The great chip crisis threatens the promise of Moore’s Law

무어의 법칙을 위협하는 반도체 위기

가장 빠르고 저렴한 컴퓨팅 파워는 지난 수십년 간 혁신의 원동력이었다. 그런데 마이크로칩의 부족은 혁신을 느리게 만들고 있다.

코로나 팬데믹이 시작되고 1년이 되자 애플(Apple)은 대대적 축가를 울리면서 맞춤형 M1 칩을 장착한 제품군의 증가를 기념했다. 한 젊은이가 애플이 만든 혁신적 마이크로프로세서를 “훔치려고” 애플의 ‘우주선’ 캠퍼스의 지붕을 가로질러 침투한다는 줄거리를 담은 “믿기 어려운 미션”(Mission Implausible) 광고가 공개되었다. 애플은 비장의 무기인 M1 칩을 아이패드 프로와 맥북 신제품에 탑재하겠다고 밝혔다.   

애플이 설계한 M1 칩은 무어의 법칙(Moore’s law)을 가장 최근에 충족한 고성능 반도체이다. M1 관찰은 칩 제조업체들이 몇 년마다 칩에 장착된 트랜지스터의 수를 두 배로 늘릴 수 있다는 자기 현시적 예언으로 바뀌었다. 160억 개의 트랜지스터들이 집적된M1은 대형 우표 크기의 마이크로프로세서이다. M1은 놀라운 반도체 제조기술의 수준을 보여준다. 

애플이 고성능 M1의 시장출시를 자축하는 동안, 전 세계는 저렴한 마이크로칩의 부족이라는 위기에 직면해 있다. 자동차 제조사들은 1달러짜리 칩 부품을 구할 수 없어서 조립 라인을 폐쇄하고 근로자들을 해고하고 있다. 자동차 제조사들은 칩이 안 들어가는 내비게이션 시스템, 디지털 백미러, 터치 스크린, 연료 관리 시스템 등의 제조에 주력해 왔다. 글로벌 자동차 제조산업계는 칩 공급의 부족으로 인해 2021년에만 1,100억 달러가 넘는 손실이 예상된다. .

저렴한 마이크로칩이 부족해지자, 스마트폰, 노트북, 비디오 게임, TV뿐만 아니라스마트 가전의 생산 속도도 느려지고 있다. 일부 전문가들에 따르면 반도체 위기는 코로나 팬데믹에서 벗어나고 있는 세계 경제의 회복세를 위협할 수 있다. 마이크로칩을 사용한 필수적인 제품들은 이미 일상생활 속에 널리 퍼져 있다.

전 세계적 칩 부족 사태가 벌어지자 반도체 산업이 더 저렴하고 강력한 마이크로칩을 공급할 수 있는지에 대한 여부에 이목이 쏠리고 있다.  엔지니어, 프로그래머 및 제품 설계자들이 훨씬 더 많은 기능을 갖춘 새로운 칩들을 개발했기 때문에 더 발전된 제품과 서비스가 가능했었다. . 무어의 법칙은 단지 반도체 산업의 발전뿐만 아니라, 지난 반세기에 걸쳐 기술 변화를 주도했다.

모든 분야에서 컴퓨팅 파워를 향상시키겠다는 약속은 무너지고 있다.  반도체 업체가 더 미세한 트랜지스터를 개발할 수 없는 기술적 한계에 다다랐기 때문은 아니다. 무어의 법칙을 유지하는데 드는 비용이 증가하자 반도체 제조업체들 간에 합병이 일어났다.  그 결과 엄청나게 복잡한 칩 생산 비즈니스에 많은 병목점들이 생겨났다.   

마이크로칩은 이제 대다수 디지털 제품에서 필수 부품이 되었지만 칩의 개발과 생산은 몇 안되는 제조업자들이 지배하고 있다. 마이크로칩 제조과정은 수백 개의 단계들로 구성되며 수개월의 생산 시간이 필요하다.  이런 이유들 때문에 반도체 업계는 코로나 팬데믹으로 인한 칩 수요의  급증을 충족시킬 만큼 신속한 전환을 할 수 없다. 기업들은 실리콘 웨이퍼 위에 미세한 기능들을 나노미터 수준으로 어떻게 구현할 것인가를 수 십 년 동안 고민해 왔다. 그러나 무어의 법칙의 정신ㅡ 저렴하지만 고성능 칩을 사용할 수 있다는 기대ㅡ은 이제는 흔해진 칩 공급망의 경직성 때문에 위협받고 있다.  

쓸쓸한 경계

20년 전 만해도, 전 세계에는 첨단 칩을 제조할 수 있는 업체가 총 25곳이나 있었지만, 현재는 대만의 TSMC, 미국의 인텔(Intel), 한국의 삼성, 단 세 곳뿐이다. 칩 제조분야의 기술 선도자인텔은 최신형 칩 제품을생산하고 있다. 그러나 납기일을 맞추지 못하는 상황이 반복되고 있다.  

앞서 말한, 비용 증가는 칩 제조업체들이 합병을 하게 된 이유 중 하나이다. 최첨단 칩을 생산하는 공장의 건설에는 50억 달러에서 200억 달러가 소요된다.  팹(fab)은 몇 나노미터 단위의 초미세 칩들을 생산한다. 전문용어로는 5 나노미터와 7 나노미터 노드로 불린다. 새로운 팹의 증설에 투입되는 많은 비용은 1억 달러가 넘는 극자외선 노광기(EUV) 같은 최신 장비의 구입에 사용된다. 네덜란드의 ASML만이 독자 생산하는 이 장비는 나노미터 크기로 세부회로의 패턴을 새기는 공정에 사용된다.   

칩 제조사들은 20년이 넘게 극자외선 노광기(EUV) 기술을 연구해왔다. 수십억 달러의 투자 끝에 2018년 상용 칩의 생산과정에 EUV 장비가 처음 투입됐다. 머신러닝 오픈 엔지니어링 컨소시엄의 데이비드 칸터(David Kanter) 이사는 “이 장비가 완성되기까지 20년이나 걸렸고 예산도 10배 이상 초과되었죠”라고 말했다. 그는 ” EUV가 작동되는 초미세 공정은 마법 같고 공상과학 소설 같습니다”라고 덧붙였다.  EUV를 개발한 덕분에 오늘날 TSMC는 M1 칩에 들어가는 수십억 개의 미세한 트랜지스터를 제조할 수 있게 되었다. M1 칩은 EUV에 전적으로 의존하여 생산되는 1세대 첨단 칩들 가운데 하나이다.

애플이 가장 좋은 칩에 많은 돈을 쓰는 이유는 M1칩을 사용하여 최신형 맥북과 아이폰 모델을 만들면 명품 브랜드의 가격표가 붙어서 수백만 달러에 판매되기 때문이다. 칸터는 “현재 EUV장비를 대량으로 사용하는 회사는 애플뿐이며 1,000달러짜리 스마트폰을 팔아 많은 마진을 남기죠”라고 설명했다.

최신형 칩을 제조하기 위한 공장 시설도 비싸지만 엄청나게 복잡한 반도체 회로도를 설계하는 비용은 이제 많은 회사들이 감당할 수 없는 수준에 다다랐다. 애플과 퀄컴(Qualcomm), AMD 및 엔비디아(Nvidia)와 같이 최고의 컴퓨팅 성능을 필요로 하는 빅테크 기업들만이 첨단 노드용 칩을 설계에 필요한 수억 달러를 기꺼이 지불할 것이라고 벨기에의 반도체 연구소 IMEC의 부사장 스리 사마베담(Sri Samavedam)은 평가했다.

 그렇지만 구형 기술로 만든 칩을 사용하여 노트북, TV, 자동차를 제조하는 기업들이 훨씬 많으며, 구형 칩에 대한 수요 증가가 현재 칩 부족 사태의 핵심적 원인이다. 간단히 말해서, 대부분의 칩 고객은 최신 칩을 구입할 재정적 여력이 없거나 구입을 원하지도 않는다. 오늘날 자동차의 제조과정에는 보통 수십 개의 마이크로칩이 들어가지만, 전기 자동차에는 더 많은 칩들이 사용된다. 이것은 말이 된다. 그런데 자동차 등의 제품들을 만드는 제조업자들은 여전히 구형 기술이 적용된 칩들을 사용하기를 원했다.

요즘 가장 인기 있는 디지털 제품들 상당수는 첨단 칩을 필요로 하지도 않는다. “예를 들어, 우리가 가지고 있는 모든 컴퓨터에 A14 칩 (아이폰과 아이패드에 사용된 고급 부품)을 넣는 것은 이치에 맞지 않습니다.”라고 무어의 법칙이 공공정책에 미치는 영향을 연구하는 하산 칸은 지적했다.  그는 현재 애플 소속이지만 카네기 멜론 대학에서 박사후 연구과정을 거쳤다. “우리가 가정에서 사용하는 스마트 온도계나 일상 생활에서 이용하는 자동차에는 고성능 칩은 필요 없죠.  가격도 비싸고 많은 전력 소모로 인해 효율성도 떨어집니다.”

 많은 사용자들이 더 저렴한 구형 칩 기술에 의존하지만 반도체 업계의 빅테크 기업들은 새로운 첨단 제조 시설의 구축에만 주력해 왔다. 문제는 바로 여기에 있다. TSMC, 삼성, 인텔은 최근 수십억 달러의 최신 반도체 생산 시설에 투자하겠다고 발표했다.  그렇다. 비싸긴 하지만 수익이 바로 여기에 있기 때문이다. 지난 50년 동안의 연구의 미래는 바로 고성능의 최신형 칩에 있다. 

세계 최대 반도체 계약업체 TSMC가 작년 한해 동안, 애플 M1 칩을 포함한 16나노미터 이하의 기능을 갖춘 첨단 칩을 공급하여 벌어들인 수입은 2020년 전체 매출에서 약 60%를 차지했다. 하지만, 미국 전자 산업협회(ECA)수석 분석가 데일 포드는 “누구도 오래된 기술을 지원하기 위한 반도체 제조 장비를 만들고 있지 않다는 것”이 문제를 더욱 악화시키고 있다 주장했다. “그래서 우리는 일종의 곤경에 처해있는 셈이죠 “.

저가 칩

칩 공급이 부족으로 발생하는 문제는 칩 기술의 사용자들에게도 중요하다. 현재 발생한 공급 중단뿐만 아니라 잠재적으로 많은 혁신 기술들의 개발을 위협하기 때문이다. 저렴한 범용 칩은 구입하기가 더 어려울 뿐만 아니라 이전 세대의 칩보다 더 많은 비용이 드는 장비와 시설을 필요로 했기에 상대적으로 더 비싸지고 있다.

어떤 소비자 제품들은 더 강력한 칩을 필요로 할 것이다. 더 빠른 5G 모바일 네트워크 구축과 5G 속도에 의존하는 컴퓨팅 응용제품이 증가하면 수십 대 또는 수백 대의 인터넷 연결 장치들과 통신하는 네트워킹 장비용 칩에 대한 투자가 불가피해질 수 있다.  운전자 지원 시스템과 ‘인포테인먼트’ 시스템 등 자동차 기능에도 첨단 칩이 필요하다. 테슬라가 TSMC, 삼성과 미래형 자율주행차용 칩 개발을 위한 파트너십을 맺었다는 사실을 보면 알 수 있다.

그러나 “보편화된 인텔리전스(Intelligence Everywhere)’를 위한 제품을 개발할 때 최신 첨단 칩을 구입하거나 전문 칩 설계에 투자하는 것은 많은 기업들에게 효율적이지 않을 수 있다. 예컨대 와이파이(Wi-Fi)용 소비자 디지털 디바이스를 제조하는 제조사들은 더 나은 기능을 추가하기 위해 특수 칩을 개발하지는않을 것이라고 칸터는 전했다. 그 대신, 많은 기업들은 오래된 기술로 제작한 칩이 제공하는 기능들에 의존할 것이다. 또한, 의류 같은 저가 품목은 10달러나 20달러도 안되는 적은 마진을 남기기 때문에 더 비싼 칩을 사용할 여지가 거의 없다. 칩 가격의 상승은 음성 명령이 가능한 의류나 날씨 변화를 감지하고 대응하는 옷의 개발에 걸림돌이 될 수 있다.

세상은 아마 고급 기계들이 없더라도 돌아갈 것이다. 그러나 더 싸고 강력한 성능을 제공하는 칩의 부족은 현실적 비용을 초래할 것이다. 그 비용이란 무어의 법칙에 의해서 뒷받침되었던 발명의 시대가 종말을 고하고, 다음의 혁신을 위해서 컴퓨팅 파워를 더 저렴하게 이용할 수 있다는 약속이 사라진다는 의미이다.   

현재 대다수의 칩 고객들은 비용과 성능의 균형을 갖춘 저렴한 범용 칩에 만족하고 있다.  컴퓨팅 파워에 대한 글로벌 수요는 커져가고 있지만 범용 칩의 공급은 전혀 충분하지 않다.  하버드 경영대학원의 윌리 신(Willy Shih) 교수는 “이미 차량에 들어가는 반도체 사용량은 계속해서 증가하고 있고며, 토스터 오븐를 비롯한 다른 제품들에서도 마찬가지입니다” 라고 말한다. “그러면 문제는 다음에는 어디에서 칩 부족 현상이 발생할 것인가 하는 것입니다”.

세계적인 관심사

2021년 초, 조 바이든 미국 대통령은 칩 공급망 검토를 의무화하는 행정명령에 서명하였고 반도체 제조 및 연구에 최소 500억 달러의 예산을 연방 의회가 승인하도록 초당적 협력에 지지를 보냈다. 또한, 바이든은 백악관에서 두 차례에 걸쳐 반도체와 자동차 업계 리더들과 회의를 열었다. 5월 12일 회의에서는 실리콘 웨이퍼가 눈에 잘 띄게 놓여져 있었다. 미국 정부의 이런 움직임이 칩 수요와 공급 간의 불균형을 곧바로 해결하지는 못할 것이다. 전문가들은 그렇지만 적어도 현재의 위기가 칩 공급망 문제를 바로잡고 전체적으로 둔화된 반도체 혁신에 반전을 도모하고, 실생활에 절실히 필요한 고성능 칩을 생산할 수 있는 미국의 역량을 강화할 수 있는 기회라는 점은 분명하다고 평가한다.  

2019년 기준으로 전 세계 칩 제조 역량의 75%는 동아시아 지역이 차지하고 있으며 미국 점유율은 13%에 머물고 있다. 반도체 칩을 수탁 생산하는 파운드리 시장에서 대만 TSMC 은 55%의 점유율을 기록하고 있다.

미국-중국 사이의 경쟁도 점차 부상하고 있다. 중국 최대의 반도체 기업 SMIC는 다른 국가들의 반도체 기업들에 비해서 5~6년 정도 낙후된 팹(fabs)을 증설해 왔다. 앞으로몇 년 동안은 중국 파운드리가구형 칩을 전세계로 수출하게 될 것이라고 전문가들은 예상한다. 칸은 이렇게 말한다 “중국 파운드리들은 국가 보조금을 받고, 22나노미터와 14나노미터 노드의 제조 시설까지 모두 갖추고 있기 때문에 전 세계적으로 가장 낮은 비용으로 반도체를 수탁생산하게 될 것입니다.” “중국 파운드리가 생산하는 칩들은 최첨단 경쟁에서는밀릴 수 있지만 세계적으로 증가한는 칩 수요에 맞춰 공급을 할 수 있죠” 

미국 워싱턴 D.C.에 위치한 반도체산업협회(SIA)는 글로벌 공급망 강화를 주장한다. “자급 자족형(self-sufficient manufacturing cap)” 공급망을 구축하기보다는 세계 반도체 업계가 협력하여 2030년까지 글로벌 공급량을 두 배로 늘려야 한다는 것이다. 그러나, 한편으로는 반도체산업협회(SIA)는 국가 안보와 중요 인프라에서 차지하는 첨단 칩의 중대성을 수긍하면서 미국 기업들이 국내에2~3개의 첨단 팹(fabs)을 건설할 수 있도록 “시장 주도 인센티브”를 제공하자고 제안한다.  이 계획이 실현된다면 군사용을 포함한 국가 기간 통신 네트워크 및 데이터 센터들에 필요한 칩들이 미국 내에서 공급될 수 있을 것이다.

백악관에서 진행되었던 대통령과 사진을 찍는 행사는 반도체 개발 산업의 여명기에 ‘실리콘 밸리’라는 이름을 부여했던 미국 정부의 역할을 떠올리게 했다. 시애틀에 위치한 워싱턴 대학의 역사학자 마가렛 오마라(Margaret O’Mara)는 “칩 공급 사슬의 전방과 중앙을 구축하겠다는 바이든의 발언은 로널드 레이건 이후로 아무도 강조하지 않았죠. “바이든은 실리콘 웨이퍼를 흔들며 앉아 있었는데 그 어떤 대통령도 웨이퍼를 들고 있는 모습을 보여주지는 않았었죠.”  

오마라는 그녀의 저서 “코드: 실리콘 밸리와 아메리카의 리메이크” (The Code: Silicon Valley and the Remaking of America)에서 미국 정부를 “실리콘 밸리의 가장 최초이자 최대의 벤처 투자가”라고 묘사했다. 미국 정부가 NASA의 아폴로 프로그램과 미니트맨 대륙간 탄도 미사일에 사용될 군사용 칩을 대량 주문하자 반도체 제조사들은 대량생산을 시작할 수 있었다. 정부의 이런 조치는1960년 무렵에 1,000달러였던 실리콘 칩의 원가가 5년 후에 25달러로 떨어지게 만들었다. 

칩 가격이 하락한 덕분에 예산이 풍부한 정부기관들뿐만 아니라 다른 소비자들도 컴퓨팅 파워를 사용할 수 있게 되었다. 몇 년마다 더 나은 성능을 제공하는 저렴한 칩을 사용할 수 있는 무어의 법칙의 황금기가 시작된 것이다. 그러나 애플이 내놓은 칩 광고는 무어의 법칙이 우리에게 제공했던 약속이 이제 위험에 처했음을 보여준다. 오마라와 인터뷰를 진행하던 도중에 배달원이 때마침 그녀의 집 현관문을 두드렸다.  “칩 얘기가 나와서 말인데, 이제 막 제 새 컴퓨터를 손에 넣었어요. 맞아요, M1 칩이 탑재된 신형 맥북이요” 그녀는 웃으며 말했다.

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