새로운 반도체 기술이 중국을 어떻게 도울 수 있을까?

AI 패권경쟁과 사이버 보안 및 방위 기술 개발에 직접적인 영향을 미치는 중국의 반도체 기술 성장을 견제하려는 미국의 노력은 2018년 중국 칩 제조업체 푸젠진화집적회로(JHICC)의 미국 공급업체를 차단한 첫 번째 제재로 거슬러 올라갈 수 있다. 그러나 중국 기업이 첨단 반도체를 획득하거나 동맹국에서 제조하거나 국내에서 이를 생산하기 위한 장비, 소프트웨어 및 부품을 확보하는 것을 차단하는 포괄적인 무역 통제가 실제로 시작된 건 2020년부터다.

반도체 기술 경쟁, '소형화'에서 다른 영역으로 바뀔 수 있어
4년이 지난 지금, 이 조치에 대한 반응과 성공 정도는 엇갈리고 있습니다. 새로운 조치의 시행은 2023년 10월 미국 상무부 산업안보국(BIS)이 발표한 최신 수출 규제와 함께 여전히 계속되고 있다. 가장 최근의 규정은 제재 범위를 실제로 확대한 게 아니라 어떤 반도체가 제한 대상에 해당하는지 판단하는 기준을 조정하고, 제조 장비 유형과 중국 법인을 목록에 추가하는 등 기존 프레임워크의 공백을 메우는 데 초점을 맞췄다.


제재 실효성 문제의 핵심은 이해관계의 불일치다. 미국 행정부는 이 문제를 강대국 경쟁과 패권국 지위 유지라는 맥락에서 바라보고 있다. 동맹국이라 하더라도 다른 정부들은 중국의 기술 발전과 이와 관련된 위험 문제를 덜 시급한 것으로 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고 동맹국들은 대부분 미국의 접근 방식을 따르는 것으로 결정했다. 2023년 7월 일본은 일본 기업이 강점을 가진 반도체 제조 장비에 대한 수출 규제를 도입했다. 주요 반도체 장비 제조업체인 ASML 본사가 있는 네덜란드는 9월에 수출 통제 조치를 강화했고, 2019년부터 최첨단 극자외선(EUV) 장비의 중국 판매를 금지했다.

반도체 산업에 종사하는 기업들은 분명히 이익을 지향한다. 중국은 이들 중 많은 기업에게 가장 큰 시장이었으며 지금도 마찬가지다. 경영진들은 중국으로의 판매를 제한함으로써 정부가 기업의 성장을 제한해 기술 경쟁에서 중국보다 경쟁 우위를 유지하는 데 필요한 R&D 예산을 줄이게 된다고 주장한다. 시가총액 기준 최대 반도체 회사이자 AI 애플리케이션용 반도체의 주요 공급업체인 엔비디아의 CEO 젠슨 황은 미국 내 팹(Fab, 생산라인) 건설을 장려하기 위한 바이든 행정부의 520억 달러 규모지원책을 언급하며 미국의 제재가 "'반도체법(Chips Act)을 억누른다"고 주장했다. 젠슨은 새로운 팹이 건설되고 중국 시장에 대한 접근이 더욱 제한되면 엄청난 과잉 생산이 우려된다고 말했다.

흥미롭게도 반도체 산업은 점점 더 기술적 변곡점에 다가가고 있는 것 같다. 지금까지는 반도체 소형화가 기술 변화를 주도했다. 단일 반도체의 트랜지스터 수가 최소한의 비용 상승으로 2년마다 두배 씩 증가한다는 무어의 법칙을 어느 정도 따르고 있는 셈이다.


프로세서 반도체의 트랜지스터 사이 폭으로 측정되고, 나노미터(nm)로 표시되는 미세화는 반도체에서 중국에 대한 기술 우위를 유지하기 위한 전쟁의 진원지가 됐다. 제재가 도입된 2018년 당시 중국의 최첨단 반도체는 28~14nm 사이였고, 세계 선두주자인 대만의 TSMC는 7nm였다. 따라서 나노미터 단위로 보면 중국에 대해 최소 두 배 이상 우위에 있었다. 지난 몇 년 동안 대략 평균적으로 TSMC는 2년마다 2nm씩 향상했다. 이러한 관점에서 볼 때 2018년에는 서구와 중국 간의 격차가 약 10년 정도였다. 이 차이는 어떻게든 좁혀졌다. 이제 중국은 7nm, TSMC는 3nm다. 당연히 더 작아질수록 상대적으로 또다른 나노미터를 끼워 넣는 건 더 어려워진다. TSMC는 3nm에 도달한 지 3년 후인 2025년에 2nm에 도달할 것으로 예상된다. 그러나 업계에서는 8년 후인 2032년에야 1nm에 도달할 것으로 예상한다.

기술적인 세부 사항을 너무 자세히 다루지 않더라도 몇 가지 확실한 것은 있다. 미세화가 진행될수록 공정 개발에는 더 많은 자본이 투입되고 더 오랜 시간이 소요된다. 첫 번째 주자가 느리게 달리기 시작하면 두 번째 주자인 중국이 따라잡을 수 있는 기회가 더 많아진다고 단순화할 수 있다. 또 다른 고려 사항은 기술 노드 측면에서 소형화가 곧 물리적 한계에 직면할 수 있다는 것이다.

반도체 패키징, 칩렛, 오픈소스 반도체 설계…'새로운 반도체 전쟁터' 되나 물론 이것이 반도체 혁신이 멈춘다는 걸 의미하지는 않습니다. 하지만 경쟁의 판도가 다른 영역으로 바뀔 수 있다. 중국이 따라잡을 수 있는 더 많은 기회가 열릴 수 있다. 단기 및 중기적으로는 적어도 3가지 이상의 기술이 있다. 장기적으로는 양자 컴퓨팅이 될 수도 있지만, 거기까지 가고 싶지 않고 더 전통적인 솔루션에 머물고 싶다. 새로운 반도체 패키징 방법, 칩렛(chiplet)의 중요성 증대, 오픈 소스 반도체 설계 청사진 RISC-V의 개발 등이 그것이다.

패키징은 오랫동안 테스트와 함께 반도체 공급망에서 가장 흥미롭지 않고, 가장 혁신적이지 않으며, 가장 비밀스럽고, 가장 부가가치가 낮은 부분으로 취급돼 왔다. 그러나 매우 노동 집약적이다. 따라서 반도체 제조 선도업체들의 오랜 패키징 설비는 중국 등 인건비가 저렴한 신흥 시장에 배치돼 왔다. 그러나 첨단 패키징 방법이 반도체에 더 많은 컴퓨팅 성능을 담을 수 있는 열쇠가 될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 쉽게 말해 첨단 패키징은 매우 비싼 땅 위에 높은 고층 건물을 짓는 것과 같다. 칩을 서로 다른 크기로 쌓아 올리면 같은 공간에 더 많은 컴퓨팅 성능을 집어넣을 수 있다. 물론 이 과정은 쉽지 않고 열 방출 문제와 같은 새로운 문제가 발생한다. 일반적으로 첨단 패키징 공정의 정교함과 표준 패키징 방법과의 차이점을 간과해서는 안 된다. 그럼에도 이 분야에서는 중국의 패키징 산업 경험을 고려할 때 중국이 선도자들과 경쟁하기 더 쉽다. 고급 패키징은 EUV 리소그래피에 비해 상대적으로 기술적으로 덜 복잡하기 때문이다.

중국의 발전을 촉진할 수 있는 또 다른 신기술은 칩렛이다. 칩렛은 현대의 복잡한 반도체와 달리 일부 기능만 갖춘 작은 반도체로 설명할 수 있다. 칩렛은 레고 블록처럼 모듈화돼 있다는 점이 차별화 포인트다. 특정 애플리케이션을 위해 더 효율적인 단일 집적 회로를 구축하기 위해 혼합 및 조합할 수 있다. 이는 예를 들어 AI 모델에 매우 유용하다. 칩렛을 사용하면 처리 장치, AI 가속기, 메모리를 하나의 칩에 모두 넣을 수 있을 정도로 가깝게 이동할 수 있다. 이를 통해 처리 속도를 크게 높이고 에너지를 절약할 수 있다. 다시 말하지만, 칩렛을 향한 업계의 움직임은 중국에게 희소식이다. 중국 기업들은 덜 발전된 반도체를 하나의 강력한 반도체로 연결함으로써 제재를 피할 수 있기 때문이다.

의도치 않게 중국이 서구와의 경쟁에서 우위를 점할 수 있게 해준 세 번째 기술은 RISC-V입니다. 반도체와 통신하기 위한 일련의 지침 또는 청사진이라고 할 수 있다. 반도체는 파이썬이나 자바 같은 프로그래밍 언어를 직접 이해하지 못한다. 장황한 명령어를 01 코드로 번역해야 한다. 시중에 나와 있는 상용 명령어 세트에는 인텔과 AMD에서 사용하는 x86과 ARM의 두 가지 유형이 있다. 그러나 이러한 청사진을 사용하려면 반도체 설계자는 소유자에게 비싼 비용을 지불해야 한다. 여기에 2010년부터 열성적인 애호가들에 의해 개발된 오픈 소스 명령어 세트인 RISC-V가 등장해 공동의 노력으로 점점 더 뛰어난 기능을 선보이고 있다. 라이선스 비용을 지불하지 않고도 RISC-V 라이브러리에 접근할 수 있는 반도체 설계 스타트업의 경쟁 환경을 조성하는 게 주요 판매 포인트다. 그러나 또한 중국에 대한 x86 또는 ARM 블루프린트의 라이선스가 엄격히 통제되는 반면, RISC-V는 중국 개발자를 포함한 모든 사람이 접근할 수 있다는 걸 의미한다. 사실 RISC-V는 비영리 단체로서 이미 한동안 이 점에 대한 비판에 직면했고, 정치적 압력을 피하기 위해 본사를 미국에서 보다 중립적인 스위스로 이전해야 했다.

RISC-V는 정교함 면에서 상업적 청사진에 근접하지 못한다. 또 가장 진보된 ARM 또는 x86 라이브러리만 중국으로 수출이 통제되고 있다. 하지만 중국은 그 잠재력을 보고 있다. 로이터 통신에 따르면 인민해방군은 이미 설계에 RISC-V를 사용했다고 한다. 또한 중국은 RISC-V를 기반으로 한 반도체 제조의 선두에 서 있으며, 이미 약 5억 개의 반도체를 이 기술에 기반해 출하하고 있다.

새로운 기술들은 새로운 전쟁터를 보여준다. 중국의 기존 역량과 혁신의 분산된 특성이 더 많은 이점을 제공할 수 있는 전쟁터다. 경쟁은 아직 끝나지 않았으며 미국과 동맹국들이 채택하는 전략은 변화하고 있는 반도체 산업의 지형에 따라 진화해야 한다.

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