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《차세대 반도체》는 2023년 4월 최종현학술원이 개최한 최종현학술원 과학혁신 시리즈 17 ‘차세대 반도체 기술과 미래’ 웨비나webinar의 강연 및 토론 내용을 재구성한 책이다. 이 책은 크게 반도체 기술 발전에 관한 설명과 한국 반도체 산업의 미래 전략이라는 두 가지 주제로 구성되어 있다. 기술 측면에서는 반도체에 관한 기초 지식부터 근미래에 나타날 기술에 이르기까지 조망하고, 미래 전략 측면에서는 세계 반도체 산업이 맞이할 변화의 소용돌이와 한국의 대응 전략을 다각적으로 제시하고 있다.

현대사회의 시작이자 미래,
반도체 기술의 변화를 조망한다!

첨단 반도체 전쟁의 시대,
한국 반도체 산업과 정책이 나아갈 방향을 제시한다!


차세대 반도체의 ‘기술과 미래 전략’을 담은 책
《차세대 반도체》는 2023년 4월 최종현학술원이 개최한 최종현학술원 과학혁신 시리즈 17 ‘차세대 반도체 기술과 미래’ 웨비나webinar의 강연 및 토론 내용을 재구성한 책이다. 반도체 관련 학자로서 미래 인재를 가르치고 산업계에도 많은 자문과 통찰을 제공하며 최전선을 이끄는 석민구, 신창환, 권석준 교수가 풀어내는 이 책은 크게 반도체 기술 발전의 흐름에 관한 분석과 한국 반도체 산업의 미래 전략이라는 두 가지 주제로 구성되어 있다. 기술 발전의 측면에서는 반도체 관련 기초 지식부터 근미래에 나타날 기술에 이르기까지 거시적, 미시적으로 조망하고, 미래 전략 측면에서는 앞으로 세계 반도체 산업이 맞이할 변화의 소용돌이와 한국의 대응 전략을 다각적으로 제시하고 있다.

미래의 중심, 반도체 기술의 향배를 조망하다
-혁신을 이끄는 학자들이 제시하는 기술 진화와 한국 반도체 산업의 미래
이제 반도체는 ‘산업의 쌀’이라는 익숙한 비유를 넘어 현대인이 숨 쉬는 공기 같은 존재가 되었다. 일상생활에 필수적인 스마트 기기부터 가전제품, AI, 각종 인프라와 국가 경제, 국가 안보의 핵심이 되었기 때문이다. 따라서 여러 선진국이 반도체 기술 개발에 집중하는 한편 미래 전략으로 반도체 산업 패권을 차지하기 위해 치열하게 경쟁하고 있다. 하루가 다르게 바뀌는 기술과 산업 환경, 반도체 패권을 두고 대립하고 있는 미국과 중국, 국제정세 앞에서 한국 반도체 산업은 어떤 길로 나아가야 할까. 현재 반도체 관련 학계와 산업계에 큰 영향력을 미치고 있는 3인의 지은이는 그간의 기술 발전사를 되짚어보고 한국 반도체 산업을 위한 미래 해법을 제시한다.
1장에서는 반도체 집적회로의 발전 과정과 최근의 기술 동향, 반도체 산업 생태계의 변화, 글로벌 빅테크 기업들의 자사 제품 전용 칩 설계 트렌드를 조망한다. 2장에서는 기존 폰 노이만 구조 반도체의 한계를 뛰어넘는 차세대 아키텍처 설계를 위한 새로운 컴퓨팅 구조와 차세대 기술을 제시한다. 3장에서는 모래에서 웨이퍼 제작, 최종 제품 패키징에 이르는 제조 공정을 개관하고 공정의 혁신 내용을 소개한다. 나아가 탄소 중립을 향한 저전력, 저전압 반도체 소자 기술도 다룬다. 4장과 5장에서는 세계 반도체 생태계의 현황과 세계적 업체들의 동향, 가치 사슬의 재편 움직임 등을 짚어본다. 이를 통해 미국이 중국과 반도체 패권 경쟁을 벌이고 공급망을 재편하려는 흐름 속에서 한국 반도체 산업이 처한 어려움의 본질을 분석하고, 예상 시나리오와 나아갈 방향, 앞으로 주목해야 할 기술을 제시한다. 6장에서는 3인의 지은이가 AI 시대에 접어든 반도체 지형의 변화와 한국 반도체 산업의 미래 전략에 관해 토론한다. 챗GPT로 대표되는 AI 시대의 반도체와 한국이 나아갈 방향, 미국과 중국이 벌이는 반도체 패권 경쟁과 이에 따라 재편의 움직임을 보이는 국제 반도체 생태계, 차세대 반도체를 책임질 관련 인력에 대한 교육의 중요한 문제를 짚어본다.
《차세대 반도체》가 지니는 큰 의미는 첨단 반도체의 다양한 기술 발전사와 공정 분야에 대한 개관뿐 아니라 국가적 미래 산업을 위한 전략을 종합하여 분석한다는 것이다. 반도체가 발전해온 역사와 다양한 기술, 반도체 패권을 위한 국제적 경쟁과 지정학적 향배, 앞으로 변화할 기술 방향과 한국 반도체 산업의 미래를 전체적으로 조망하고 싶어 하는 모든 독자에게 이 책은 대표적 이정표가 될 것이다.

발간사

1장 최신 반도체 집적회로 설계 동향 - 석민구
작지만 큰 존재, 반도체
반도체 3대장 - 로직, 메모리, 아날로그
로직 칩 기술 동향 - 최첨단을 향한 전방위 노력
CPU와 GPU를 하나의 칩에?
모바일 기기를 위한 로직 칩
D램 기술 동향 - 속도와 밀도
3차원 집적 - 고층 빌딩처럼 쌓아 밀도를 높이다
낸드 플래시 기술 동향 - 3D를 넘어 4D로
수직 통합, 반도체 생태계에 부는 새로운 바람
빅테크 기업이 직접 칩을 만들면?
칩 제조가 곧 제품 경쟁력

2장 폰 노이만 구조의 한계를 뛰어넘는 차세대 아키텍처 설계 - 석민구

혁신의 정점에서 한계에 봉착한 폰 노이만 컴퓨팅
정말 배보다 배꼽이 더 클까?
더 이상 범용성만 내세울 수 없다
새로운 컴퓨팅 구조를 찾아서
인 - 메모리 컴퓨팅, 곱셈 누적 연산의 해결사로 떠오르다
맞춤형 하드웨어, 인간 두뇌를 따라잡을까?
메모리 공간을 최대한 확보하라
춘추전국시대를 맞이한 차세대 메모리 기술
공간의 제약을 뛰어넘는 3차원 패키징
로직과 메모리, 완전한 통합은 가능한가?

3장 반도 채 몰라도 이해할 수 있는 반도체 기술 - 신창환
반도체란 무엇인가?
반도체 전공정 - 모래에서 웨이퍼 생산까지
반도체 패키징 공정 - 웨이퍼에서 최종 제품까지
반도체 구조의 기본 - 금속산화물 반도체
응력공학과 고유전체, 공정 수준을 끌어올리다
3차원 소자 구조의 문을 연 핀펫과 멀티브리지 채널 펫
기술 리더십은 이제 동북아로
구동 전압, 왜 낮추기 어려운가?
작은 변화로 큰 변화를 도모하다

4장 글로벌 반도체 기술 패권 경쟁과 공급망 재편 - 신창환
반도체 가치 사슬, 어떻게 구성되어 있나?
어느 나라가 무엇을 잘하나?
부상하는 메모리 반도체 시장
미국과 중국의 반도체 패권 경쟁
반도체 공급망, 미국의 규제와 중국의 반응은?
반도체 고도화, 공급망 교란에 대비해야
미-중 반도체 경쟁 속 한국의 고민은?

5장 글로벌 반도체 산업의 주요 이슈와 미래 전망 - 권석준
반도체를 둘러싼 지정학적 상황의 변화 양상
미국의 반도체 수출 규제
글로벌 반도체 공급망 재편
차세대 반도체 기술의 핵심

6장 AI 시대, 한국 반도체 산업 전략에 대한 토론 -
사회 : 전동석, 대담 : 석민구·신창환·권석준
챗GPT 시대의 AI 반도체
AI의 부상, 메모리 시장에 새로운 기회
종합 반도체 업체 vs. 팹리스 vs. 파운드리 - 한국의 전략은?
코로나19, 공급망의 취약점을 드러내다
각자도생하는 반도체 산업, 협력은 끝인가?
차세대 반도체 교육, 무엇이 중요할까?

그림·표 출처, 참고문헌

2022년 초 현대자동차가 삼성전자와 협력해 고성능 자율주행 칩을 설계하는 프로젝트를 논의했다고 언론이 보도했습니다. 제가 대학교에서 공부하던 때만 해도 집적회로integrated circuit, IC 설계는 반도체 제조사에만 중요한 영역이었는데 요즘은 이렇게 완성 차 업계까지 뛰어들고 있습니다. 갈수록 반도체 설계 역량이 제품 경쟁력에 직접적인 영향을 미치고, 선도적으로 칩 제조에 뛰어든 기업이 실제로 경쟁사보다 우위를 차지하고 있는 모습을 보면 수직 통합 추세는 더 빨라질 것입니다. 앞으로도 칩 설계가 더 다양한 분야에서 기술 혁신의 지렛대로 깊게 작용할 듯합니다.
-29쪽

첨단 D램 메모리 공정의 경우 완성한 반도체 웨이퍼 하나에는 2,000여 개 이상의 칩이 들어 있습니다. 전공정에서 만든 수많은 트랜지스터를 잘 연결하여 복잡한 연산을 빠르게 처리하도록 하려면 완성한 기판 상층부에 전기 도금 공정으로 금속 배선층을 만들어야 합니다. 이후 여러 미세 패턴이 얽히다 보니 평탄하지 않은 표면을 화학적, 기계적으로 연마chemical mechanical polishing, CMP하고, 여러 공정을 거치면서 섞인 불순물도 제거합니다.
-67쪽

설계와 장비 분야는 미국, 전공정은 한국과 대만, 후공정은 대만과 중국이 잘하고, 첨단 소재 분야는 일본이 잘합니다. 첨단 반도체 설계는 사실상 미국이 주도하고 있지요. 다만 D램 설계만은 한국이 선도하고 있습니다. 그리고 반도체 설계에 필요한 설계 자동화 소프트웨어와 설계 자산 코어IP core는 미국과 영국이 주로 공급하고 있습니다.
-87쪽

첨단 공정에 해당하는 10나노 이하 반도체를 생산할 수 있는 나라는 대만과 한국뿐입니다. 미국은 생산할 수 없는데, 미국은 바로 이 부분을 가장 두려워한다고 볼 수 있습니다. 따라서 10나노 이하의 첨단 반도체 제조 공정 역량을 북미 대륙으로 가져가고 싶을 겁니다. 미국과 중국이 치열하게 경쟁하는 이유도 여기에 있는 셈입니다.
-91쪽

한편 전 세계 저마늄 원석 채취량의 65%를 차지하고 있는 중국이 반도체 공급망 혼란을 야기할 가능성이 있습니다. 지르코늄과 하프늄을 분리하는 공정 및 공급 체계를 장악한 나라는 러시아와 캐나다인데, 이들에 따른 공급망 이슈도 대비할 필요가 있습니다. 극자외선 공정용 블랭크 마스크blank mask, 석영quartz, 포토레지스트는 대부분의 나라가 일본에 의존하고 있습니다. 따라서 일본이 D램 메모리 시장에 본격적으로 참여하면 이것을 공급망을 교란하는 데 이용할 가능성이 있습니다.
-99쪽

미국의 강력한 대중국 수출 규제와 중국의 공급망 교란이라는 위기 앞에서 한국은 어떻게 미래를 준비해야 할까요? 우리가 고민하고 답해야 할 질문들 중 먼저 중국에 관한 질문은 다음과 같습니다. 기술 측면에서 중국의 첨단 반도체 역량이 어디까지 발전할 수 있을까요? 저는 지금부터 3년 안에 5나노 공정을 구현할 수 있을 거라고 생각합니다. 그렇다면 중국의 첨단 반도체 육성을 제약하는 요소는 무엇이고, 중국 정부는 이를 어떻게 해결하려 할까요? 그리고 과연 중국은 자국 중심의 공급망을 어느 수준까지 구축할 수 있을까요?
-100쪽

앞으로 반도체 산업의 주요 격전지는 어디가 될까요? 지금 주목받고 있거나 앞으로 주목해야 할 기술이 무엇인지 살펴보겠습니다. 거대 언어 모델large language model, LLM에 기반하여 2023년 하반기부터 대유행하고 있는 챗GPT 같은 생성형 AI 서비스는 무엇보다도 방대한 데이터 처리, 멀티모달multi-modal 정보 해석 및 추론, 그리고 예측과 생성에 특화되어 있습니다. 이러한 AI는 형태가 다양하고 규모가 거대한 데이터를 빠르고 정확하게 처리할 수 있는 계산 자원의 수요를 급증시키는 주요인이 될 것입니다.
-113쪽

반도체 기술은 물리학, 화학 등 기초과학 분야의 혁신이 여러 세대에 걸쳐 누적되면서 진보합니다. 앞으로 기초과학 분야에서 어떤 지식이 중요해질지, 그 지식을 어떻게 축적할지 예측하고 대응하는 전략도 필요하겠지요. 예를 들어 응집물질물리학이나 고체물리학 분야에서 활발하게 연구되고 있는 저차원low dimensional 물질, 위상 절연체topological insulator, 준입자quasi-articles를 비롯한 비전자non-lectron 신호 전달 체계에 대한 연구가 미래 반도체 혁신 동력을 제공할 것으로 기대합니다.
-116쪽

무어의 법칙이 한계에 다가가고 있는 현실도 반도체 다변화를 촉진하는 요인입니다. 과거에는 반도체 종류와 상관없이 트랜지스터 크기를 줄여 집적도를 높이면 칩 성능을 개선할 수 있었습니다. 하지만 이제는 작아질 대로 작아진 소자를 더 작게 만들기가 너무 어려워졌어요. 소자 수준이 아니라 아키텍처를 최적화하는 전략을 취할 수밖에 없는 상황이지요. 앞으로 사용 환경에 맞춰 아키텍처를 최적화하는 과정에서 다양한 AI 반도체 라인업이 탄생할 것입니다.
-123쪽