2023년, 반도체 산업에는 전운이 감돌고 있다. 지난 2년간 반도체 산업은 호황을 누리며, 주요 기업은 만족할 만한 실적을 기록했다. 지난해 3분기부터 점차 하락세를 나타는 반도체 산업은 여러 가지 변수로 인해 위기를 맞고 있다. 메모리 반도체 수요의 하락, 파운드리 산업의 확대 그리고 AI 반도체 동향 등 몇 가지 이슈를 통해 2023년도 반도체 시장을 전망해본다.

 

작년보다 어두운 반도체 산업 전망

 

올해 반도체 산업 전망이 어둡다. 반도체 산업은 2년여의 호황을 지나 새로운 국면에 접어들게 됐다. 세계 경기 침체로 인한 제품 판매 부진, 러시아-우크라이나 전쟁, 코로나19 이슈 등 여러 가지 불안요소는 반도체 산업에 영향을 끼쳤다.

 

전문가들 사이에서는 현장 유지도 어려울뿐더러 역성장에 대한 가능성도 점쳐진다. 가트너의 조사에 따르면, 올해 세계 반도체 매출이 올해 5960억 달러로 지난해 6180억 달러보다 3.6% 감소할 것으로 예상했다. 지난해 세계 반도체 시장이 26.3% 성장한 것과 비교하면 큰 폭의 낙차를 기록했다.

 

한국은행도 ‘통화신용정책 보고서’를 통해 반도체 경기가 2021년 3분기 이후 지속 하강하고 있음을 발표했다. 한국은행은 2022년 3분기 이후부터 하강 속도가 더 빨라졌으며, 반도체 수요가 미국 등 세계 경기를 주도하는 국가의 통화긴축, 러시아-우크라이나 사태 장기화 등의 영향으로 부진이 이어질 것으로 예상했다.

 

쌓이고 있는 반도체 재고도 제조기업의 생산 조정 및 가격 하락으로 이어져 경기 회복을 더디게 만들 것으로 보인다. 한은은 반도체 경기 하락이 국내 수출, 설비투자, 생산에까지 영향을 미치며 국가 경제 성장을 제약할 것으로 내다봤다.

 

반도체 산업 부진의 영향 중 하나는 메모리 반도체의 불황이다. 가트너는 올해 메모리 반도체 시장 매출이 내년보다 16.2% 감소할 것으로 전망했다. 경기 전망 악화로 인해 스마트폰, 데스크탑, 노트북 등 생활 가전 수요의 급감이 주요 원인이었다. 국내에서는 메모리 반도체 불황 소식에 불안할 수밖에 없다.

 

우리나라는 전 세계 반도체 생산량의 21%를 차지하는 반도체 강국으로, 메모리 반도체의 경우 57% 점유율로 확고부동한 세계 1위를 기록하고 있다. 메모리 반도체 수요 부진과 가격 하락은 수출량 등 주요 경제 지표에 부정적인 영향을 끼치게 된다.

 

이런 이유로 메모리 반도체를 주도하는 삼성전자와 SK하이닉스의 행보가 주목된다. 양사는 지난해 3분기 어닝쇼크를 맞으며 4분기 실적에서 부진한 성적을 거둘 것으로 예상된다.

 

지난 12월 연합인포맥스가 최근 1개월 내 발표한 증권사 10곳의 실적 전망치를 집계한 결과에 따르면, 삼성전자의 4분기 영업이익은 7조9989억 원으로 작년 동기 대비 42.32%나 감소한 수치를 기록했다.

 

삼성전자는 지난 2019년 4분기 이후 3년만에 8조 원대 영업이익을 거두는 셈이다. 이 역시 스마트폰 판매 둔화와 D램 가격 하락, 원·달러 환율 하락 등의 요인이 작용했다. SK하이닉스의 상황은 더 심각하다. 전문가들은 4분기 적자를 전망하며 영업 손실 규모는 6520억 원대로 예상했다.

 

파운드리, 위기 속 안정적 성장하다

 

올해는 주요 기업 간 파운드리 경쟁이 심화할 것으로 보인다. 첨단 반도체 수요 증가로, 파운드리 공정이 미래 전장으로 주목받고 있다. 반도체 기업들은 미세 공정을 활용한 고집적·저전력 반도체 생산을 위해 생산 설비를 확충하거나 팹을 확장하는 등 다각도로 성장 전략을 펼치고 있다. 파운드리 분야에서 가장 주목받는 기업인 TSMC는 시장 점유율 1위를 지키기 위해 확장과 개발을 멈추지 않고 있다.

 

지난해 말 TSMC는 미국 애리조나 공장에서 4나노와 3나노 반도체 칩을 각각 2024년과 2026년에 생산하겠다고 밝혔다. TSMC는 애리조나 1기 공정 팹에서 4나노 반도체 칩을, 2기 공정 팹에서 3나노 반도체 칩을 생산할 계획이다. 두 팹의 총 투자액은 한화로 약 53조 원에 달한다.

 

이는 미국에서 외국인이 투자한 최대 직접투자로 알려졌다. TSMC는 두 번째 팹이 완공되는 시점에 웨이퍼 연 생산량이 60만 장을 초과할 것으로 전망했다. 이에 미국과 대만은 TSMC를 매개로 강력한 반도체 연합체를 구축하게 됐다.

 

미국은 코로나19 이후 자국 내 반도체 생산에 대한 기반이 필요했으며, 대만은 중국의 군사 위협에 대비하기 위해 신뢰할 수 있는 파트너로 미국을 선택했다. 그런 와중에 대만은 최첨단 공정의 주요 기지가 자국이라는 사실 또한 확고히 했다.

 

왕메이화 대만 경제부장은 이 같은 사실을 밝히며, TSMC의 탈 대만화에 대한 우려를 불식시켰다. 그는 이미 대만에서 3나노 반도체가 생산되며, 나아가 2나노·1나노 공정 준비 역시 진행 중이라고 밝혔다.

 

TSMC의 맹진은 삼성전자를 노심초사하게 만들고 있다. 지난해 3분기 실적을 살펴보면, TSMC와 삼성전자의 파운드리 점유율 격차가 벌어졌다. 트렌드포스는 3분기 삼성전자 파운드리 매출이 55억8400만 달러로 전 분기 대비 0.1% 줄었다고 밝혔다.

 

반면 TSMC의 파운드리 매출은 3분기 201억6천300만 달러로 전 분기 대비 11.1% 증가했다. 트렌드포스는 TSMC의 시장 점유 상승에 대해 아이폰 관련 주문이 주효했으리라고 예상했다. 반면 삼성전자는 새로운 아이폰 시리즈 관련 부품 수요가 있었으나 원화 약세 영향을 받았을 것으로 추측된다. 삼성전자의 경우 지난해 3분기에 파운드리 매출이 낸드플래시 매출을 넘어선 것으로 알려졌다.

 

트렌드포스의 조사에 따르면, 낸드플래시 3분기 매출은 43억 달러였다. 파운드리 매출이 당사의 주력인 낸드플래시 매출의 약 30%를 상회하며, 삼성전자의 파운드리 사업이 어려운 시장 상황 속에서 선방했음을 시사했다. 지난해 10월, 삼성전자는 미국 실리콘밸리에서 열린 ‘삼성 파운드리 포럼’에서 당사의 파운드리 기술 개발 및 사업 전략을 밝힌 바 있다.

 

당시 삼성전자가 강조한 내용은 파운드리 기술 혁신, 응용처별 최적 공정 제공, 고객 맞춤형 서비스, 안정적인 생산 능력 확보였다. 삼성전자는 지난 2015년 핀펫 트랜지스터를 세계 최초로 양산하고, 지난해 6월 GAA 트랜지스터 기술을 적용한 3나노 1세대 공정 양산을 시작하기도 했다.

 

또한, GAA 기반 공정 기술 혁신을 지속해 2025년에는 2나노, 2027년에는 1.4나노 공정을 도입할 계획이라고 밝혔다. 삼성전자는 HPC, 오토모티브, 5G, IoT 등 고성능 저전력 반도체 시장도 적극 공략해 2027년까지 모바일을 제외한 제품군의 매출 비중을 50% 이상으로 키울 계획이다. 하이퍼스케일러, 스타트업 등 고객사 확보에도 총력을 다 할 것으로 보인다. 이에 삼성전자는 올해 수요 회복과 함께 안정적인 실적을 거둘 것으로 예측했다.

 

한편, TSMC와 삼성을 따라잡기 위한 인텔의 반격도 주목된다. 지난해 말 인텔은 자체 설정한 목표를 달성하며, 새로운 공정을 도입하기 위해 노력하는 것으로 알려졌다. 인텔은 7나노 공정 반도체를 생산하지만, 4나노 반도체 생산에 들어갈 준비가 돼 있으며 3나노 반도체도 내년 하반기에는 생산할 수 있다고 밝혔다.

 

앤 켈러허 인텔 부사장은 “인텔은 독자적으로 움직이지 않고 다수의 장비 공급 기업과 관계를 구축하고 있다”고 말했다. 지난해 10월 인텔은 실적 악화 등 불확실성에 대비해 대대적인 구조조정을 발표했으나, 시장을 주도하기 위한 투자를 아끼지 않겠다고 밝혔다.

 

반도체 산업 중심에 설 AI 반도체

 

메모리 반도체의 반대급부로 떠오른 AI 반도체는 반도체 산업의 확실한 대안으로 떠오르고 있다. AI 반도체란, AI의 학습, 분석, 추론 등의 서비스를 수행하기 위해 대량 연산을 목적으로 만들어진 반도체다. 가전제품의 지능화, 빅데이터의 활용 등 AI 활용 범위가 넓어지면서, AI 반도체의 역할은 점차 확대될 것으로 보인다. 이에 정부는 지난해 12월 8262억 원에 달하는 투자가 이뤄질 AI 반도체 개발 로드맵을 공개했다.

 

이를 통해 개발된 AI 반도체는 데이터 센터에 높은 비중으로 적용될 예정이다. ‘K-클라우드 추진방안’이라는 이름으로 진행될 이 프로젝트는 초고속·저전력 국산 AI 반도체를 개발하고 데이터 센터에 적용해 국내 클라우드 경쟁력을 강화하는 것이 핵심이다. 정부는 국산 AI 반도체 고도화, AI 반도체용 SW 개발, 데이터센터 및 AI서비스 실증, 산학연 협력 강화 등을 본격 추진한다.

 

특히 실증사업에서의 AI 및 클라우드 서비스는 사회·경제적 파급력과 수요가 높은 안전·보건·교육·국방 등 4개 분야 중심으로 추진한다. 이를 바탕으로 성장 가능성 높은 서버형 AI 반도체와 단말형 AI 반도체까지 확대할 계획이다.

 

여기서 주목받는 기술은 PIM(Process in Memory)다. ‘지능형 반도체’로 불리는 PIM는 저장 기능이 특화한 메모리 반도체에 연산 기능을 추가하는 기술이다. 정부는 저전력 PIM 상용화에 성공 시 2030년까지 세계 최고 수준 AI 반도체 기술력 확보를 목표로 극저전력 PIM 개발에도 나설 계획이다. 극저전력 PIM 개발에 성공한다면, 데이터 센터 및 클라우드 시장 선점도 넘볼 수 있게 된다.

 

이에 정부뿐 아니라 대기업 사이에서도 AI 반도체 개발을 위한 협력이 이어졌다. 삼성전자는 네이버와 손잡고 차세대 AI 반도체 솔루션 개발에 속도를 낸다. 양사의 목표는 AI 시스템의 데이터 병목을 해결하고 전력 효율을 극대화하는 반도체 솔루션을 개발하는 것이다.

 

삼성전자는 당사의 차세대 메모리 솔루션의 융복합으로 메모리 병목현상을 극복할 뿐 아니라 초대규모 AI 시스템에 최적화된 반도체 솔루션을 제공할 예정이다. 네이버는 ‘하이퍼클로바’를 운용하면서 학습이 완료된 초대규모 AI 모델에서 불필요한 파라미터를 제거하거나, 파라미터 간 가중치를 단순하게 조정하는 경량화 알고리즘을 차세대 반도체 솔루션에 최적화해 초대규모 AI의 성능과 효율을 극대화한다는 계획이다.

 

KT는 지난해 AI 반도체 팹리스인 리벨리온과 손을 잡고 AI 반도체 경쟁력을 갖췄다. 리벨리온에 300억 규모의 투자를 진행한 KT는 AI 반도체 분야에 본격적으로 진입해 디지코 성장을 가속화하고 미래 사업 기회를 확보하겠다고 밝혔다.

 

KT는 국내 스타트업과 협력함으로써 외산 GPU 의존도를 극복함과 동시에 중장기 AI 역량을 확보할 것으로 보인다. 지난해 KT 클라우드가 출시한 세계 최초 종량제 GPU 서비스인 ‘하이퍼스케일 AI 컴퓨팅’에 CUDA를 지원하는 자체 AI 프레임워크 적용에 성공했으며, 엔비디아 외의 타 반도체 회사의 GPU 등에도 동일한 개발 환경이 제공되도록 지원했다.

 

KT 주도의 협업으로 개발될 AI 반도체는 AI 알고리즘에 최적화한 NPU로 복잡한 알고리즘에서도 뛰어난 성능을 보일 뿐 아니라, GPU 대비 3배 넘는 에너지 효율과 저렴한 도입비용을 제공한다. KT는 앞으로 데이터 센터, 자율주행 등 다수 영역에서 수요가 증가할 NPU 시장을 개척하고 선점하겠다고 밝혔다.

 

사피온 역시 유력한 AI 반도체 개발 기업이다. 사피온은 AI 반도체 원천기술인 NPU를 하드웨어에서 소프트웨어까지 100% 내부 기술로 개발했으며, AI 반도체 중에서도 가장 규모 큰 데이터 센터 추론 서비스 반도체 시장과 자율주행 반도체 시장 공략을 강화하고 있다. 사피온은 실리콘밸리의 중심부인 미국 캘리포니아주 샌타클래라에 미국법인 ‘사피온 Inc.’을 설립해 글로벌 시장 진출의 교두보를 마련했으며, 글로벌 인재 채용을 통해 기술력 향상의 기반을 마련하는데 주력하고 있다.

 

지난해 말 사피온은 첫 번째 상용 AI 반도체인 ‘X220’을 출시했으며, 향후X330, X340, X350 등의 상용화를 준비하고 있다. 또한, AI 반도체 칩을 기반으로 AI 알고리즘, API 등 소프트웨어에 이르기까지 통합 솔루션을 제공하는 전략으로 세계 시장을 공력하고 있다.

 

전문가가 예상한 올해 반도체 기술 전망은?

 

트렌드포스는 앞서 올해 주목해야 할 반도체 기술을 몇 가지 선정했다. 먼저, 트렌드포스는 올해가 파운드리 공정의 성숙 및 전환기가 될 것으로 예측했다. 2023년에는 TSMC 3nm 공정이 PC CPU와 스마트폰 SoC에 적용된다. 삼성전자는 3nm부터 GAFET 기반 MBCFET 아키텍처를 도입해 2022년부터 양산하고 있다. 2023년에는 스마트폰 SoC 양산을 목표로 2세대 3nm 공정에 집중할 것으로 보인다.

 

양사는 3nm 양산 초기 고성능 컴퓨팅과 스마트폰 플랫폼에 집중해 성능 향상, 전력 소비 절감, 칩 면적 축소 등의 요구사항을 충족시켰다. 한편, 28nm 이상 공정의 경우, HV, 아날로그, 혼합 신호, eNVM, BCD, RF 등의 기술 플랫폼이 개발될 것으로 보인다.

 

이들은 스마트폰, 가전제품, 고성능 컴퓨팅, 자동차, 산업용 컴퓨팅 분야에서 필요한 전력관리 IC, 드라이버 IC, MCU, RF 등 주변기기를 전문적으로 생산하기 위해 사용된다. 5G, 고성능 컴퓨팅, 친환경차, 자동차 전자제품 등 특수 반도체 부품 소비 증가 추세에 따라 다양한 전문 공정 지원에 의존해 다양한 목적을 달성할 것으로 보인다.

 

차량용 반도체의 성장도 빼놓을 수 없다. IDM은 다양한 ECU를 선택하며, 기존의 분산 아키텍처에서 점차 도메인 제어 유닛(DCU) 및 존 제어 유닛(ZCU) 아키텍처로 발전하고 있다. 팹리스의 경우 차량용 고성능 컴퓨팅 분야에 계속 주력하며, 자율주행 컴퓨팅을 위한 텔레매틱스 시스템과 SoC를 개발하고 있다. 자동차 기능이 복잡해짐에 따라, 32비트 MCU형 ECU는 시장에서 주류가 됐다. 2023년에는 시장가치가 74억 달러에 달해 보급률이 60%를 넘어 28nm 이하 공정으로 발전할 것으로 보인다.

 

또한, 자율주행차는 고성능 컴퓨팅 AI SoC를 필요로 하며, 컴퓨팅 파워가 1000TOPS에 이르는 5nm 이하 공정을 향해 발전하며, MCU와 함께 자동차 산업의 발전을 가속화할 것으로 보인다. 한편, SiC 및 GaN 전력 부품은 800V 자동차용 전기 드라이브 시스템, 고전압 DC 충전 파일, 고효율 그린 데이터 센터의 급속한 상승으로 빠르게 발전하고 있다.

 

트렌드포스는 2022년부터 2026년까지 SiC와 GaN 전력 소자 시장의 복합 연간 성장률이 각각 35%, 61%에 이를 것으로 전망했다. 전기차 급속 충전과 동적 성능 개선 요구가 높아짐에 따라, 기업들은 메인 인버터에 SiC 기술을 도입할 것으로 예상된다. 이 중 신뢰성과 고성능, 저비용 SiC MOSFET가 핵심으로 떠오르고 있다.

 

메모리 반도체에서는 D램이 새롭게 정의되고 200 이상의 낸드플래시 개발이 가속화할 것으로 보인다. 서버 시스템의 RDIMM 슬롯 수는 한정돼 있기에 CXL을 사용하면 고속 컴퓨팅을 실행할 때 디바이스 전체가 이 제한을 회피하고 시스템에서 사용되는 D램을 늘릴 수 있다.

 

2023년에는 인텔 사파이어 래피즈, AMD 제노바 등 서버 CPU가 CXL 1.0을 지원하는 것은 물론 D램 모듈에도 DDR5가 탑재된다. 또한, AI 및 ML을 효과적으로 실행하기 위해 특정 서버 GPU에는 차세대 HBM3 사양이 도입될 예정이다.

 

이에 2023년에는 새로운 메모리가 점차 조직화해 시장 점유율을 늘릴 것으로 보인다. 낸드플래시의 경우 2023년에는 적층 수가 가속화할 것으로 보인다. SSD 전송 인터페이스 측면에서는 2023년 인텔 사파이어 래피즈와 AMD 제노바 양산을 계기로 기업용 SSD가 PCIe 5.0 전송을 지원하도록 업그레이드되고, 전송 속도 다지관을 32GT/s로 높여 AI/ML 등 고속 컴퓨팅 요구에 활용하도록 하며, 평균 용량 증가에도 기여한다.

 

헬로티 서재창 기자 |