D램 위주에 ‘반쪽’ 최강… 美 57조 쏟아붓는데 韓은 고작 1조

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■ 미래 게임체인저 경쟁, 갈길 먼 한국 - ③ 반도체

삼성 ‘매출 1위’ 탈환했지만
73% 달하는 시스템반도체
‘글로벌 톱10’ 국내사 없어

파운드리, 대만에 한참 밀려
장비도 네덜란드·美 등 독점

美, 인력확보·세금 등 혜택
韓 ‘반도체법’ 핵심지원 빠져

한국의 반도체가 글로벌 시장에서 전면적인 주도권을 잡기 위해서는 갈 길이 멀다. 차세대 시스템 반도체와 기초과학·첨단장비 분야에서 큰 격차로 밀리고 있기 때문이다. 인공지능(AI) 반도체, PIM(Processing In Memory) 반도체, SoC(시스템 온 칩), 멤트랜지스터 등 첨단기술뿐 아니라 그래핀, 풀러렌, 탄소나노튜브 등의 미개척 분야 신소재 분야는 시장 판도를 단숨에 뒤집을 수 있는 ‘한방’이 즐비하다. 미국, 네덜란드, 대만, 일본, 중국은 더 작은 에너지로 더 많은 기능을 구현하기 위한 경쟁을 치열하게 전개하고 있다.

◇한국은 반쪽 강국 = 반도체는 컴퓨터의 두뇌다. 인간의 뇌와 달리 반도체는 정보 저장(메모리)과 연산(프로세서)을 별도로 처리하는 이중 구조로 돼 있다. 전자를 메모리 반도체, 후자를 시스템 반도체라 한다. 2019년 기준 세계 반도체 시장은 메모리 반도체(26.7%)와 시스템 반도체(73.3%)로 나뉜다. 메모리 반도체는 개당 7만 원(16기가)밖에 안되지만, 시스템 반도체로 연산장치의 핵심인 중앙처리장치(CPU)와 앱프로세서(AP)는 수십만∼수백만 원의 고부가 제품이다. 4차 산업혁명은 건물·차·가전 등 모든 사물에 두뇌(CPU)가 들어가는 과정이다. 사물인터넷(IoT), 자율주행차에 내장되는 시스템 반도체는 지능형 디바이스의 두뇌로서 컨트롤타워 역할을 한다.

그런데 우리나라 반도체는 D램 위주의 메모리 반도체가 주제품이다. 시스템 반도체의 회로 설계업체(팹리스) 글로벌 10강은 퀄컴·브로드컴·엔비디아 등 미국 6곳, 대만 3곳, 영국 1곳으로 한국 업체는 없다. 팹리스의 주문을 받아 시스템 반도체를 위탁 생산하는 파운드리 역시 대만의 TSMC가 시장 과반을 점유하고 삼성전자는 한참 뒤떨어지는 2위에 머문다. 대당 2000억 원에 달하는 반도체 장비 시장도 ASML(네덜란드)·어플라이드머티어리얼즈(미국)·도쿄일렉트론(일본) 등 해외업체가 독점하고 있다. 우리나라가 ‘반쪽 반도체 강국’으로 불리는 이유다.

◇왜 게임체인저인가 = 한국의 미래 반도체 전략은 메모리의 고도화와 시스템 반도체 개척으로 나눠 접근해야 한다. 메모리의 대표주자 D램은 현재 작게 만드는 미세화 공정이 3나노, 2나노 수준으로 내려가 한계에 봉착하고 있다. 그래서 D램과는 다른 소재와 작동 원리로 만드는 강유전체램(FRAM), 자기저항메모리(MRAM), 상변화램(PRAM) 등이 차세대 메모리로 연구되고 있다. 시스템 반도체의 맏형 CPU도 AI 기술의 발달로 그래픽처리장치(GPU), 텐서처리장치(TPU), 신경망처리장치(NPU)로 진화하는 중이다. 통틀어 지능형 반도체로 지칭한다.

이 중 AI 특화 반도체를 AI 반도체로 따로 부른다. AI 반도체는 과학기술정보통신부가 2020년부터 2400억 원을 들여 추격전을 시작했다. AI 반도체는 차량 전장(電裝)용·전력용 등 용도별로 분류된다. 차량 반도체의 경우 연료·전기장치 제어용으로 차 1대에 400개가량 들어가던 분산형 ECU(전자제어 유닛)가 MCU로 불리는 전장 반도체로 통합되는 추세다. 특히 미래의 완전 자율주행차에서 두뇌 역할을 할 AI 반도체는 GPU, NPU의 성능을 아우르는 통합 칩 형태를 요구한다. 통합 칩은 전기차의 에너지 배분·동력 전달·주행 정보처리 등을 한꺼번에 해치우는 자동차의 두뇌로서 이를 운용하는 소프트웨어 기술도 필수다. GM, 토요타, 폴크스바겐 같은 자동차 업체뿐 아니라 애플, 테슬라 등 정보기술(IT) 빅테크 기업이 차량용 시스템 반도체 자체 개발에 사활을 걸고 있는 이유다. 한국은 LG전자와 현대자동차가 전장 반도체 개발에 이제 막 손을 댄 상태다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com