며, 연면적은 약 260m²이다.

구조는 철근 콘크리트(RC) 구조로, 2종류의 콘크리트가 사용된다. 가시마가 2014년에 다케나카공무점(竹中工務店) 등과 개발한 저탄소형 ‘ECM(에너지 CO₂ 미니멈) 콘크리트’와 새롭게 개발한 탈탄소형의 ‘CUCO-SUICOM Shot’이다.

이 2종류의 콘크리트는 일반적인 콘크리트를 사용하는 경우와 같은 수준의 강도를 확보하면서, CO₂ 배출량은 약 70% 저감된다. JIS(일본산업규격)의 범위에 없는 재료를 구조 내력상 주요한 부분에 이용하는 공법으로 일본건축종합시험소의 건설 재료 기술 성능 증명을 취득했다.

NTT가 IOWN의 기술 검증

NTT는 2024년 2월, 원격지에서 실시간 AI(인공지능) 분석을 가능하게 하는 기술 개발을 발표했다. 이르면 2026년에 상용화한다. NTT의 차세대 네트워크 구상 ‘IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)’의 요소 기술을 응용했다.

가나가와현 요코스카시에 설치한 카메라 영상을 약 100km 떨어진 도쿄도 무사시노시의 거점에 보내 분석하는 실증실험을 진행했다. 기존의 시스템 구성과 비교해 엔드 투 엔드에서의 지연시간을 최대 60%, 분석에 소요되는 소비전력을 최대 40% 삭감했다. 충분한 실시간성을 실현하면서 분석에 필요한 소비전력을 크게 줄일 수 있다는 것을 보여줬다.

-- IOWN 기술로 과제 해결 --
AI 처리를 고속화하기 위해서는 GPU(이미지처리반도체) 등의 액셀러레이터가 유용하다. 다만 그 활용이 진행되면서 설치 공간이나 소비전력 문제가 표면화되기 시작했다.

이러한 문제는 교외의 대규모 데이터 센터를 활용하면 비교적 쉽게 해결할 수 있다. 하지만 원격지에서 대량의 데이터의 실시간 분석을 실현하기 위해서는 네트워크와 CPU가 병목이 되는 과제가 있다.

소프트웨어에 2조엔 투자

“차세대 자동차의 가치는 소프트웨어 정의 차량(Software Defined Vehicle: SDV)이라고 생각한다. 소프트웨어 가치의 중심은 자율주행(AD)과 첨단운전자보조시스템(ADAS)이다”

이렇게 말한 혼다의 미베(三部) 사장. 혼다는 5월 16일, 기자회견을 열어 2021년부터 2030년까지 전동화·소프트웨어 영역의 투자액을 10조엔으로 증액한다고 발표했다. 2022년 4월에 발표한 5조 엔에서 2배로 늘어난 것이다. 10조엔 중 2조엔을 소프트웨어에 투자한다.

혼다는 투자액을 늘려 자율주행용 소프트웨어 개발에 주력할 방침이다. 2026년의 시장 투입을 발표한 전기자동차(EV) ‘혼다 제로(Honda 0) 시리즈’에서는 일반도로에서의 ADAS, 고속도로에서의 자율주행 ‘레벨 3’을 목표로 하고 있다.

혼다는2021년에 세계 최초의 레벨 3 자율주행 시스템 ‘Honda SENSING Elite’를 세단 ‘레전드(Regend)’에 탑재했다. 그러나 이 시스템은 이미 단종되었으며, 현재 레벨3 자율주행 시스템을 탑재한 자동차는 판매하지 않고 있다. 혼다 제로 시리즈를 비롯한 차세대 차량으로의 레벨 3 탑재를 목표로 자율주행용 소프트웨어 개발을 강화해나갈 계획이다.

비즈니스의 전제가 무너진다

2022년, 미국에서 Web3로 큰 충격이 다소 가라 앉고 있는 가운데 반년 정도 뒤에 일본에서도 디지털 테크놀로지 분야에서 ‘Web3(Web3.0, 웹쓰리)’라는 패스위드가 ‘메타버스’와 함께 큰 화제가 되었다.

Web3의 개념을 2014년이라는 빠른 시기에 제창한 사람은 ‘이더리움’의 공동창시자로 전 CTO였던 개빈 우드이다. 이더리움은 ‘이더리움 프로젝트’란 이름으로 블록체인을 응용한 플랫폼의 총칭으로, 여기에 사용되는 ‘이더(Ether)’는 비트코인에 이어 업계 2번째의 암호자산(가상통화)이다.

암호자산업계의 영향력을 가진 사람이 ‘새로운 인터넷의 세계’로 Web3의 개념을 제창했다는 것은. 암호자산업계를 활성화시키기 위한 목적과 이상론적인 의미를 포함한 것으로 생각된다.

Web3가 제창된 계기가 되었던 블록체인 기술은 다양한 가능성을 내포한 기술이다. 현재로서는 핵이 되는 기술이 있는 것은 아니므로, 다양한 기존 기술의 조합인 메타버스와는 이 점이 다르다.