반도체 및 컴퓨터 산업 구조 조사

업데이트: February 05, 2022

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컴퓨터

메인보드
중앙처리장치(CPU)
- CPU는 프로그램을 구체적으로 작동시키는 역할을 한다.
- CPU는 보조기억장치에 직접 접근할 수 없다.
- 오직 주기억 장치하고만 소통을 한다.
주기억장치(RAM : Random-Access Memory)
- CPU가 실행시킬 프로그램들을 저장하는공간
- 보조기억장치에서 주기억장치로 프로그램을 복사해서 온다.
보조기억장치(SSD or HDD)
그래픽카드 : GPU는 그래픽카드 안에 들어있는 CPU이다.
전원 공급장치

CPU

기억, 해석, 연산, 제어라는 매우 중요한 역할들을 도맡는, 컴퓨터의 대뇌라고 할 정도로 매우 중요한 부분 중 하나다. 프로그램의 명령어를 해석하여 데이터를 연산/처리를 하고 그렇게 돌아가도록 제어해주는 부분, 혹은 그 기능을 내장한 칩을 의미한다. 컴퓨터가 동작하는 데 필요한 모든 계산을 처리하며 컴퓨터를 뇌에 비유하자면 단기기억 담당은 RAM, 장기기억은 하드디스크와 SSD, CPU는 사고를 담당하는 대뇌피질 정도로 볼 수 있겠다. 대뇌피질 없이 인간의 사고가 성립하지 않듯이 컴퓨터도 CPU 없이는 아무런 기능도 하지 못하는 고철일 뿐이다.

즉, 클럭 속도, IPC, 코어 수에 따라 CPU 성능이 결정된다. 부차적으로 성능 향상을 위한 코어당 양방향 SMT[6] 외에도 다양한 기술 및 명령어, 그리고 성능 면 이외에도 미세 공정에 따른 발열 감소, 전력 소모 절감 등도 고려할 수 있다.

참고문헌: 나무위키(CPU)
노예가 얼마나 일을 빠르게 하는지가 클럭입니다. i3, i5 ,i7 혹은 라이젠3, 라이젠5, 라이젠7 이게 바로 클럭을 나타냅니다. 숫자가 높을수록 일처리가 빠른것이며, i는 인텔에서 라이젠은 amd에서 만든 CPU입니다.
노예 집합소
- 코어의 수 : 부리고 싶은 노예의 수
i3 : 노예가 세 명인데 실제로 코어가 세개가 아닌 인력 많아지는 느낌. (숫자가 높아지면 인력이 많다는 의미)
i7-10900 : 10년도 생의 노예의 손이 900개가 달려 있다는 의미로 다 합쳐서 해석해 보면 7명 분의 인력을 가진 노예가 10년에 태어났고 젊고 팔팔한 손이 900개가 달려서 수확 속도도 빠르고 좋다는 의미
스레드 : 부리고 싶은 노예가 가진 손의 개수
오버클럭 : 부리는 노예가 발까지 활용해서 쌀을 수확하도록 만들지만 무리하는 만큼 건강에 무리가 갈 수 있음
캐시 메모리 : 노예가 짊어지고 있는 백팩으로 이게 무거워지면 그만큼 움직임이 불편하게 된다는 의미

관련 기업: 인텔(i-시리즈), amd(라이젠 시리즈)
- AMD CPU 시장 점유율이 14년 만에 최고치를 기록(PassMark): 데스크톱 48%, 노트북 20%
AMD CPU 시장 점유율이 14년 만에 최고치를 기록(PassMark): 데스크톱 48%, 노트북 20%

램 RAM

Random Access Memory
사용자가 자유롭게 내용을 읽고 쓰고 지울 수 있는 기억장치. 컴퓨터가 켜지는 순간부터 CPU는 연산을 하고 동작에 필요한 모든 내용이 전원이 유지되는 내내 이 기억장치에 저장된다.[2] ‘주기억장치‘로 분류되며 보통 램이 많으면 한번에 많은 일을 할 수 있기에 ‘책상’에 비유되곤 한다.

메인 메모리에 주로 사용되는 RAM은 일반적으로 전원이 차단되면 내용이 지워지는 휘발성 기억 장치이다. 다만 이는 RAM마다 조금씩 차이가 있다. 예를 들어 SRAM은 전원이 차단되자마자 즉시 데이터가 지워지지만, DRAM은 전원이 차단되자마자 그 즉시 데이터가 지워지는 것은 아니며 대략 5분 정도의 시간이 걸리는데 이는 DRAM은 내부에 전류를 일시적으로 저장하는 역할을 하는 축전기가 들어가 있기 때문으로 액체 질소등으로 냉각시킬 경우 1주일 정도는 데이터가 저장 가능하다고 한다. 그러나 이 특성이 전원이 끊어진 상태에서 데이터 신뢰성이 보장 된다는 말은 아니다. 이런 특성으로 인해 속도는 느리지만 전원이 끊어져도 정보를 저장할 수 있는 자기 테이프, 플로피디스크, 하드디스크 같은 보조 기억 장치가 나오게 되었다.

조립컴퓨터 견적에서는 언제나 램다익선의 규칙으로 통한다. 램이 부족하면 확실히 체감이 되지만 용량이 남을 때는 그냥 쉬고 있는 부품이라 체감이 잘 안 되는데, 존재 이유를 알고 싶다면 컴퓨터의 다른 부품들(CPU, 메인보드등)이 어느 정도 받아준다는 가정하에 크고 아름다운 프로그램을 여러 개 켜놓고도 컴퓨터가 무리 없이 돌아가는데 도움을 주는 장치라고 생각하면 된다.

특히 배틀필드 5 같은 어느 정도 사양이 되는 게임을 플레이한다면 램이 16 GB 정도는 있어야 한다. 내장 그래픽 카드를 사용할 경우, 시스템 메모리 일부가 내장 그래픽용으로 할당되기 때문에 가용량이 더 줄어든다. 가령 4 GB인 시스템 메모리에 1 GB를 내장 그래픽용으로 할당된 시스템일 경우 이론적인 가용량은 3 GB이지만, OS 부팅 단계에서 이미 메모리에 상주된 프로세스들이 존재하므로 실제 가용량은 2 GB 내외 혹은 그 이하로 더 적다. DDR4 SDRAM과 Windows 10의 대중화 시점인 2015년 이후 기준으로 4 GB 혹은 그 이하는 무엇을 하든 성능 저하가 심하기 때문에 사양세(辭讓勢)에 들어섰고 사무용 및 웹 서핑 컴퓨터에는 8 GB, 게이밍 컴퓨터에는 16~32 GB 정도가 권장되며, 원컴방송이나 그래픽 제작 및 편집 등을 수행하는 경우이거나 RAM 누수가 심한 프로그램을 돌리는 경우에는 32 GB 이상의 램이 돈값을 할 수 있다. 물론 서버의 경우에는 정말 말 그대로 많으면 많을수록 또 크면 클수록 좋아서 그냥 남는 돈 전부 램에 투자해도 돈 값을 한다.

참고문헌: 나무위키(RAM)
노예가 창고로 수확물을 옮기기 위한 리어카. 그러므로 옥수수를 아무리 잘 따더라도 리어카 크기가 작게 될 경우 창고로 가져가기 힘들어지게 됨. 그래서 다다 익램과 같은 단어가 탄생

S램

정적 램 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

고속 SRAM은 DRAM보다 고속이므로, CPU 내부의 기억 장치(파이프라인과 프로세서 레지스터, CPU 캐시 등)와 같은 속도를 중요시하는 부분에서 많이 사용된다. 외부 캐시나 DRAM 버스트 모드 회로, 디지털 신호처리 회로 등에서도 사용된다.

저속의 저용량 SRAM은 배터리로 작동하는 백업 메모리처럼 저전력과 낮은 비용이 중요한 부분에서 많이 사용된다. SRAM은 DRAM에 비해 집적도가 낮기 때문에 (면적에 비해 저장할 수 있는 비트 수가 적다) PC의 메인 메모리와 같은 고용량의 값싼 기억 장치에는 적당하지 않다.

SRAM의 전력 소모는 클록 주파수에 많이 의존한다. 고속 SRAM은 DRAM보다 훨씬 전력 소모가 크고, 설계에 따라 최고 수 와트까지 소모할 수 있다. PC 메인보드의 CMOS 메모리 같은 곳에 사용되는 저속 SRAM은 입출력이 없는 상태에서는 수 마이크로와트 정도의 적은 전력만으로도 내용을 유지할 수 있다.
D램 시장 관련 기업

삼성전자가 메모리반도체 시장에서 세계 1위 자리를 지켰다.

21일 시장조사기관 옴디아(Omdia)에 따르면 삼성전자의 올해 3분기 D램 시장 점유율은 43.9%를 기록했다.

지난 2019년 3분기(44.4%) 이후 최고 시장 점유율을 기록하게 됐다. 삼성전자의 D램 시장 점유율은 ▲지난해 4분기 41.0% ▲올해 1분기 41.2% ▲2분기 43.2% ▲3분기 43.9% 순으로 상승세를 이어갔다.

SK하이닉스는 삼성전자에 이어 27.6%의 점유율로 2위를 나타냈다. 지난 2분기 28.2% 대비 점유율이 소폭 감소하며, 삼성전자와의 격차는 15.0%에서 16.3%로 확대됐다. 3위는 미국의 마이크론으로 22.7%를 보였다. 이어 난야 3.1%, 윈본드 1.0% 순이다.

다만 삼성전자와 SK하이닉스 등 한국 기업의 D램 시장 점유율은 올해 2분기 71.4%를 기록하며 반도체 코리아 지위를 이어갔다.

2022년 상반기 DRAM 시장, 수요 줄고 공급 늘어_올 하반기부터는 개선 전망

HDD / SSD

수확한 옥수수를 저장하는 창고
하드디스크는 저장창고입니다. 노예들이 열심히 일해서 수확한 옥수수를 저장해 놓는 곳이죠. 흔히 용량이라고 하는게 바로 하드디스크입니다. 하드디스크는 이해가 쉽습니다. 하드디스크 용량이 클수록 컴퓨터에 많은 프로그램, 문서, 영상 등을 다운받아놓을 수 있다고 생각하시면 됩니다.
우리가 현재 많이 사용하는 저장장치. 즉 HDD가 있습니다. 요즘은 HDD 보다는 SSD를 더 선호를 하죠. 물론 고가이기(용량대비) 때문에 128G SSD 1개와 2T 또는 1T HDD를 같이 많이 사용 합니다. SSD에는 OS와 설치 프로그램들을 설치 하고 HDD에는 데이터 저장용으로…
SSD는 메모리반도체 낸드플래시에 시스템반도체의 일종인 컨트롤러 등을 결합해 만든 저장장치다. 흔히 ‘하드디스크’라고 불리는 HDD(하드디스크 드라이브)보다 가격은 높지만 속도가 빨라 데이터 사용량이 급증하는 5G(5세대 통신) 시대 들어 수요가 가파르게 늘고 있다.

SSD에 밀린 HDD?…기업에선 여전히 ‘귀한 몸’

■ 1분기 PC 10대 중 6대는 SSD만 장착

SSD가 HDD를 밀어내고 PC 기본 저장장치 위치를 다졌다. 시장조사업체 트렌드포스(트렌드포커스)가 최근 공개한 1분기 PC용 저장장치 현황에 따르면 전체 출하량 중 SSD가 차지하는 비율은 60%를 넘어섰다.

PC 10대 중 6대가 SSD만 장착할 정도로 SSD 바람이 거세지만 기업용 대용량 저장장치에서는 아직 HDD가 우위에 있다. GB(기가바이트) 당 단가가 더 저렴하고 10TB 이상 데이터를 한 번에 저장할 수 있기 때문이다.

지난 4월 초부터 주목을 모은 암호화폐 치아도 대용량 HDD 판매 추이에 일정 부분 영향을 미칠 것으로 보인다. HDD의 가장 큰 단점인 느린 속도를 극복하기 위한 기업용 제품도 최근 출시됐다.

■ SSD급으로 성능 향상시키기 위한 시도도 지속

HDD는 SSD 대비 입출력 속도는 느리지만 GB당 단가는 여전히 SSD 대비 우위에 있다. QLC SSD가 데이터센터용으로 출시되고 있지만 가격은 같은 용량 HDD의 2배 이상이다. 속도를 보완할 수 있다면 HDD도 충분히 경쟁력을 갖출 수 있다.

HDD

하드디스크드라이브(Hard Disk Drive)의 약자로 컴퓨터의 정보와 문서, 자료 등을 저장하고 읽을 수 있는 장치입니다. 회전속도, 버퍼메모리가 클수록 속도가 빠르지만 성능이 평준화 되어 큰 차이는 없습니다. 고속으로 디스크를 회전시켜 저장하는 방식이라 충격에 약하며 소음이 다소 발생합니다. 최근에는 디스크 대신 메모리를 사용하는 저장장치인 SSD의 사용이 점점 늘어나고 있습니다.
관련 기업: Seagate, WD

SSD

하드디스크(HDD)를 대체할 PC용 저장장치로, HDD가 모터와 기계적 구동장치가 달려 있어 소음이 발생하는 반면 SSD는 메모리반도체로만 만들어져 소음이 전혀 나지 않는다. 또한 데이터를 쓰고 읽는 속도가 HDD보다 3배 이상 빠르고 외부 충격에도 강해 노트북 PC와 같은 휴대용 기기의 저장장치로 각광 받고 있다.
SSD는 낸드플래시 메모리를 사용
- 주로 SLC, MLD (TLC는 주로 USB에 많이 사용)
  
  SLC ( Single Level Cell ) : 셀당 1바이트를 기록, 속도와 수명이 가장 높다. 가격 또한 비싸다. 초기 SSD에 사용됬었다.
  
  MLC ( Multi Level Cell) : 셀당 2바이트를 기록, 속도와 수명은 보통. 가격 또한 적당. 현재 대부분 SSD에 사용된다.
  
  TLC ( Triple Level Cell) : 셀당 3바이트를 기록 , 속도와 수명이 매우 낮다. 주로 USB에 많이 사용된다.
- SSD에 채용되는 낸드형 플래시메모리는 1개의 기억소자(셀)에 1비트만 기억가능한 SLC(single level cell)형과 2비트 이상 기억가능한 MLC(multi level cell)형으로 구분된다. SLC형은 기억소자의 열화나 노이즈에 대한 내성이 강하지만 1비트당 단가가 비싸다. 반면 MLC형은 SLC제품에 비해 저렴한 대용량 제품을 제조할 수 있는 장점이 있으나, 기억소자의 열화나 노이즈에 의해 전하량이 불안정하면 잘못된 값으로 읽혀 SLC형에 비해 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.
- NAND Flash 관련 기업
  
  2021년 1분기 낸드플래시 시장서 삼성이 33.3% 점유율로 1위
SSD 관련 기업
- 데이터센터용 SSD 수요는 메모리반도체 시장에서 D램을 잇는 미래 먹거리로 꼽힌다. 전세계 데이터센터의 서버 상당수가 여전히 HDD로 운영된다. 글로벌 톱 수준의 데이터센터를 운영하는 페이스북도 이제 막 HDD를 SSD로 교체해나가는 수준이다.
“페이스북에 SSD…” 삼성은 왜 고객 명단을 공개했나 - 머니투데이

그래픽카드 (GPU)

Graphics Processing Unit
그래픽 카드(Graphics Card)는 CPU의 명령하에 이루어지는 그래픽 작업을 전문적으로 빠르게 처리하고 디지털 신호를 영상 신호로 바꿔 모니터로 전송하는 장치이다. 1990년대까지만 해도 3D 카드라는 이름으로 불렸으며, 과거에는 이러한 그래픽 작업도 CPU가 수행하였으나 점차 그래픽 처리에 특화된 전용 장비가 등장하게 되면서 이것이 그래픽 카드로 발전하게 되었고 그러면서 CPU는 자연스럽게 그 자리를 내어주게 되었다. 그래픽 카드는 본디 여러 가지 유닛을 포함한 그래픽 확장 장치를 이르는 말이어서 메인보드에 탑재된 온보드 그래픽이나 CPU 내장 그래픽을 가리키는 용어로 내장 그래픽 카드는 잘못된 용법이지만 편의상 앞의 그래픽 처리 장치도 이 항목에 서술한다.

참고문헌: 나무위키(그래픽 카드)
그래픽 처리 장치( - 處理裝置) 또는 GPU(영어: graphics processing unit)는 컴퓨터 시스템에서, 그래픽 연산을 빠르게 처리하여 결과값을 모니터에 출력하는 연산 장치이다. VPU(영어: visual processing unit)라고도 한다. GPU는 임베디드 시스템, 휴대 전화, 개인용 컴퓨터, 워크스테이션, 비디오 게임 콘솔, 인공지능, 무인 자동차, 클라우드 컴퓨팅 등에 사용된다. 현대의 GPU는 컴퓨터 그래픽과 영상 처리에 매우 효과적으로 사용되며, 고도의 병행 구조는 큰 덩어리의 영상 데이터가 병행 처리되는 알고리즘에 다용도 CPU보다 능률적이다. 개인 컴퓨터에서 GPU는 그래픽 카드에 부착되고, 메인보드나 CPU에 따라서는 다이에 포함되기도 한다.[1]

그래픽 처리 장치 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
병렬 연산은 잘하지만, 엄청 고도화된 문제를 풀기는 어려움
- 엄청 똑똑한 수학자 1-2명이 CPU
- 덧셈 곱셈 할 줄 아는 초등학생 1000명이 GPU
옥수수 말고 다른 일을 시키는 노예들. 옥수수를 수확할 수도 있긴 하지만 잘 못함. 대신 감자를 잘 수확하고 CPU의 노예들은 반대로 감자 수확을 할 수 있긴 하지만 잘하지는 못함.
방대한 데이터를 연산할 수 있는 GPU가 딥러닝에 핵심이 되면서 GPU 수요가 급증하게 됨
- 비트코인 채굴에도 인기

GPU Market Share: T4

NVIDIA의 전체 GPU 시장 점유율은 2020년 2분기 18.84%에서 올해 같은 분기 말 15.23%로 떨어졌습니다. 같은 기간 인텔은 거의 5포인트 가까이 점유율을 얻었지만 AMD는 1포인트 넘게 하락해 지난해 같은 분기 17.65%에서 16.48%로 떨어졌습니다. 이 수치에는 후자의 통합 그래픽 옵션과 Ryzen APU가 포함되어 더 높은 전체 점유율을 설명한다는 점에 주목할 가치가 있습니다.

외장형 GPU 시장은 대체로 조용했습니다. NVIDIA는 2분기 점유율을 2포인트 상승하여 전체 점유율이 83%로 지난 분기의 81%에서 증가했습니다. 결과적으로 AMD는 19%에서 17%로 떨어졌습니다. NVIDIA의 경우 전년 대비 +3%/-3%의 손익을 보고 있습니다. 이로 인해 NVIDIA의 상반기 매출은 AMD보다 거의 5배 이상 증가했습니다.

NVIDIA의 그래픽 카드 점유율은 2021년 상반기까지 계속 성장, AMD보다 거의 5배 더 많은 GPU를 판매

파워

파워 : 노예에게 주는 월급, 일 많이 하는 쪽에 많이 주게 됨. 딱 맞게 주면 가성비는 좋지만 조금 여유 있게 줄 경우 서로에게 좋아지는 느낌
파워 : 월급으로 설명했지만 채찍으로도 비유가 가능, 채찍 수가 적으면 노예들이 농땡이 피우게 되고 적당히 주는 것이 좋고, 조금 여유 있어도 좋다는 의미

스마트폰 - AP

application processor

퀄컴의 스냅드래곤
삼성의 엑시노트
애플의 m1
- 애플은 스마트폰에 사용하던 AP를 PC에도 적용하게됨 - M1
- 맥북: 인텔칩에서 m1칩으로..

반도체

전기적으로 도체와 부도체 사이의 성질을 띠고 있는 물질
부도체인 순수 규소에 약간의 불순물을 섞어 상황에 따라 전기가 흐르게 했다 흐르지 않게 했다가 만들어 놓은 물질 → 전류의 흐름에 따라 1 or 0으로 표시함으로써 컴퓨터의 문법으로 표시
트랜지스터(1과 0을 표시하는 가장 작은 소자)를 수십억개 모아 반도체칩을 만듦

메모리 반도체와 비메모리 반도체로 나뉨
메모리 반도체: 정보를 저장하고 기억하는 반도체
- 미세 공정이 필요
- 비휘발성 메모리: 전원이 공급되지 않아도 정보 저장 가능
  - NAND Flash
  - SSD, HDD
- 휘발성 메모리: 전원이 꺼지면 정보도 날라감, 대신 적은 양의 정보를 빠르게 처리 가능
  - DRAM
- 각종 기기들뿐만 아니라 데이터센터(인터넷 작업을 처리하는 곳 - 클라우드, 스트리밍)에도 많이 필요함
- 메모리 반도체 시장 전망 및 점유율
  - 메모리 반도체는 호황과 불황을 반복
  - 여지껏 3번의 빅사이클이 있었음
    - 시스템 반도체는 설계를 한 다음에 파운드리에 제작을 의뢰하는 방식으로 생산이 진행되기 때문에 수요를 예측할 수 있지만
    - 메모리 반도체는 만들어놓고 팔기 때문에 수요 예측이 어려움
    ⇒ 반도체 빅사이클이 존재
    - 4차 산업이 본격화되면 다음 반도체 빅사이클이 생길 것으로 예측됨
  반도체 업계가 고대하고 있는 슈퍼사이클이 오는 2023년까지 이어질 것으로 전망된다. 지난해 급작스럽게 닥친 코로나19에 위축됐던 소비심리가 다시 불붙고 비대면 경제가 활성화되면서 반도체 수요가 급증한 것이 슈퍼사이클을 이끄는 원동력으로 분석된다.
  
  21일 시장조사기관 IC인사이츠에 따르면 글로벌 메모리 반도체 시장은 올해 말까지 1,552억 달러(약 174조 9,100억 원)를 기록할 것으로 전망된다. 이는 코로나19로 재택근무나 원격수업 등 비대면 경제 시스템이 본격적으로 도입되면서 메모리 반도체에 대한 수요가 급격하게 늘어난 지난해의 시장 규모인 1,267억 달러(약 142조 7,090억 원)보다도 23%가량 늘어난 수치다.
  
  한편 삼성전자(005930)와 SK하이닉스(000660) 등 국내 주요 메모리 반도체 생산 기업들은 슈퍼사이클에 대비해 설비 증설에 나선 상태다. 삼성전자는 올해 웨이퍼 월 4만 장 수준의 D램 증설 투자를 추진하며 SK하이닉스도 월 2만 장 수준의 증설에 나설 것으로 알려졌다. 앞서 기관투자가 등을 대상으로 1분기 콘퍼런스콜을 실시한 삼성전자는 메모리 반도체 시장에 대해 “1인 1PC 트렌드를 바탕으로 메모리 반도체 수요가 강세를 띠고 있다”며 “각국의 경기 부양책 등에 힘입어 추가적인 수요가 발생할 가능성이 있고 전반적인 수요가 강세를 띠고 있다는 점을 고려하면 가격 상승의 폭이 커질 수 있다”고 진단했다.
  
  ‘메모리 반도체 슈퍼사이클…2023년 정점 찍을것’
- 제작 과정: 하나의 기업이 설계부터 생산까지 모두 진행
  - 즉, 종합 반도체 기업(IDM)이 설계 및 생산
시스템 반도체: 연산과 추론 등 정보를 처리하는 반도체 - 저장된 정보를 바탕으로 연산, 명령을 내리는 역할
- 고난도 설계 기술이 필요
- 컴퓨터, 스마트폰, 웨어러블 기기, 드론, 차, IOT 등등에 들어감
- 최근 차량용 반도체에 대한 수요 급증 (자동차 한대당 2000개 이상)
  
  현대차, 국내 車 판매 22.3% 감소…걸림돌 된 ‘반도체 공급난’
  - 반도체가 없어서 많은 자동차 기업들이 차량 생산을 못하고 있음
- CPU, GPU, NPU, APU
  - NPU: GPU보다 인공지능 딥러닝에 최적화된 반도체
    - GPU보다 10배 더 좋은 효율, CPU보다 40배 더 좋은 성능
    - 온디바이스 AI: 개별 기기가 인공지능이 가능한 것 (IoT)
- 제작 과정: 시스템 반도체는 매우 복잡하기 때문에 설계, 제작, 검수가 각기 따로 진행됨
  - 인텔은 시스템 반도체 생산에도 설계부터 제작까지 혼자하고 있기는 함(IDM)
  - 설계: 팹리스
  - 검수: 디자인하우스
  - 제작: 파운드리

파운드리? 팹리스? 반도체 생태계 한눈에 보기! - 삼성반도체이야기

설계: 팹리스
검수: 디자인 하우스(설계 최적화와 검사를 담당)
제작: 파운드리

파운드리

기존에는 한 기업에서 설계와 생산을 전담하고 있었는데, 모리스창이 이를 나누고자 TSMC를 창업
- 설계는 팹리스에서, 제작은 파운드리에서 하자!
파운드리 시장 점유율
- 인텔도 파운드리 시장에 투자
- TSMC: 압도적인 기술력(7나노 공정)과 생산력
- 삼성전자도 계속해서 투자중
  
  삼성전자, 美 20조 파운드리 투자 테일러시… 10억달러 인센티브에 낙점(종합)
  
  삼성, 美 오스틴 ‘20조’ 추가 투자…해외 첫 ‘EUV 파운드리’ 세운다
실제 대만의 반도체 시장조사기관 트렌드포스(TrendForce)에 따르면 파운드리 시장 점유율은 작년 1분기 TSMC가 54.6%로 1위를 차지했다. 2위는 삼성전자로 19.4%를 기록했다. 같은 해 4분기에는 TSMC가 57.8%, 삼성전자는 17.1%를 각각 달성했다. 일 년간 TSMC가 점유율을 3.2%포인트 끌어올리는 동안 삼성전자는 2.3%포인트 급락했다. 양사 점유율 차이 역시 35.2%포인트에서 40.7%포인트로 확대됐다.

삼성전자는 지난 2019년 4월 24일 2030년까지 파운드리 및 시스템LSI 사업 등 시스템 반도체 부문 연구·개발(R&D)과 생산시설 확충을 위해 총 133조 원을 투자하겠다고 발표했다. 국내 R&D에 73조 원, 최첨단 생산 인프라에는 60조 원을 각각 투입한다. 전문 인력까지 1만5000명을 직접 고용한다고도 했다.

삼성 ‘반도체 비전 2030’ 2년…TSMC와 격차는 되레 벌어져

Samsung reportedly to skip 4nm foundry process

반도체 생산과정

웨이퍼 공정

[반도체 8대 공정] 1탄, ‘웨이퍼’란 무엇일까요? - 삼성반도체이야기
- 웨이퍼
  
  웨이퍼를 알아보기에 앞서 한가지 질문! 반도체 집적회로(Semiconductor Integrated circuit)와 웨이퍼는 어떤 관계일까요? 반도체 집적회로란, 다양한 기능을 처리하고 저장하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적한 전자부품을 말합니다. 웨이퍼라는 얇은 기판 위에 다수의 동일 회로를 만들어 반도체 집적회로가 탄생되는 만큼, 웨이퍼는 반도체의 기반인 셈이죠. 피자를 만들 때 토핑을 올리기 전, 도우를 만들듯이 말입니다.
  
  웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썬 원판을 의미하는데요. 대부분의 웨이퍼는 모래에서 추출한 규소, 즉 실리콘으로 만듭니다.
  
  1단계. 잉곳(Ingot) 만들기
  
  모래에서 추출한 실리콘을 반도체 재료로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 정제 과정이 필요합니다. 실리콘 원료를 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액을 만들고 이것을 결정 성장시켜 굳히는 건데요. 이렇게 만들어진 실리콘 기둥을 잉곳(Ingot)이라고 합니다. 수 나노미터(nm)의 미세한 공정을 다루는 반도체용 잉곳은 실리콘 잉곳 중에서도 초고순도의 잉곳을 사용합니다.
  
  2단계. 얇은 웨이퍼를 만들기 위해 잉곳 절단하기(Wafer Slicing)
  
  둥근 팽이 모양의 잉곳을 원판형의 웨이퍼로 만들기 위해서는 다이아몬드 톱을 이용해 균일한 두께로 얇게 써는 작업이 필요합니다. 잉곳의 지름이 웨이퍼의 크기를 결정해 150mm(6인치), 200mm(8인치), 300mm(12인치) 등의 웨이퍼가 되는데요. 웨이퍼 두께가 얇을수록 제조원가가 줄어들며, 지름이 클수록 한번에 생산할 수 있는 반도체 칩 수가 증가하기 때문에 웨이퍼의 두께와 크기는 점차 얇고 커지는 추세입니다.
  
  3단계. 웨이퍼 표면 연마(Lapping&Polishing) 하기
  
  절단된 웨이퍼는 가공을 거쳐 거울처럼 매끄럽게 만들어야 되는데요. 절단 직후의 웨이퍼는 표면에 흠결이 있고 거칠어 회로의 정밀도에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 그래서 연마액과 연마 장비(Polishing machine)를 통해 웨이퍼 표면을 매끄럽게 갈아냅니다.
  
  가공 전의 웨이퍼를 아직 옷을 입지 않은 상태라는 의미로 베어 웨이퍼(Bare wafer)라고 합니다. 여기에 여러 단계의 물리적, 화학적 가공을 거쳐 표면에 IC를 형성시키고 가공 단계를 거치면 아래와 같은 모습이 되는데요. IC칩까지 완성된 웨이퍼 각각의 명칭을 알아볼까요?
  
  ① 웨이퍼(Wafer): 반도체 집적회로의 핵심 재료로 원형의 판을 의미합니다.
  
  ② 다이(Die): 둥근 웨이퍼 위에 작은 사각형들이 밀집돼 있는데요. 이 사각형 하나하나가 전자 회로가 집적되어 있는 IC칩인데, 이것을 다이라고 합니다.
  
  ③ 스크라이브 라인(Scribe Line): 맨눈으로는 다이들이 서로 붙어있는 듯 보이지만, 사실 다이와 다이들은 일정한 간격을 두고 서로 떨어져 있습니다. 이 간격을 스크라이브 라인이라고 합니다. 다이와 다이 사이에 스크라이브 라인을 두는 이유는, 웨이퍼 가공이 끝난 뒤, 이 다이들을 한 개씩 자르고 조립해 칩으로 만들기 위해서인데요. 다이아몬드 톱으로 잘라낼 수 있는 폭을 두는 것이죠.
  
  ④ 플랫존(Flat Zone): 웨이퍼의 구조를 구별하기 위해 만든 영역으로 플랫존은 웨이퍼 가공 시 기준선이 됩니다. 웨이퍼의 결정구조는 매우 미세해 눈으로 판단할 수 없기 때문에 이 플랫존을 기준으로 웨이퍼의 수직, 수평을 판단합니다.
  
  ⑤ 노치(Notch): 최근에는 플랫존 대신 노치가 있는 웨이퍼도 있습니다. 노치 웨이퍼가 플랫존 웨이퍼보다 더 많은 다이를 만들 수 있어 효율이 높습니다.
산화공정

[반도체 8대 공정] 2탄, 웨이퍼 표면을 보호하는 산화공정 - 삼성반도체이야기

모래에서 추출한 실리콘을 반도체 집적회로의 원재료로 탄생시키기 위해서는 일련의 정제 과정을 통해 잉곳(Ingot)이라고 불리는 실리콘 기둥을 만듭니다. 이 실리콘 기둥을 균일한 두께로 절단한 후 연마의 과정을 거쳐 반도체의 기반이 되는 웨이퍼를 만드는데요.

이렇게 만들어진 얇고 둥근 판 모양의 웨이퍼는 전기가 통하지 않는 부도체 상태입니다. 그래서 도체와 부도체의 성격을 모두 가진 ‘반도체’의 성질을 가질 수 있도록 만드는 작업이 필요한데요. 이를 위해 웨이퍼 위에 여러 가지 물질을 형성시킨 후 설계된 회로 모양대로 깎고, 다시 물질을 입혀 깎아내는 일이 반복되죠.

이 모든 공정의 가장 기초적인 단계가 산화공정입니다. 산화공정을 거치는 이유는 웨이퍼에 절연막 역할을 하는 산화막(SiO₂)을 형성해 회로와 회로사이에 누설전류가 흐르는 것을 차단하기 위해서 입니다. 산화막은 또한 이온주입공정에서 확산 방지막 역할을 하고, 식각공정에서는 필요한 부분이 잘못 식각되는 것을 막는 식각 방지막 역할도 합니다.

즉, 산화공정을 통해 형성된 산화막이 반도체 제조과정에서 든든한 보호막 역할을 하는 건데요. 미세한 공정을 다루는 반도체 제조과정에서는 아주 작은 불순물도 집적회로의 전기적 특성에 치명적인 영향을 미치기 때문입니다.
포토공정

흔히 포토 리소그래피(Photo Lithography)를 줄여서 포토공정(Photo)이라고 하는데요. 이 공정은 웨이퍼 위에 회로 패턴이 담긴 마스크 상을 빛을 이용해 비춰 회로를 그리기 때문에 붙여진 이름입니다. 여기서 패턴을 형성하는 방법은 흑백 사진을 만들 때 필름에 형성된 상을 인화지에 인화하는 것과 유사합니다.

반도체는 집적도가 증가할수록 칩을 구성하는 단위 소자 역시 미세 공정을 사용해 작게 만들어야 하는데요. 미세 회로 패턴 구현 역시 전적으로 포토 공정에 의해 결정되기 때문에 집적도가 높아질수록 포토 공정 기술 또한 세심하고 높은 수준의 기술을 요하게 됩니다.

그럼 본격적으로 포토공정이 어떻게 이루어지는지 알아볼까요? 먼저 컴퓨터 시스템(CAD, computer-aided design)을 이용해 웨이퍼에 그려 넣을 회로를 설계합니다. 전자회로 패턴(Pattern)으로 설계되는 이 도면에 엔지니어들이 설계한 정밀회로를 담으며, 그 정밀도가 반도체의 집적도를 결정합니다.

설계된 회로 패턴(Pattern)은 순도가 높은 석영(Quartz)을 가공해서 만든 기판 위에 크롬(Cr)으로 미세 회로를 형상화해 포토마스크(Photo Mask)로 재탄생 하게 됩니다. 마스크(Mask)는 Reticle이라고도 부르는데, 이것은 회로 패턴을 고스란히 담은 필름으로 사진 원판의 기능을 하게 되는데요. 마스크는 보다 세밀한 패터닝(Patterning)을 위해 반도체 회로보다 크게 제작되며, 렌즈를 이용 빛을 축소해 조사하게 됩니다.

포토공정은 감광액 도포, 노광, 현상의 세부 공정으로 다시 나뉩니다. 포토공정을 더 자세히 알아볼까요?

이제 웨이퍼에 그림을 그릴 준비가 됐습니다. 다음 단계는 웨이퍼 표면에 빛에 민감한 물질인 감광액(PR, Photo Resist)을 골고루 바르는 작업인데요. 이 작업이 사진을 현상하는 것과 같이 웨이퍼를 인화지로 만들어줍니다. 보다 고품질의 미세한 회로 패턴을 얻기 위해서는 감광액(PR) 막이 얇고 균일해야 하며 빛에 대한 감도가 높아야 하죠.

감광액(PR) 막을 형성해 웨이퍼를 사진 인화지와 비슷한 상태로 만든 후에는 노광장비(Stepper)를 사용해 회로 패턴이 담긴 마스크에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 찍어냅니다. 이 과정을 노광(Stepper Exposure)이라고 하는데요. 반도체 공정에서의 노광은 빛을 선택적으로 조사하는 과정을 말합니다.

포토공정(Photo)의 마지막 단계는 현상(Develop)으로 일반 사진을 현상하는 과정과 동일합니다. 이 과정에서 패턴의 형상이 결정되기 때문에 매우 중요한데요. 현상(Develop) 공정은 웨이퍼에 현상액을 뿌려 가며 노광된 영역과 노광 되지 않은 영역을 선택적으로 제거해 회로 패턴을 형성하는 공정입니다.

웨이퍼 위에 균일하게 입혀진 감광액(PR)은 빛에 어떻게 반응하는가에 따라 양성(positive) 혹은 음성(negative)로 분류됩니다. 양성 감광액의 경우 노광 되지 않은 영역을 남기고 음성 감광액의 경우 노광된 영역만 남겨 사용하게 되는데요.

현상 공정까지 마치게 되면 모든 포토공정이 끝나는데요. 각종 측정 장비와 광학 현미경 등을 통해 패턴이 잘 그려졌는지 꼼꼼하게 검사한 후, 이를 통과한 웨이퍼만이 다음 공정 단계로 이동합니다.
- 반도체 노광장비
  - ArF 불화아르곤
  - KrF
  - EUV 극자외선: 네덜란드 기업, ASML이 독점
  EUV는 최근 반도체 업계의 화두다. 반도체 회로 패턴을 그리는 노광공정에서 기존 불화아르곤(ArF) 대신 극자외선(EUV)를 활용해 더 미세하고 촘촘한 회로를 구현하는 게 특징이다. 삼성전자와 SK하이닉스, TSMC, 인텔 등 주요 기업들이 올해 EUV 공정 적용을 본격화하는 추세다. 관련 시장도 활성화되고 있다. 네덜란드 ASML이 EUV 공정용 장비를 독점하고 있는 가운데, 관련 소재·부품 분야에 뛰어드는 국내 소부장 기업들의 움직임도 활발하다.
  
  “2025년 반도체 노광장비 중 EUV 비중 60% 넘는다”
  
  하지만 초미세공정에 진입하기 위해서는 기술적 난관이 있다. 7나노까지는 기존의 불화아르곤(ArF) 광원을 기반으로 물을 활용한 빛의 굴절을 만들어내는 액침(Immersion) 불화아르곤으로 어느 정도 대응이 가능했다. TSMC가 활용한 ArFi가 바로 이 방식이다. 그러나 7나노 이하에서는 ArFi 가 더 이상 유용하지 않다. 따라서 그림 1에서도 볼 수 있듯이 글로벌 노광장비 시장의 주요 기술 방식이었던 ArFi는 2017년을 정점으로 급속히 그 위상을 잃을 것으로 예상된다.
  
  ArFi의 뒤를 이을 차세대 기술은 바로 극자외선(Extreme Ultra Viloet: EUV)를 광원으로 활용하는 것이다. EUV는 기존의 ArF 대비 빛의 파장이 14분의 1 수준인 13.5나노미터로 짧아 훨씬 더 정밀한 노광이 가능하다. EUV 노광 장비는 대당 1500억 원을 훌쩍 뛰어넘는 초고가 장비인데, 현재 이 EUV 기기를 생산할 수 있는 기업은 ASML이 유일하다. EUV 도입 경쟁을 벌이고 있는 삼성과 TSMC가 모두 ASML만 간절하게 바라보고 있는 이유다.
  
  [한장TECH] 차세대 반도체의 운명을 쥔 기업, ASML ②
- EUV 펠리클
  
  EUV 펠리클: 선택이 아닌 필수 _메리츠 서승연 애널.
  
  구체적으로 노광 공정은 회로 패턴이 담긴 ‘포토마스크’에 빛을 통과시켜 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 작업이다. 포토마스크는 필름, 웨이퍼는 인화지가 되어 마치 필 름 사진을 현상하는 과정과 흡사하다. 포토마스크에 그려진 회로가 축소되어 웨이 퍼에 전사되기 때문에 포토마스크가 오염될 경우 불량률이 크게 늘어난다.
  
  이를 위해 ‘펠리클(Pellicle)’이라는 얇은 박막을 포토마스크 위에 씌워 대기 중 분 자와 오염물질로부터 포토마스크를 보호한다. 웨이퍼로 전사되는 빛은 포토마스크 로 초점을 맞추어 노광을 진행하기 때문에 일정한 거리로 떨어져 있는 펠리클에 오염물질이 앉더라도 초점이 잡히지 않아 수율을 높일 수 있다. 동시에 포토마스 크 수명을 연장하는 역할도 하기에 펠리클은 노광공정에 있어 핵심적인 제품이다.
  
  EUV 펠리클 개발을 위해 넘어야 할 산
  
  기존의 불화아르곤(ArF) 액침에서 EUV로 노광장비가 바뀜에 따라 펠리클도 이 전과 다른 요건이 요구되고 있다. 현재 노광장비는 광원이 렌즈를 투과해서 마스 크에 닿는 구조이다. 그러나 EUV 노광장비는 자연계 모든 물질에 흡수되는 EUV의 특성 때문에, 다층 박막 특수 거울을 내부에 배치하여 광원을 여러 차례 반사 시켜 웨이퍼에 닿는 구조이다.
  
  즉 기존 렌즈 투과방식에서는 빛이 한 번만 펠리클을 투과하면 되었으나, 반사 구 조인 EUV 장비에서는 빛이 들어왔다가 다시 반사되어 빠져나가 광원 손실이 커 진다. 따라서 EUV 펠리클은 빛이 2번 통과된 후에도 초기 광량의 88% 이상을 보존할 수 있다.
  
  또한, EUV 펠리클은 높은 내구적 특성이 요구된다. EUV 노광과정에서 펠리클은 빛이 통과 시 순간적으로 가열, 냉각이 반복되기 때문에 열적 특성이 우수해야 하 며, 압력차이∙고속 이송 과정에서 발생하는 기계적인 충격도 모두 견딜 수 있어야 한다.
  - 관련 기업
  - EUV 팰리클 시장
식각 공정

[반도체 8대 공정] 5탄, 반도체 회로패턴의 완성 ‘식각 공정’ - 삼성반도체이야기

포토공정이 끝나면 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 공정이 필요합니다. 이번 시간에는 반도체의 구조를 형성하는 패턴을 만드는 식각공정(Etching)에 대해 알아보겠습니다.
증착공정

[반도체 8대 공정] 6탄, 반도체에 전기적 특성을 입히다! 증착&이온주입 공정 - 삼성반도체이야기

사람의 손톱보다 작고 종이만큼 얇은 반도체 칩에는 미세하고 수많은 층(layer)이 존재합니다. 마치 고층 빌딩처럼 높고 견고하게 쌓여 복잡한 구조를 이루고 있는데요.

이러한 구조를 형성하기 위해서는 반도체의 원재료가 되는 단결정 실리콘(Si) 웨이퍼 위에 단계적으로 박막을 입히고 회로를 그려 넣는 포토공정을 거쳐 불필요한 부분을 선택적으로 제거하는 식각공정과 세정하는 과정을 여러 번 반복하게 됩니다.

이때 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 하는 얇은 막을 박막(Thin film)이라고 합니다. 이번 시간에는 이런 박막을 만드는 증착공정과 반도체가 전기적인 특성을 갖도록 만드는 일련의 과정에 대해 살펴보겠습니다.

웨이퍼에 얇은 옷을 입히는 증착공정(deposition)

사전적 의미로 ‘박막(thin film)’이란 단순한 기계 가공으로는 실현 불가능한 1마이크로미터(μm, 100만 분의 1미터) 이하의 얇은 막을 뜻합니다. 웨이퍼 위에 원하는 분자 또는 원자 단위의 박막을 입히는 일련의 과정을 증착(Deposition)이라고 하는데요. 두께가 워낙 얇기 때문에 웨이퍼 위에 균일하게 박막을 형성하기 위해서는 정교하고 세밀한 기술력을 필요로 하죠.

웨이퍼를 반도체로 만드는 이온주입공정(Ion Implantation)

이때 반도체가 전기적인 성질을 가지게 하는 공정이 수반되어야 합니다. 전기가 통하는 도체와, 통하지 않는 부도체의 성질을 동시에 가진 반도체에서 이온주입공정(Ion Implantation)은 실리콘 웨이퍼에 반도체의 생명을 불어넣는 작업입니다. 순수한 반도체는 규소로 되어있어 전기가 통하지 않으나 불순물을 넣어줘 전류를 흐르게 하는 전도성을 갖게 되는 것이죠.

이때 불순물을 이온(Ion)이라고 하는데, 이온을 미세한 가스입자로 만들어 원하는 깊이만큼 웨이퍼 전면에 균일하게 넣어줍니다. 여기서 불순물로는 15족 원소 인(P), 비소(As), 13족 원소 붕소(B) 등을 사용하게 되는데요. 15족 원소를 주입하면 n형 반도체가 되고, 13족 원소를 주입하면 p형 반도체가 됩니다.

박막을 얼마나 얇고 균일하게 입혔느냐가 반도체의 품질을 좌우할 정도로 증착공정은 중요합니다. 미래에는 머리카락 수백만 분의 1 크기의 반도체 회로 구조가 전기적 성격을 가지도록 하기 위해, 더욱 얇고 균일하게 박막이 형성되도록 하는 증착기술이 필요할 것입니다.
금속 배선 공정

[반도체 8대 공정] 7탄, 전기가 통하는 길을 만드는 ‘금속 배선 공정’ - 삼성반도체이야기

반도체는 전기가 통하는 ‘도체’와 전기가 통하지 않는 ‘부도체’의 특성을 모두 가지고 있습니다. 순수한 규소에 불순물을 넣는 이온주입공정(Ion Implantation)을 통해 전도성을 갖게 된 반도체는 필요에 따라 전기가 흐르게, 또는 흐르지 않게 조절할 수 있습니다.

포토, 식각, 이온주입, 증착 공정을 반복하면 웨이퍼 위에 수많은 반도체 회로가 만들어집니다. 이 회로가 동작하기 위해서는 외부에서 전기적 신호를 가해주어야 하는데요. 신호가 잘 전달되도록 반도체 회로 패턴에 따라 전기길(금속선)을 연결하는 작업을 금속 배선 공정이라고 합니다.

대표적인 반도체용 금속 배선 재료로는 알루미늄(Al)이 있습니다. 산화막(Silicon Dioxide)과의 부착성이 좋고 가공성이 뛰어나기 때문입니다.

하지만 알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 만나면 서로 섞이려는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 실리콘 웨이퍼의 경우 알루미늄 배선 과정에서 접합면이 파괴되는 현상이 생길 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 알루미늄과 웨이퍼 접합면 사이에 장벽(Barrier) 역할을 하는 금속을 증착하는데, 이를 베리어 메탈(Barrier Metal)이라고 합니다. 이중으로 박막을 형성해 접합면이 파괴되는 것을 막을 수 있습니다.

금속 배선 역시 증착을 통해 이루어집니다. 금속을 진공 챔버에 넣고 낮은 압력에서 끓이거나 전기적 충격을 주면 금속은 증기 상태가 됩니다. 이때 웨이퍼를 진공 챔버에 넣으면 얇은 금속막이 형성됩니다.

반도체 공정이 점점 미세화되며 반도체 공정은 꾸준한 연구 개발로 변화를 거듭하고 있습니다. 금속 배선 공정에서도 좁은 영역에 균일한 박막을 형성시키기 위해 화학적 기상증착(CVD)으로의 전환이 이루어지고 있습니다.
EDS 공정

[반도체 8대 공정] 8탄, 완벽한 반도체로 태어나기 위한 첫 번째 테스트 ‘EDS공정’ - 삼성반도체이야기
패키징

[반도체 8대 공정] 9탄, 외부환경으로부터 반도체를 보호하는 패키징 (Packaging) 공정 - 삼성반도체이야기