TSMC(TSM) :: 반도체 시장의 세 가지 흐름

삼성전자 :: 십만전자

 

1. 웨이퍼 제조 → 2. 회로 설계 → 3. 웨이퍼 가공 → 4. 검사 → 5. 패키징

 

반도체 제작 공정에는 크게 5단계가 있습니다. 삼성전자와 같이 반도체 설계부터 제작 전 공정을 수행할 수 있는 기업을 종합 반도체 기업이라고 할 수 있으며, 생산설비 없이 설계에 주력하는 업체를 '팹리스(Fabless)' 기업이라 합니다.

 

그리고 설계도면에 따라 웨이퍼를 가공하는 '파운드리(Foundry)', 그리고 검사와 패키징을 도맡아 하는 '패키징' 업체로 구분할 수 있습니다.

 

그리고 나노 공정을 가능하게 하는 수많은 '장비 업체'들과 공정에 필요한 가스, 화학물, 기구 등을 생산하는 '소재 업체'들이 톱니바퀴처럼 맞물려 반도체 산업을 굴러가게 합니다.

 

 

TSMC(TSM)

 

 

하나의 칩이 만들어지기까지 수많은 인력과 시간이 필요한데요 문제는 칩이 고도화되면서 공정과 설계가 너무 복잡해지고 이를 따라잡으려면 투자비용이 천문학적으로 필요하다는데 있습니다.

 

그래서 설계부터 생산까지 하려면 그 진입장벽이 어마어마하게 높을뿐더러 유지하는 것조차 쉽지 않은일이 되었습니다. 시스템 반도체 중에선 cpu 시장 점유율 1위를 지키고 있는 인텔이 대표적인 종합 반도체 기업입니다.

 

삼성전자, SK하이닉스, 마이크론은 설계부터 생산까지 할 수 있지만 시스템 반도체에 비해 설계가 단순한 메모리 반도체를 주력제품으로 해왔었습니다.

 

 

TSMC(TSM)

 

 

팹리스(Fabless) : 생산설비 없이 설계에 주력하는 업체

파운드리(Foundry) : 설계도면에 따라 웨이퍼를 가공하는 업체 

 

 

대신 반도체를 만들어줄 공장이 있다면 투자에 리스크를 줄이고 설계에 집중할 수 있겠죠. 대만의 TSMC(TSM) 창업자는 이러한 니즈를 읽고 반도체 생산만 전문으로하는 파운드리를 만들어 사업을 키워왔습니다.

 

5G, IoT 시대가 다가오면서 반도체에 대한 수요가 늘고 있고, 그 과정에서 '팹리스(fabless)'-'파운드리'-'디자인하우스'는 서로 협업하며 경쟁력을 갖추는 생태계를 구축하고 발전하고 있습니다. 

 

 

TSMC(TSM)

 

1. 반도체 시장의 흐름 :: 반도체 오픈 IP (RISC V)

 

 

반도체 IP시장의 큰 흐름입니다. arm과 같은 기업이 코어를 개발하며 ip를 제공하고 설계 단계와 제조 등 분업 비즈니스가 성장하였습니다. 개발비용과 기간이 줄어둘 수 있자 과거에 비해 다양한 반도체가 시장에 나올 수 있었습니다. 

 

하지만 arm의 ip는 비싸고 설계 수정에 대해 유연하지 못한 점이 있는데요 이때 2015년 리스크파이브가 출범합니다. 리스크 파이브는 반도체 설계 역사에 게임 체인저가 될 것이라고 생각하는데요

 

리스크 파이브는 반도체 ip를 가진 회사들이 오픈소스로 IP를 제공합니다. 물론 최신 기술은 아닙니다. 하지만 오픈소스는 무료로 누구나 이용이 가능하며 수정이 가능합니다.

 

 

TSMC(TSM)

 

 

ppt로 비유하면 기본 템플릿을 쓸 수 있는 거에요. 리스크 파이브는 반도체 설계 장벽을 낮추고 기술이 발전할 수 있도록 도와주었습니다. 이미 수많은 기업들이 가입되어 있고 설계들이 오픈 소스로 제공되고 있습니다.

 

이 오픈소스를 기반으로 삼성, 엔비디아, 화웨이, 바이두, 아마존, 구글 등 이 반도체설계를 활용하여 칩을 만들기 시작했는데요 반도체 설계가 쉬워지고 개발 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.

 

이에 arm도 새로운 전략을 구사하기 시작했는데요 중소 개발사에 ip를 오픈하고 칩 양산시 그에 대한 로열티를 받는 비즈니스 모델을 확대하고 있습니다. 앞으로 더 다양한 기업들이 생겨나 설계조합을 만들어내지 않을까요?

 

 

TSMC(TSM)

 

2. 반도체 시장의 흐름 :: 디자인 하우스 (TSMC, 삼성)

 

두번째 큰 흐름은 디자인 하우스의 역할 확대입니다. 회로 설계를 마치면 반도체 공정을 위한 레이아웃 설계가 되어야 하는데요 레이아웃은 공정과 밀접한 만큼 소프트 ip는 물론 하드 ip까지 잘 다룰 수 있어야 합니다.

 

이 레이아웃 설계를 전문으로 하는 기업을 디자인 하우스라고 합니다. 여기서 디자인하우스와 파운드리의 관계를 보겠습니다.

 

 

 

팹리스(Fabless) : 생산설비 없이 설계에 주력하는 업체

파운드리(Foundry) : 설계도면에 따라 웨이퍼를 가공하는 업체 

 

 

일반적으로 파운드리 업체가 팹리스 고객으로부터 물량을 수주할 시 파운드리 업체가 디자인 하우스에게 일을 줍니다. 디자인하우스는 해당 파운드리사의 공정에 최적화된 레이아웃 설계와 검증을 주로하는데요.

 

파운드리 시장 점유율 1위인 TSMC의 경우 디자인 하우스들을 중요 파트너사로 선정하여 TSMC 생태계를  만들어 고객들에게 전문적이고 빠른 솔루션을 제공하며 경쟁력을 키워왔습니다.

 

이 생태계에 있는 디자인 하우스의 경우 TSMC의 최신 공정기술을 빠르게 적용하며 노하우를 쌓아갑니다. 대만의 GUC가 대표적인데요 TSMC의 주요 VCA(Value Chain Aggregator)로서 개발자만 700명이 넘습니다.

 

(참고로 우리나라 디자인 하우스 인력은 약 600여명 정도 된다고 합니다.)

 

 

TSMC(TSM)

 

 

그리고 다양한 설계 프로젝트와 TSMC의 최신공정을 반영해오면서 시스템 반도체 설계에 대한 경쟁력을 키워왔습니다. 디자인하우스들의 경쟁력이 강화되면서 단순 레이아웃 설계 뿐만 아니라

 

서비스 범위를 확대하고 파운드리와 테스팅까지 연결해 완성품을 고객에게 납품하는 턴키 서비스를 제공하고 있는데요 고객사 입장에서는 RTL설계만 있으면 제품이 나올 수 있고 디자인, 제작, 테스트 등 각 단계에 대한 관리가 줄어 좀 더 손 쉬운 방법이라고 할 수 있습니다.

 

 

TSMC(TSM)

 

 

고객이 디자인하우스에 턴키로 주문하는 경우에는 디자인 하우스에게는 파운드리 선택권이 주어집니다.(물론 파운드리에 가겠죠) 이처럼 디자인하우스와 파운드리는 긴밀한 관계를 유지합니다.

 

향후에 팹리스 업체와 반도체의 종류가 다양해지면서 디자인 하우스의 역량이 밸류체인 내에서 더욱 더 중요해질 예정입니다. 반도체 산업이 발전하기 위해서는 다양한 설계와 디자인 하우스, 파운드리가 같이 성장해야겠죠.

 

 

 

삼성전자도 파운드리 사업을 키우면서 TSMC 오픈이노베이션 플랫폼처럼 SAFE 에코 시스템을 구축해오고 있는데요 디자인하우스의 역량이 중요해지는 만큼 국내 디자인하우스들이 인력 확보를 위해서 M&A 등으로 덩치를 키우는 추세입니다.

 

 

TSMC(TSM)

 

 

3. 반도체 시장의 흐름 :: 패키징 솔루션 (TSMC)

 

 

마지막으로 세번째 흐름입니다. 파운드리 업체는 그동안 미세공정을 위해서 막대한 장비투자를 지속적으로 해왔습니다. 특히 삼성전자는 공격적인 투자로 단기간에 시장점유율 2위에 오를 수 있었는데요

 

하지만 EUV 도입 이후공정에 대해서는 기술한계론이 나오고 있습니다. 더 작은 회로를 만들 수 없다면 점점 더 고성능의 작은 반도체를 원하는 시장에서 반도체 메이커들은 어떤 솔루션을 제공할 수 있을까요?

 

 

TSMC(TSM)

 

 

바로 패키징 솔루션입니다. 이 기판 위 배치가 효율적으로 될수록 반응속도가 빠르고 전자제품의 크기가 작아질 수 있는데요 그렇다면 패키징 솔루션으로 더 작고 더 빠른 반도체를 만들 수 있지 않을까요?

 

패키지는 반도체를 포장하는 작업입니다. 칩이 신호를 주고 받을 수 있도록 연결을 하고 외부로부터 보호를 하는데요 과거 칩을 와이어 본딩에서 솔더볼 본딩 방식으로 교체를하면서(본드칠 하는 것처럼) 패키징 면적을 줄여왔었습니다.

 

덕분에 칩은 더 얇아졌지만 여전히 칩을 나란히 놓는 방식은 면적을 많이 차지하는데요. 이젠 칩과 칩을 쌓아 패키징해 면적을 줄이고 있습니다.

 

 

 

TSMC(TSM)

 

그런데 지금까지 이걸 패키징 업체에서 개발을 하려고 애써왔다면 앞으로의 패키징 기술은 웨이퍼 단위에서 패키징을 하는 것이라서 반도체 설계 단계부터 패키징을 염두에 두고 진행을 해야 합니다.

 

이 기술은 웨이퍼를 가공하는 만큼 파운드리사에서 주도적으로 기술 개발을 이끌어왔습니다. TSMC는 2016년 웨이퍼 레벨의 패키징 솔루션을 선보이며 당시 삼성전자 파운드리에서 생산하던 애플의 AP물량을 전부 뺏어올 수 있었습니다.

 

고객입장에서는 더 얇고 적은 면적을 차지하는 패키징을 할 수 있다면 그런 솔루션을 제공하는 회사에 생산을 맡기지 않을까요?

 

 

 

반도체는 산업규모가 크고 여러 기업 그리고 국가까지 이해관계가 다양하기 때문에 이슈가 무수히 많지만 그 중에 미래반도체 생태계에 영향을 미칠 세가지 이슈를 이야기 해보았습니다.

 

오늘 준비한 반도체 이야기는 여기까지 입니다. 감사합니다.