2024년 46권 11월 16일 토요일 ＜진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업＞

[몬스터를꿈꾸며]

＜진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업＞

어차피 미래는 반도체로 범벅이 될 거라는 생각을 했지만 공부하기가 너무 싫어서 외면하다가 더 이상 피하는 건 아닌 것 같아 슬슬 시동을 걸어 봤다.

책 표지에 내세운 대로 반도체의 원리와 역사, 그리고 반도체의 큰 종류와 만드는 데 필요한 8대 공정을 다루면서 전체적인 흐름이나 관련 업체에 대해서도 언급했다.

반도체에 대해 설명한 부분에서 관련 업체나 흐름에 대한 언급은 한 두 줄 정도로 거의 비중을 차지하지 않는다.

대신 마지막 부분에 공정별, 종류별, 국가별로 마지막에 정리했다. 

나처럼 이제 막 반도체 산업에 대해 공부하려는 사람들에게 딱 맞는 수준이다.

풍부하게 수록된 참고 그림들도 내용의 이해를 돕는다.

아무리 간단하고 쉽게 설명했다 하더라도 이런 원리나 공법까지 알아야 하나 싶으면서도 그래도 투자를 할거면 기본적으로 알아야 하겠다 싶었는데 우연히 눈에 띈 신문 기사를 보다 보니 투자를 위해서 기본적인 내용으로 알아야겠다는 생각이 든다.

기사를 이해하거나 비판적으로 받아들이려면 기본 지식은 있어야겠다는 생각이 안 들 수 없다.

아, 2023년 출판된 책이다.

19. 전기가 통하기 위해서는 이동할 수 있는 전자가 있어야 합니다. 이렇게 이동할 수 있는 전자를 자유 전자라 하는데/ 도체에는 자유 전자가 존재합니다./ 부도체에는 자유 전자가 없거나 / 매우 적기 때문에 전류가 흐를 수 없습니다.

20. 정리하면, 전압을 인가했을 때 이동할 수 있는 자유 전자를 가진 물질은 도체, 자유 전자가 없는 물질은 부도체입니다. 반도체 물질은 본래 전자가 이동할 수 없는 물질이지만, 인위적인 조작을 통해 전자가 이동할 수 있도록 만들 수 있는 물질을 말합니다.

26. 반도체 물질에 불순물을 주입하는 과정을 반도체 공정에서는 도핑이라 부르고, 도핑에 사용되는 불순물을 도펀트라고 합니다.

43. 하나의 판에 여러 소자들을 만들어 배치하거나 쌓는 과정을 '집적'이라고 하고, 판에 있는 반도체 소자들을 전선으로 연결해 회로로 구성한 제품을 '집적 회로'라고 합니다.

49. 일반적으로 반도체 소자의 크기는 선폭으로 표현합니다. 이때, 선폭은 MOSFET 구조에서 소스와 드레인 사이 거리를 말하는데, 반도체의 크기를 나타낼 때 흔히 말하는 10나노(nm)라는 것은 소스와 드레인 사이의 거리가 10나노 임을 / 뜻합니다.

52. 최외각 전자가 5개인 원자를 불순물로 넣어 만든 반도체를 N형 반도체라 합니다. 최외각 전자가 3개인 원자를 불순물로 넣어 만든 반도체는 P형 반도체입니다. / P형과 N형 반도체를 조합하면 다양한 기능을 하는 반도체 소자를 만들 수 있습니다. 대표적인 반도체 소자로는 정류 기능을 하는 다이오드와 증폭과 스위치 기능을 하는 프랜지스터가 있습니다. 트랜지스터는 양극성 접합 트랜지서트와 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)가 있습니다. 오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터, 스마트폰 같은 전자 기기에는 대부분  MOSFET이 사용됩니다.

54. 결국 반도체 산업의 발전 방향은 '어떻게 하면 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있을까'로 귀결됩니다. 더 많이 집적하는 방법은 / 첫 번째는 집적 회로의 면적을 넓히는 것, / 두 번째는 '집적 회로를 수직으로 쌓는 방법, / 세 번째는 트랜지스터 크기를 작게 만드는 것입니다. / 설계 능력과 미세 공정 능력이 필요합니다.

68. 지금부터 대표적인 시스템 반도체인 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 CPU, 그래픽 처리에 특화된 GPU, 스마트폰이나 태블릿 PC의 두뇌 역할을 하는 AP, 인공지는 시대에 떠오르는 AI반도체(NPU 등), 빛을 전기 신호로 바꿔주는 이미지 센서(CIS)의 동작 원리와 특징을 자세히 알아보도록 하겠습니다.

70. 캐시 메모리와 레지스터는 용량 대비 가격이 매우 비싸서 꼭 필요한 만큼만  CPU에 설계해 넣고 있습니다. 

74. 그래픽 카드에는 GPU라고 부르는 그래픽 데이터 연산을 전문으로 하는 시스템 반도체가 들어갑니다. / GPU는 CPU와는 달리 동시에 여러 가지 일을 처리할 수 있습니다. 즉, 병렬성을 갖습니다. / 하나의 코어가 갖는 능력치는 낮지만, 코어의 수가 훨씬 많기 때문에 방대한 양의 연산을 빠르게 처리할 수 있습니다. -GPU가 최근에 뜬 이유. 엔비디아가 뜬 이유... 암호화폐 채굴하기에는 GPU가 효율적인.... 

79. 2000년대 후반, 반도체 산업을 다시 한 번 부흥시킨 제품이 등장합니다. 바로 스마트폰입니다. 스마트폰에는 두뇌 역할을 하는 AP란 반도체가 탑재되어 있습니다. / CPU와 AP는 무엇이 다를까요? / 스마트폰에는 / 큰 메인보드를 넣을 수가 없습니다. / 그래서/ 주요 부품들을 하나의 반도체 칩에 집적해 넣습니다. 이 반도체 칩이 바로 AP입니다. / AP를 반도체 기술의 집합체라고 부릅니다. AP처럼 여러 부품들이 하나의 반도체에 통합되어 하나의 시스템을 구성하는 형태를 단일 칩 시스템이라 합니다.

81. 최근 AP 시장은 AI 기능이 추가되면서 새로운 시대에 접어들었습니다. / 저전력을 염두에 두고 제품을 만들어야 합니다. - 기억이 맞다면 이런 이유 등등 GPU 시장이 커질 수 밖에 없다고.

84. AI 알고리즘이 처음부터 탑재돼 있으면서 대규모 병렬 연산 후 고속 데이터 전송 구조까지 갖춘 장치인 NPU를 개발하게 됩니다.  NPU는 GPU의 대규모 병렬 연산 능력, 그리고 반도체 회로로 구현된 AI 알고리즘을 갖고 있어 AI연산의 수행부터 연산 결과물의 분석까지 빠르게 진행이 가능합니다. / 소비전력 역시 크게 줄였습니다. AI연산에 최적화된 반도체인 것입니다.

87. FPGA는 상황에 따라서 산술 논리 유닛을 자유롭게 구성할 수 있는 반도체입니다. / CPU와 달리 코어의 구조를 원하는 대로 프로그래밍 할 수 있는 프로그래머블 코어가 쓰입니다. 언제든지 사용자가 원하는 용도에 맞춰 설계를 변경해 쓸 수 있도록 만든 제품이라 볼 수 있습니다.

88. DSP는 디지털 신호를 처리하는 역할을 합니다. FPGA가 컴퓨터 뿐만 아니라 통신, 로봇 제어 등 다른 분야에서도 활용될 수 있도록 도와 줍니다.

59. ASIC는 특화 코어, 제어 유닛, 메모리 유닛으로 구성된 반도체 제품으로 / 특정 연산만을 수행하도록 제작되었다는 점에서 차이가 있습니다. / 활용되었던 대표적인 사례가 바로 암호화폐 채굴입니다.

그냥 서비스

104. 뉴로모픽 : 인간의 뇌, 특히 인간의 뇌 속에 있는 신경망을 모방하여 데이터의 기억(메모리)과 연산을 동시다발적으로 진행하는 3세대 AI 반도체입니다.

111. 커패시터의 전자가 빠져나가지 않도록 주기적으로 전자를 채워주는 리프레시 작업을 해줘야 합니다. 데이터를 저장한 후에도 계속 리프레시 작업을 해줘야 하기 때문에 동적 RAM이라 불립니다. 반명, 리프레시 작업이 필요하지 않은 SRAM은 '정적' RAM이라는 이름이 붙었죠.

116. 반도체 기술의 발전과 함께 등장한 SSD는 데이터의 저장과 읽기가 전자적으로 이뤄지고, 하드디스크와 달리 물리적인 구동이 없어 소음이 발생하지 않고, 충격에 강하며 데이터 처리 속도가 훨씬 빠릅니다.

120. 집적이 편하다는 것은 더 쉽게 만들 수 있다는 것이고, 결국 같은 용량일 때 가격이 더 저렴하다는 것을 의미합니다. 

129. 고품질의 일본산 DRAM은 슈퍼 컴퓨터나 서버용으로는 적합했지만, 보급형 PC에는 적합하지 않았습니다. 이러한 이유로 가격 메리트가 있으면서도 꽤 괜찮은 성능을 가진 삼성전자의 DRAM이 불티나게 팔리기 시작합니다. / 한국 기업들으 ㄴ'시장에서 필요로 하는 제품을 더 싸게 만들기 위한 기술을 개발한다'는 입장을 고수했죠. 

134. DRAM 생산에 활용되지 않는 구형 장비들에 대한 용도변경이 일어납니다. / 시스템 반도체 제품 생산에 활용하면서 메모리 반도체 기업들은 점차 시스템 반도체 시장으로 영역을 확대합니다.

139. 시스템 반도체는 그 종류가 굉장히 다양하고, 사용처가 정해져 있습니다. PC에는 CPU, 스마트폰에는 AP, 암호화폐 채굴에는 GPU, 전력 관리에는 PMIC처럼 말이죠.

140. 최초의 제품을 빠르게 내놓는 회사는 비싼 가격에 제품을 팔 수 있어서 엄청난 수입을 거둬들일 수 있지만, ./ 후발주자로 시장에 뛰어들면 가격이 하락한 상태에서 제품을 판매해야 하므로 투자금도 회수하지 못하는 상황이 올 수 있습니다.

148. 비메모리는 우리나라에서만 사용하는 용어로 메모리 반도체를 제외한 다른 반도체, 특히 시스템 반도체를 의미합니다. / 시스템 반도체도 우리나라에서만 사용하는 용어로 해외에서는 로직 반도체라고 부릅니다.

또 보너스

157. 반도체를 만드는 과정 : 1단계는 제작할 반도체의 설계 도면을 작성하는 설계입니다. 2단계는 설계 도면에 맞게 웨이퍼에 반도체를 만드는 제조입니다. 3단계는 반도체 제품이 잘 동작하는지 검사하는 테스트와 웨이퍼에 만들어진 반도체를 칩 단위로 자르고 외장재를 씌워 완제품으로 만드는 패키지입니다. 4단계는 완제품을 유통하고 판매하는 유통 및 판매입니다. 1~4단계의 전 과정을 직접 진행하는 회사를 종합 반도체 기업, 줄여서 IDM이라 부릅니다. / 대표적인 IDM으로는 삼성전자, 인텔, SK하이닉스, 마이크론, 키옥시아, WDC 등이 있습니다.

159. 반도체 유닛 설계에 대한 특허(IP)를 제공하고 그 대가로 로열티를 받는 기업을 IP기업이라고 합니다. IP 기업은 서례에 대한 특허만 제공하기에 자신들의 이름으로 된 완제품이 없습니다. 그래서 IP 기업을 칩리스 기업이라고 부르기도 합니다. 

161. 팹리스 기업은 기획(설계)하고, 판매하는(판매 및 유통) 역할만 하고 나머지(제조, 테스트 및 패키지)는 모두 외주로 맡겨서 진행합니다. 반도체를 만들어 판매하지만 제조 시설인 팹을 가지고 있지는 않아서 팹리스라는 이름이 붙었습니다.

166. 테스트 및 패키지를 전문적으로 하는 기업을 OSAT 기업(반도체 조립 테스트 외주 업체)이라고 합니다.

172. 반도체의 사전적 의미는 '본래 전자가 이동할 수 없는 물질이지만, 인위적인 조작을 통해 전자가 이동할 수 있도록 만들 수 있는 물질'을 의미합니다. 반면 반도체 산업에서의 '반도체'는 '반도체 물질로 만들어진 전자 부품'을 의미합니다. -난 이게 헷갈렸었다.....

173. CPU, 메모리 등의 반도체는 트랜지스터나 다이오드 같은 기초 구성 요소로 이루어져 있습니다. 문제는 트랜지스터나 다이오드 역시 N형 반도체와 P형 반도체를 접합해 만드는 반도체라는 것이죠. 이 둘의 구분을 위해 반도체 부품을 구성하는 트랜지스터나 다이오드 같은 기초 구성 요소를 '반도체 소자'라고 부릅니다. -이것도 헷갈렸었는데 정리가 됨.

173. 그럼 '칩'이라는 용어는 무엇일까요? 실리콘 웨이퍼 한 장에 수십~수천 개의 제품이 동시에 만들어 집니다(뒤에서는 수백 억 개까지 만든다고 언급한다). 최종 단계에서 이를 사각형의 조각으로 잘라내 하나의 반도체 제품으로 만들죠. 실리콘 웨이퍼를 잘라낸 조각은 '실리콘 칩', 실리콘 칩에 여러 공정을 더해 만든 전자 부품은 '반도체 칩'입니다. 하나의 반도체 칩은 많은 반도체 소자와 이를 연결하는 배선 층이 집적 회로를 구성하고 있습니다. 이런 이유로 반도체 칩을 집적 회로 칩, IC칩이라고 부르기도 합니다. 즉, 반도체 칩, 집적 회로 칩, IC 칩은 반도체라고 부르는 전자 부품을 지칭하는 동일한 용어입니다. - 언론에서 많이 나오는 장면.. 원형에 뭔가 레이저로 쏘는... 

177 반도체 8대 공정

186. 반도체 성능이 발전하면서 더 좋은 품질을 가진 실리콘 웨이퍼에 대한 수요가 늘고 있습니다. / 대표적으로는 에피 웨이퍼가 있습니다.

199. 포토 공정 8개의 세부 단계 : 웨이퍼 세정 → 웨이퍼 표면 준비 → 감광층 코팅 → 소프트 베이크 → 노광 →  포스트 베이크 →  현상 → 하드 베이크

221. 증착

238. 향후 테스트 공정은 전기적 특성을 효율적으로 평가할 수 있는 장비나 알고리즘을 개발하는 방향으로 발전할 것으로 예상됩니다.

250. 몰딩 방식은 몰딩 불량을 줄이고, EMC 사용량을 절감할 수 있는 방향으로 발전하고 있습니다. 또, 봉지 공정의 소재가 EMC로 정착된 이후에는 EMC의 성능 개선을 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있습니다.

253. 실장 기술은 입출력 단자 수를 늘리는 방향으로 발전해 왔습니다.

262.

263. 최근 반도체 기술의 발전 방향은 작은 선폭, 3D 적층, 고속 동작으로 요약할 수 있습니다.

290. 차량용 반도체 기업 빅7으로 불리는 인피니언, NXP, 르네사스, ST마이크로일렉트로닉스, 텍사스 인스트루먼트(TI), 보쉬(-보쉬는 드론이나 기타 등등 책들에서 매번 등장한다... 꼭 알아볼 기업), 온세미컨덕터도 함께 알아두면 좋습니다. 차량용 반도체의 종류로는 두뇌 역할을 하는 ECU나 MCU, 다양한 센서, 통신용 반도체 칩 등이 있습니다. -센서도 반도체의 한 종류이다.

293.램버스는 매우 빠른 동작 속도를 갖는 RDRAM의 / 특허로 DRAM 기업들을 상대로 무자비한 소송을 걸어 / 반도체 기업들의 미움을 사 RDRAM 대신 DDR DRAM이 현재 시장의 주류로 떠오르게 되었습니다. -문득 테슬라가 인프라를 구축하기 위해 자신들의 특허를 공개했던 옛날이 생각난다.

295. 앤비디아 : GPU를 전문으로 설계하는 팹리스 기업으로, GPU 시장에서 압도적인 경쟁력을 갖추고 있습니다. GPU가 다양한 영역에서 활용되면서 NPU(2세대 AI반도체), 자율 주행 자동차, 메타버스까지 사업 부분을 점차 확장하고 있습니다. 

307. EUV용 블랭크 마스크의 경우 일본의 호야와 아사히글래스가 독식하고 있다고 보면 됩니다. 이러한 구조를 타파하기 위해 최근 일본의 신에츠, 한국의 에ㅐ스엔에스텍 등 DUV용 블랭크 마스크를 만들던 기업들이 EUV용 블랭크 마스크 연구 개발에 매진하고 있습니다.

308. CMP 패드 컨디셔너는 / 한국의 새솔 다이아몬드와 신한 다이아몬드 등의 업체들이 제작하는 것으로 알려져 있습니다.

시장 조사 전문 업체 360 Research Report

311. 미국은 시스템 반도체 강국입니다. 그리고 장비 분야에서도 경쟁력을 가지고 있죠. 반면 일봉는 소재, 부품 분야에 강합니다. 한국은 메모리 반도체에서 압도적인 선두를 달리고 있으며, 대만은 파운드리와 OSAT 분야에 특화되어 있습니다. 중국 역시 파운드리와 OSAT 분야에서 강점을 지니고 있죠.

-한국 반도체 산업 협회

314. 미국의 반도체 생산 능력이 설계 능력을 따라가지 못하고 있음을 알 수 있습니다. / 만약 반도체 위탁 생산이 불가능한 상황이 온다면, 미국의 강력한 무기인 반도체 설계 능력이 무용지물이 될 수 있는 것입니다. / 그래서 미국은 팹리스 기업들과 협업하던 기존 파운드리 기업들이 미국에 공장을 짓도록 러브콜을 보내고 있습니다. / 그러나 파운드리 기업 입장에서는 타국에 천문학적인 돈을 들여 제조 공장을 새로 짓는 것이 부담스러울 수밖에 없습니다.

317. 한국은 반도체 기초 산업 분야(장비, 부품, 소재)에서도 경쟁력이 낮은 편입니다. 2020년 기준 상위 15개 장비 기업 중 한국 기업은 13위에 랭크된 세메스가 유일하며, 그 다음으로 원익IPS 정도가 있습니다. / 부품과 소재 역시 마찬가지 입니다. / 최근 글로벌 장비 기업인 램리서치가 한국에 연구 개발 센터를 설립했는데, 국내 반도체 장비 기업들의 연구 개발 의지에도 큰 자극이 될 것으로 예상됩니다.

317. 한국 반도체 산업이 나아가야 할 길은 명확합니다. 강점인 메모리 반도체 산업은 현재의 위상으 ㄹ유지함과 동시에 차세대 메모리 제품에 대한 꾸준한 연구 개발이 이루어져야 합니다. 또 설계 역량 강화를 위해 인재를 확보하고 팹리스와 파운드리 기업 간 연계를 통해 시스템 반도체 산업을 육성해야 합니다. 생산 시설 투자를 확대해 파운드리 생산 능력 역시 키워야 하고요. 여기에 더해 장비, 부품, 소재 분야에 대한 연구 개발과 국내 생산 확대가 함께 이뤄진다면, 한국 반도체 산업은 다시 한 번 크게 도약할 수 있을 것입니다.

320. 메타벗, 자율 주행 전기차 등 각종 산업의 발전으로 반도체 수요가 크게 증가했습니다. 반면 이를 생각해 줄 파운드리 기업은 턱없이 부족한 상황입니다. / 대만이 큰 주목을 받고 있습니다.

328. 이스라엘의 성장세는 중국과도 비슷해 보입니다. 다만 이스라엘의 반도체 산업 성장에는 미국의 후원이 있습니다. 따라서 중국과 달리 반도체 산업을 안정적으로 성장시킬 수 있는 상황이며, 앞으로도 발전 가능성이 매우 크다고 할 수 있습니다.

335. 최근 자동차 업계에서는 차량용 반도체를 안정적으로 수급하기 위해 자사 차종에 들어가는 반도체 부품을 직접 설계하고 제조하려는 움직임을 보이고 있습니다. - 이상하게 자꾸 현대자동차가 잘 될 것 같은 기분이 든다...

336. 반도체에서 사용되는 실리콘은 영어로 'Silicon' / 말랑말랑한 실리콘은 영어로 'Silicone'이라 / 쓴다. - 난 말랑말랑 실리콘을 떠올렸는데 어쩐지 연결이 안 되더라.. 이걸 왜 마지막에 말해 ㅡㅡ