세계 반도체 생산의 미래
증가하는 수요를 충족시키기 위한 반도체 생산 시설 건설
산업에서의 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 활용률로 인해 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.
코로나 이후의 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
새로운 3D 칩 아키텍처 훨씬 더 작은 칩 크기
오늘날 생산되는 대부분의 현대 칩은 10nm 이하의 크기를 가지고 있다. 그러나 현재 시험 생산에 사용되는 칩의 물리적 한계는 3nm이다. 양산은 2022년에 시작될 것으로 예상된다. 더 작고 더 강력한 칩을 생산하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 나노스케일 수준에서 원자 구조의 물리적 한계를 고려할 때, 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. 나노 기술 분야의 신소재에 대한 수년간의 연구 끝에 해결책은 새로운 3차원(3D) 나노 전자 아키텍처일 수 있다.
예를 들어, IBM은 칩 성능과 에너지 효율이 향상된 최초의 2nm 칩을 발표했다. 이 새로운 이정표는 칩에 수직으로 트랜지스터를 적층한 3D 설계를 기반으로 한다. TSMC는 국립 대만 대학(NTU) 및 MIT(Massachusetts Institute of Technology)와 협력하여 1nm 칩을 성공적으로 연구했다고 주장한다. 비록 이것들이 중요한 연구 이정표이지만, 새로운 노드가 산업 규모로 제조될 수 있기까지는 몇 년이 걸릴 수 있다.
신소재 발굴: 포스트 실리콘 시대의 나노전자
신세대 반도체의 또 다른 방향은 실리콘을 대체하는 것이다. 실리콘 카바이드 등 원자 수준의 새로운 2차원(2D) 소재와 반도체 생산 재료로 신세대 나노스케일 소재(일명 Xenes)를 찾는 작업이 이미 시작됐다. 그러나 2D 재료의 높은 저항과 낮은 전류 강도와 같은 실현 가능성 문제는 여전히 극복되어야 한다. 탄소나노튜브(CNT) 형태의 새로운 용액들이 현재 시험되고 있다. 이것은 현대의 3D 시스템 온 칩 설계를 가진 논리 칩을 위한 새로운 아키텍처로 이어질 수 있다. 이는 2030년 이후 더욱 강력한 반도체에 또 다른 길을 열어줄 것이다.
