수요 증가를 위한 반도체 생산시설 구축
반도체 산업의 투자 지출은 매우 주기적이다. 1998년부터 2021년까지 연간 자본비용과 매출의 상관관계는 0.85이다. 그래서 간단히 말해서, 업계는 매출이 증가할 때 더 많이 투자한다. 언뜻 보기에 자본 지출을 원활하게 하는 것은 변동성을 줄이고 적어도 장기적으로 수익성이 있어야 한다. 하지만, 팹을 짓는 것은 매우 자본 집약적이다. 게다가, 매출액 대비 자본세 비율은 구조적으로 하락 추세이다. 1990년대 말에는 그 비율이 7이었는데, 오늘날에는 4 아래로 떨어졌다. 그만큼 투자 리스크가 높아지고 있다는 의미다. 2021년에 업계는 거의 1,400억 달러를 투자하여 사상 최고치를 기록했으며 2020년에 비해 약 36%, 2019년에 비해 약 49%의 플러스를 기록했다. 2022년에는 지난 몇 달 동안의 많은 발표가 2021년 수준 또는 그 이상에 가까운 투자 지출을 다시 끌어올릴 것이다. 현재의 투자 사이클은 팹의 매우 높은 용량 활용에 의해 촉발되었다. 일반적인 전체 글로벌 팹 용량 활용률은 약 80% 다. 2019년 이후 이용률이 95%까지 올랐다. 월 최대 260만 웨이퍼의 총 생산능력을 갖춘 최소 29개 팹이 2021년과 2022년 착공될 예정이다. 이를 통해 2020년 반도체 산업 총생산능력 월 2080만 웨이퍼 대비 13% 공급이 확대된다. 그러나 주요 병목현상은 새로운 팹을 위한 장비와 도구다. 반도체 업체들은 착공 후 최대 2년이 소요돼 2023년부터 장비 설치를 시작할 것으로 예상된다. 따라서 용량 확장은 최대 2024년까지 소요될 수 있다. 새로운 팹의 수는 훨씬 더 증가할 것 같다. 아래에 나타낸 것과 같이, 다른 지역에서 전략 칩 산업의 보조적 개발에 대한 인센티브를 창출하는 새로운 정부 이니셔티브는 과잉 생산으로 이어지는 잘못된 할당의 위험을 수반한다. 세계 팹 예측 보고서(SEMI 2021)는 2022년에 건설을 시작할 수 있는 8개의 저확률 프로젝트를 추적한다.
포스트 코로나 반도체 공급망을 보다 탄력적으로 만드는 방법
반도체 공급망의 취약하고 휘발성 있는 특성을 보완하기 위한 몇 가지 조치가 있다. 예를 들어, 정교한 예측 알고리듬은 순환 효과가 지속됨에 따라 제한된 성공으로 불휘프 수준을 줄이기 위해 배치되었다. 또 다른 접근 방식은 공급망 위험을 완화하기 위한 수직적 통합이다. 반도체 산업의 매우 복잡한 설계 및 생산 공정은 또한 수년에 걸친 연구에 대한 장기적이고 꾸준한 투자로 인해 탄력성과 높은 수익성을 유지하고 있다.
편향: 차세대 반도체
더 작은 칩 크기를 지원하는 새로운 3D 칩 아키텍처
오늘날 생산되는 대부분의 현대 칩은 크기가 10nm 이하다. 그러나 현재 시험 생산에 사용되는 칩의 물리적 한계는 3nm 다. 양산은 2022년에 시작될 것으로 예상된다. 더 작고 더 강력한 칩을 생산하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. a에서 원자 구조의 물리적 한계를 고려할 때 나노스케일 레벨, 새로운 노드를 만드는 것은 매우 복잡하다. 나노미터 차원에서 반도체를 설계·제조할 때 서로 다른 초박막 소재 간의 상호작용과 전자기 효과를 통한 간섭을 반드시 챙겨야 한다. 해결책은 새로운 3차원(3D) 나노 전자 아키텍처일 수 있다. 새로운 것에 대한 몇 년간의 연구 후에 나노 기술 분야의 재료들, 새로운 응용 프로그램들이 지금 제시되고 있다. 그 예로,
— IBM은 칩 성능과 에너지 효율이 향상된 최초의 2nm 칩 18개를 발표했다. 이 새로운 이정표는 칩에 트랜지스터를 수직으로 적층한 3D 설계를 기반으로 한다.
— TSMC는 국립 대만 대학(NTU)과 매사추세츠 공과대학교(MIT)와 협력하여 1nm 칩을 성공적으로 연구했다고 주장한다.
비록 이것들이 중요한 연구 이정표이지만, 새로운 노드가 산업 규모로 제조될 수 있기까지는 몇 년이 걸릴 수 있다.
