레거시 칩의 전략적 중요성

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레거시 칩의 전략적 중요성

사진: 안드리/어도비 스톡

보고서 Sujai Shivakumar , Charles Wessner , Thomas Howell

2023년 3월 3일 게시됨

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2020년 후반의 칩 부족 사태는 가장 진보된 반도체가 더 이상 미국에서 제조되지 않는다는 사실과 이것이 전략적 취약성을 나타낸다는 사실에 광범위한 관심을 끌었습니다. 흥미롭게도 이러한 칩 부족은 미국에 기반을 둔 회사들이 계속해서 만들고 있지만 국내 제조업체의 요구를 충족시키기에는 충분한 양이 아닌 이른바 레거시 칩의 부적절한 가용성의 기능이었습니다. 적자는 자동차와 같은 전통적인 산업뿐만 아니라 다른 장치 에도 악영향을 미쳤습니다.마이크로프로세서, 고급 마이크로컨트롤러, 아날로그 및 혼합 신호 제품, 전력 반도체를 포함한 반도체 기술의 보완을 통합하고 디스플레이를 구동하고 오디오를 디코딩하며 엔진을 작동하고 기타 주요 기능을 수행합니다. 이러한 구성 요소의 부재로 인해 미국 경제에 상당한 혼란이 발생하여 소위 레거시 칩의 전략적 중요성을 더 깊이 살펴보게 되었습니다.

"레거시" 칩이란 무엇입니까?

"레거시" 또는 "주류" 반도체 기반 집적 회로(IC)는 일반적으로 각 칩에 식각된 더 큰 트랜지스터와 함께 확립되었지만 여전히 진화하는 제조 공정을 사용하여 만들어집니다. 2022년 CHIPS 및 과학법은 다음을 정의합니다.레거시 장치는 28나노미터(nm) 이상의 기술로 생산된 것으로 상무부에 다른 유형의 칩에 대한 정확한 정의를 공식화하는 임무를 부여합니다. 그 결정은 아직 보류 중입니다. "최첨단" 칩의 공식적인 정의도 아직 공식화되지 않았지만 5nm 이하의 프로세스 노드에 적용되는 것으로 가정할 수 있습니다. 고도로 발전된 10nm 및 7nm 칩은 적어도 상무부가 분류하기 전까지는 명확한 회색 영역에 있습니다. 그럼에도 불구하고 이것은 무어의 법칙 에 의해 예측된 궤적을 여전히 따르고 있는 기술의 정적 구분입니다 . 오늘날 "유산"으로 간주되는 것은 얼마 전까지만 해도 최첨단이었고 오늘날 최첨단인 것은 내일의 유산이 될 운명입니다. 칩.

레거시 칩은 어디에나 있습니다. 최첨단 칩 또는 마이크로프로세서는 핵심 기술에 광범위하게 적용되는 반면 레거시 칩은 대부분의 자동차, 항공기, 가전 제품, 광대역, 가전 제품, 공장 자동화 시스템, 군사 시스템 및 의료 기기 생산에 관여합니다. 이러한 장치는 미국 제조 경제에서 중심적인 역할을 합니다. 즉, 레거시 칩의 가용성 중단은 미국 제조 및 다운스트림 경제 활동에 부정적인 영향을 미칩니다.

이름에도 불구하고 레거시 칩은 진부한 기술이 아닙니다. "성숙한", "오래된" 및 "레거시"와 같은 용어와 관련된 의미는 오해의 소지가 있습니다. 이러한 범주의 칩이 새로운 요구 사항 및 응용 분야에 맞게 지속적으로 개선되기 때문입니다. 예를 들어 이러한 칩의 혁신에는 경제 탈탄소화 에 중요한 역할을 할 것으로 예상되는 실리콘 카바이드 반도체의 사용이 포함됩니다 . 레거시 칩은 미래에도 신흥 산업 및 기술과 매우 관련성이 높은 상태로 유지될 것입니다.

이러한 장치는 미국 제조 경제에서 중심적인 역할을 합니다. 즉, 레거시 칩의 가용성 중단은 미국 제조 및 다운스트림 경제 활동에 부정적인 영향을 미칩니다.

따라서 트랜지스터 크기 측면에서 레거시 칩을 첨단 칩과 별개로 식별하는 것은 전략적 및 경제적 중요성에 대한 이해를 제한할 수 있습니다. "레거시"라는 용어 자체는 군용 애플리케이션이 칩 혁신의 원동력이었던 시대의 유물입니다. 이러한 사고방식을 반영하여, 중국이 첨단 칩을 제조할 수 있는 잠재력을 제한하려는 최근의 수출 통제 (중국이 주류 칩에서 혁신하도록 함)는 주요 취약성을 가립니다. 

미국이 중국 산업 정책의 영향으로부터 경제를 보호하기 위해 미국의 전략적 사상가들은 더 이상 칩을 구성 요소의 크기 측면에서만 "고급" 또는 "덜 고급"으로 분류할 수 없습니다. 대신 정책 입안자들은 특수 레거시 칩의 중요성과 생산 및 지속적인 혁신을 지원하는 정책에 대해 더 신중하게 생각해야 합니다.

2022년 레거시 칩 부족의 영향

레거시 칩에 대한 오늘날의 광범위한 인식은 Covid-19 대유행 기간 동안 칩 부족으로 인해 박차를 가했습니다. 당시 역사적 생산량을 기록했음에도 불구하고 국내 생산기지는 국내 수요를 따라가지 못했다. 2022년 초 미국 상무부는 결과를 발표했습니다.칩 부족 문제를 다루는 설문 조사에서 기업이 최첨단 칩이 아니라 40nm 노드 이상의 레거시 칩에서 가장 심각한 부족에 직면한 것으로 나타났습니다. 대부분의 현재 미국 칩 생산과 대부분의 글로벌 생산은 이러한 상위 노드 장치로 구성됩니다. 상무부의 조사에 따르면 2022년 초까지 미국 칩 공장은 90% 이상의 생산 능력으로 가동되었으며, 이는 "정기적인 유지 관리와 매우 많은 양의 에너지가 필요한 생산 공정에 비해 엄청나게 높습니다." 수요에도 불구하고 칩 제조업체는 단기적으로 생산량을 늘릴 수 없었습니다 .

미국 반도체 공급망에 대한 2021년 Biden 행정부 검토 에서 “미국은 수많은 소비자에게 널리 사용되는 다양한 비첨단 메모리 및 논리 칩에 대한 수요를 충족하기 위해 대만, 한국 및 중국에 집중된 소스에 의존하고 있습니다. 및 산업용 애플리케이션.” 2022년 상무부는 반도체를 생산하고 소비하는 150개 이상의 미국 기업을 대상으로 한 설문 조사를 바탕으로 칩 부족이 "미국 공장 생산을 위협하고 인플레이션을 촉진하는 데 도움이 되고 있다"고 결론지었습니다 . 지나 라이몬도(Gina Raimondo) 상무장관은 2022년 1월 25일에 "우리가 처한 상황이 정말 놀랍고 국내 역량을 늘리기 위해 얼마나 시급하게 움직여야 하는지가 놀랍습니다."라고 말했습니다 .

일반적인 자동차 마이크로컨트롤러가 6~9개월이 걸리는 것과 같이 반도체를 제조하는 데 수개월이 걸린다는 점을 고려할 때 현재 공급량은 2022년 생산량 증가를 반영하며 현재 시장은 특정 종류의 칩에 대한 공급 과잉에 직면해 있습니다. 그러나 자동차 산업은 여전히 ​​반도체 부족에 직면해 있다.

미국 자동차 산업에 공급

최근 몇 개월 동안 미국 자동차 산업의 경험은 자동차 및 트럭 생산 및 관련 경제 활동을 위한 레거시 칩의 중요성에 관한 중요한 교훈을 제공합니다. 미국 자동차 산업은 전체 반도체 소비의 95%를 차지하는 레거시 칩에 거의 전적으로 의존하고 있습니다. 이는 자동차 산업에 사용되는 칩이 극한의 온도, 습기, 먼지, 화학 물질, 진동 및 전자 간섭으로 특징지어지는 가혹한 환경을 견딜 수 있는 "자동차 등급" 기능을 달성해야 하기 때문입니다. 이를 위해서는 고급 소비자 전자 제품에서 발견되는 칩보다 훨씬 더 강력하고 "무결점"에 가까운 성능이 필요합니다.

이에 따라 자동차 업계는 최근 레거시 칩 부족으로 가장 큰 피해를 입었다. 2020년부터 자동차 등급 레거시 반도체의 부족과 긴 대기 시간이 불구가 됨미국 자동차 생산. 칩 공급 문제가 글로벌 공급망의 대유행 중단 때문이라는 주장에도 불구하고, 대유행 기간 동안 칩에 대한 전 세계적 수요 급증과 "적시" 최적화된 자동차 공급망이 더 큰 책임이 있었습니다. 팬데믹으로 인한 급격한 수요 감소를 예상한 미국 자동차 제조업체들은 칩에 대한 기존 계약을 취소했습니다. 놀랍게도 팬데믹은 가전제품과 재택근무 장치에 대한 수요가 전례 없이 급증하여 이를 구동하는 칩이 전 세계적으로 부족하게 되었습니다. 그 결과 2021 년 초부터 2022년 중반까지 북미 자동차 생산업체는 추가 장치에 액세스할 수 없었고430만 대의 차량이 생산 일정에서 벗어났습니다. 사용 가능한 반도체 가격도 크게 상승하여 인플레이션을 악화시켰습니다. 예를 들어 일반적인 종류의 마이크로컨트롤러의 단위당 가격은 2020년 가을에서 2021년 가을까지 5배가 되었습니다 .

이것이 항상 인정되는 것은 아니지만 오늘날의 자동차 산업은 차량의 가장 기본적인 기능에 반도체를 통합합니다. 차량당 평균 칩 수는 2017년에서 2021년 사이에 약 1,700개로 두 배가 되었으며 자동차와 트럭에 새로운 안전 기능과 자동 운전 기능이 통합됨에 따라 이 수는 계속 증가할 것입니다. 한 추정 에 따르면, 글로벌 자동차 반도체 시장의 총 가치는 2020년 387억 달러에서 2030년까지 1,166억 달러 또는 연평균 11.7%의 복합 성장률로 성장할 것입니다. 그러나 주기적인 공급 문제를 제외하면 자동차 애플리케이션용 반도체의 생산량은 단순히 보조를 맞추지 못하고 있습니다. 레거시 칩 생산 능력은 매년 약 2%만 확장되고 있습니다. 비교하자면 반도체 산업 전체의 생산 능력은 2010년부터 2020년까지 연평균 10%씩 증가했습니다.  

투자 부족 및 용량 손실

자동차 부문의 경우 이러한 저투자는 단지 켜짐 및 꺼짐 신호에 따라서가 아니라 기울기를 따라 정보를 처리하는 아날로그 장치와 관련하여 특히 심각 합니다. 세계 최대의 아날로그 칩 제조업체 중 하나인 STMicroelectronics NV는 자동차 주문 잔고가 "2023년까지 기존 및 예상 제조 능력을 계속 초과할 것"이라고 예측합니다 .

보다 일반적으로 미국 칩 산업은 일부 유형의 레거시 장치를 모두 생산할 수 있는 능력을 상실하고 있습니다. 이것은 기술적인 장애물을 반영하는 것이 아니라 오래된 팹이 문을 닫고 관련 어려움을 감안할 때 교체되지 않는다는 사실을 반영하는 것입니다. 미 의회 조사국(Congressional Research Service)의 보고서에 따르면 많은 레거시 칩이 최신 팹에서 생산되는 현세대 300mm 웨이퍼가 아닌 200mm 웨이퍼만 처리할 수 있는 팹에서 생산되고 있습니다 . 문제를 복잡하게 만들기 위해 보고서는 "200mm 칩을 만드는 장비를 더 이상 쉽게 사용할 수 없다"고 언급합니다. 그 결과 기업들은 감가상각 장비에서 생산될 때만 필요한 이윤을 달성할 수 있는 "오래된" 칩을 만드는 팹에 대한 새로운 투자를 주저하고 있습니다.

이러한 용량 감소는 특히 업계의 요구가 빠르게 증가하고 있기 때문에 자동차 부문의 칩 부족에 대한 "특효약" 솔루션이 없다는 것을 의미합니다. 앞으로 예상되는 자동차 칩 수요의 거의 모든 성장은 전기화, 자율 주행 및 연결에 필요한 장치와 관련될 것이며 이러한 애플리케이션에 필요한 칩의 2/3 이상이 2030년까지 레거시 노드로 구성될 것입니다. 

부족의 영향

공급 제한은 미국의 다른 많은 제조 부문뿐만 아니라 미국 자동차 회사의 운영을 방해했습니다. 예를 들어 의료 기기 생산업체는 기계에 전원을 공급하는 데 필요한 완성된 칩의 부족으로 어려움을 겪었습니다. 칩의 제한된 가용성으로 인해 "회사는 전자 부품을 구매하기 위해 현물 시장에 진출 했습니다 . . . 환자가 일부 중요한 장치를 얻기가 어렵습니다.”

완성된 칩의 부족은 전자 소비자 제품 제조업체에도 영향을 미쳤습니다. 2021년에 Apple은 부족으로 인해 iPhone 및 기타 장치에 대한 생산 계획을 축소해야 했습니다. 2,000개 이상의 구성 요소가 통합된 매우 복잡한 장치인 iPhone 13 Pro Max와 관련하여 가장 진보된 칩과 관련하여 부족이 발생하지 않았습니다. 대신 Texas Instruments에서 만든 전력 관리 칩, Nexperia의 트랜시버, Broadcom의 연결 장치와 같은 몇 센트에 불과한 주변 부품의 부족으로 인해 생산이 중단되었습니다. 중요한 것은 "이러한 칩은 iPhone, 스마트폰 또는 가전 제품에만 국한된 것이 아니라 컴퓨터, 데이터 센터, 가전 제품 및 연결된 자동차 전반에 걸쳐 사용됩니다."

레거시 칩에 대한 지연된 투자

칩 부족의 주요 원인은 단순히 투자 부족입니다. 몇 년 동안 레거시 칩 제조 능력에 대한 투자는 수요에 훨씬 못 미쳤습니다. 설명은 간단합니다. 레거시 칩 생산에 대한 투자에 대한 수익이 훨씬 낮습니다. 현재 전체 반도체 투자의 약 1/6만이 레거시 칩 제조에 사용됩니다. 이러한 위험에도 불구하고 Infineon, Analog Devices, Texas Instruments 및 NXP Semiconductors를 비롯한 몇몇 주요 반도체 장치 제조업체는 이제 더 높은 노드 칩 생산을 목표로 하는 투자 전략을 추구하고 있습니다.

가장 진보된 칩을 위한 제조 능력에 대한 공공 투자와 더 성숙한 장치를 위한 추가 용량에 대한 필요성 사이에 긴장이 존재하며, 정책 입안자들은 공공 자원 할당에 대한 상충되는 요구를 조정해야 합니다. 이 딜레마는 고급 칩 연구 및 생산을 위해 430억 유로를 투입한 유럽 연합에서 가장 분명하게 나타났습니다. 2022년 3월 인텔은 독일 마그데부르크에 가장 진보된 칩 제조 기술을 사용하여 팹을 건설하기 위해 상당한 공공 지원과 함께 300억 유로를 투자할 계획을 발표했습니다 . 유럽의 제조 경영진은 팹 건설에 대한 이러한 투자에 대해 비판적이었습니다. 그들은 논쟁한다인텔 프로젝트를 위해 고려된 5, 3, 2nm 프로세스 노드에서 만들어진 장치는 "스마트폰 및 서버와 같은 대량, 최고 성능 용도"에 가장 적합합니다. 경영진에 따르면 이러한 칩은 자동차, 기계 및 프로세스 산업(예: 화학 또는 제약)과 같은 부문의 응용 프로그램에 레거시 칩을 요구하는 "유럽 산업의 요구 사항에 맞지 않을 것"이라고 합니다. 유럽의 한 임원은 “ 모든 것이 5나노미터 미만으로 수렴될 것이라는 이야기는 거짓 진술입니다. 자동차 산업의 주요 혁신은 성숙한 노드에서 일어나고 있습니다. 매우 에너지 효율적이고 안전해야 합니다.”

프랑스와 독일은 구형 칩이 제조 또는 최종 제품에 "혁신적인 요소"를 가져오는 한, 인텔의 기존 칩 팹이 EU 보조금을 받을 수 있도록 하는 한, 구형 칩이 국가 지원을 받을 수 있도록 하는 절충안을 확보한 것으로 알려졌습니다 .

궁극적으로 2022년의 CHIPS 및 과학법이 된 법안에 대한 2021~2022년 정책 토론 중에 미국에서도 동일한 긴장이 분명했습니다. 이 법안은 2022년 8월에 법률이 되었으며 , 국내 반도체 산업. 상원의원 연합은 레거시 칩 생산에 보조금을 지급하기 위한 인센티브로 20억 달러를 삭감했습니다 . Biden 행정부는 또한 나중에 명확히했습니다.상무부는 "성숙한 최신 칩, 새로운 특수 기술 및 반도체 산업 공급업체를 위한 새로운 제조 능력"을 확장하기 위해 약 100억 달러의 CHIPS 자금을 할당할 것이라고 말했습니다. 이러한 인센티브는 더 높은 노드 칩을 생산하는 저마진 팹에 대한 민간 투자를 장려하는 데 필요하지만 할당된 공적 자금이 증가하는 수요를 충족하기에 충분한지 여부는 공개적인 질문입니다.

일본에서는 현재 반도체에 대한 거의 모든 수요가 자동차 및 소비자 가전 산업에 필요한 더 높은 노드 칩에 대한 것입니다. 2021년 대만의 TSMC와 일본의 Sony Group은 이전 세대 칩의 필요성을 해결하기 위해 일본에 칩 공장을 건설하기 위해 70억 달러를 투자할 것이라고 발표했습니다 . 이 공장은 2024년에 가동될 것으로 예상됩니다. 자동차 부품 제조업체인 Denso와 Sony가 소수 지분을 갖게 됩니다. TSMC는 점점 더 많은 첨단 칩에 접근해야 하는 자동차 산업의 전기 및 자율주행차로의 전환을 지원하기 위해 일본에 두 번째 팹 건설을 고려하고 있는 것으로 알려졌습니다 . 일본도 노력하고 있는 것으로 알려졌다.2025 회계연도부터 2nm 장치를 생산할 수 있는 팹을 설립하기 위해 미국과 협력했습니다. 현재 파트너로는 IBM과 Sony, NEC, Toyota, Softbank, Kioxia 및 MUFG Bank를 포함하는 일본 컨소시엄인 Rapidus가 있습니다.

중국의 위험

낮은 마진 외에도 레거시 칩 투자를 고려하는 미국 기업이 직면한 또 다른 주요 위험 요소는 중국입니다. 중국 정부는 최근 칩 산업에 1,430억 달러를 투자한다고 발표했습니다 . 중국 반도체 산업은 2021년과 2022년에 각각 123억 달러와 153억 달러의 자본 지출을 지출하여 전 세계 총액의 15%를 차지할 것으로 예상됩니다. 중국은 필요한 제조 장비를 확보할 수 있다고 가정할 때 향후 10년 동안 설치된 웨이퍼 용량을 거의 두 배로 늘려 전세계 설치된 칩 용량의 약 19%에 이를 것으로 예상됩니다. SIA(반도체 산업 협회) 분석 노트"중국 EDA 회사는 이제 레거시 칩에 대해 점점 더 강력한 제품을 제공하고 있으며 중국 국내 장비 회사는 향후 몇 년 동안 성숙한 노드(40/28nm) 생산을 위한 강력한 기능을 제공할 예정입니다."

중국에 대한 고급 칩 기술에 대한 서양의 금수 조치를 감안할 때 대부분의 새로운 투자는 구형(28nm 이상) 장치 생산에 있을 것입니다. 중국에 대한 첨단 칩 기술에 대한 미국의 수출 통제의 의도하지 않은 결과는 과잉 생산으로 이어지는 국가 지원 투자의 물결이 될 수 있으며, 잠재적으로 글로벌 레거시 칩 생산에 대한 중국의 지배가 될 수 있습니다.

미국 전문가들은 이미 이러한 잠재적인 중국 지배의 위험을 강조했습니다. 전 국가 안보 부보좌관인 Matt Pottinger는 중국이 기존 칩 제조 능력을 구축하면 "중국이 28나노미터 칩에 의존하는 모든 국가와 산업(군사 또는 민간)에 대해 강압적인 영향력을 갖게 될 것"이라고 말했습니다 . 칩 유니버스.” 또 다른 반도체 전문가인 Dan Hutcheson은 관찰했습니다 .“중국은 이러한 기술로 시장을 범람시킬 수 있습니다. 일반 기업은 이러한 수준에서 돈을 벌 수 없기 때문에 경쟁할 수 없습니다.” 물론 새로운 장비로 혜택을 받는 국유 및 국유 기업이 이익을 낼 필요는 없습니다. 그들은 시장 점유율에 집중할 수 있고 그럴 가능성이 높으며 외국 기업의 수익과 투자에 필요한 자원을 삭감합니다. 이로 인해 시장 경제 당국은 "덤핑된" 칩의 수출을 차단하거나 업계가 판매, 수익, 일자리 및 혁신의 손실로 태양광 산업의 운명을 겪는 것을 보게 될 것입니다.

중국에 대한 첨단 칩 기술에 대한 미국의 수출 통제의 의도하지 않은 결과는 과잉 생산으로 이어지는 국가 지원 투자의 물결이 될 수 있으며, 잠재적으로 글로벌 레거시 칩 생산에 대한 중국의 지배가 될 수 있습니다.

미래를 내다보면 현대 경제 운영을 위한 레거시 칩의 중요성은 계속해서 커질 것입니다. 투자를 할 수 있고 지속적으로 더 높은 노드 칩을 생산 및 개선할 수 있는 강력하고 탄력적인 공급 기반을 유지하는 것은 국가의 경쟁력과 경제 안보에 필수적입니다. 또한 더 높은 노드 칩의 혁신은 우리를 보다 푸르고 건강한 지구로 만드는 데 필요한 기술을 포함하여 다양한 신기술의 기반이 될 것으로 기대됩니다. 유럽도 미국도 포기할 수 없는 영역인 녹색 에너지 기술을 생산하려면 더 발전된 더 높은 노드 칩이 필요할 것입니다.

Sujai Shivakumar는 CSIS(Center for Strategic and International Studies)의 RAI(Renewing American Innovation) 프로젝트 이사 겸 선임 연구원입니다. Charles Wessner는 CSIS Renewing American Innovation Project의 수석 고문(비거주자)입니다. Thomas Howell은 반도체 산업을 전문으로 하는 국제 무역 변호사이자 CSIS Renewing American Innovation Project의 컨설턴트입니다.

본 보고서는 CSIS의 전반적인 지원을 통해 이루어졌습니다. 이 보고서에 직접적인 후원이 제공되지 않았습니다.

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