칩 한 개가 지나는 길

손안의 칩 열 개

스마트폰 뒷판을 열면 배터리 옆의 좁은 기판 위에 손톱만 한 칩들이 빽빽하다. 가장 큰 것이 AP(Application Processor)다. CPU·GPU·인공지능 연산 장치를 한 조각의 실리콘에 담은 휴대폰의 두뇌다. 그 위에는 작업 메모리 DRAM이 포개져 있고, 옆에는 사진과 앱을 담는 NAND 저장장치, 전파를 다루는 모뎀과 RF 칩, 전력을 나눠 주는 전원 관리 칩, 카메라의 이미지 센서가 있다.

아래 시뮬레이터에서 칩을 하나씩 눌러 보자. 오른쪽 버튼으로 칩의 색을 설계한 곳과 만든 곳 기준으로 바꿀 수 있다. 같은 칩이라도 두 색이 다르면 설계와 제조가 다른 나라에서 이루어진다는 뜻이다.

두 가지가 눈에 들어온다. 첫째, 설계하는 회사와 만드는 회사가 대부분 다르다. AP·모뎀·Wi-Fi 칩은 미국 회사가 설계하지만 실제로 실리콘에 새기는 곳은 대만의 파운드리(Foundry)다. 반대로 메모리와 이미지 센서는 설계한 회사가 자기 공장에서 직접 만든다. 공장을 갖는 쪽과 빌리는 쪽, 두 사업 방식의 차이가 4장의 주제다.

둘째, 칩이 기기 원가의 절반 안팎을 차지한다. 2024년 플래그십 스마트폰 한 대의 부품 원가는 공개 분해 보고서 기준 약 500달러대이고, 그중 칩이 약 280달러다. 나머지는 디스플레이·배터리·카메라 렌즈·케이스·조립비다. 칩이 비싼 부품이 된 지는 오래되었고, 기기 하나에 들어가는 칩의 값은 해마다 늘고 있다. 기기 한 대의 칩 함량은 12장에서 더 자세히 본다.

여섯 단계: 칩이 지나는 길

AP 하나를 거꾸로 따라가면 여섯 단계가 나온다. 이 책은 이 순서를 그대로 따라간다. 화면 맨 위의 띠도 같은 여섯 칸이다.

1. 1설계 도구·IP: 칩을 그리는 소프트웨어(EDA)와 미리 만들어 둔 회로 블록(IP)을 판다. 세 회사가 시장 대부분을 갖는다. 5장
2. 2칩 설계: 무엇을 계산할 칩인지 정하고 수백억 개의 트랜지스터를 배치한다. 공장이 없는 팹리스(Fabless)가 주인공이다. 6장
3. 3장비·소재: 공장을 채우는 노광기·식각기·증착기와 웨이퍼·가스·화학 약품. 품목마다 몇 회사가 나눠 갖는다. 7장 · 8장
4. 4웨이퍼 제조: 설계도를 실리콘 원판 위에 새긴다. 공정 단계가 1,000개를 넘고 공장 하나가 수백억 달러다. 9장 · 10장
5. 5패키징·테스트: 웨이퍼를 잘라 다이를 포장하고 시험한다. 첨단 패키징이 성능을 좌우하면서 다시 주목받는다. 11장
6. 6시장: 완성된 칩이 스마트폰·서버·자동차에 들어가 팔린다. 2024년 세계 반도체 매출은 약 6,300억 달러다. 2장 · 12장

아래에서 웨이퍼 하나가 여섯 단계를 지나는 동안 칩의 값이 어떻게 쌓이는지 보자. 단계를 누르면 그 단계의 대표 회사와 이 책에서 그 단계를 다루는 장이 나온다.

값이 쌓이는 모양이 고르지 않다. SIA·BCG의 2019년 추정으로 산업 전체 부가가치의 약 55%가 설계에서 나온다(로직 약 29%, 아날로그·개별 소자 약 17%, 메모리 약 9%). 웨이퍼 제조는 약 19%, 장비와 소재는 합쳐 약 16%, 패키징·테스트는 약 6%다. 설계 도구·IP는 약 4%에 그치지만, 이것이 없으면 아무도 설계를 시작하지 못한다.

설비투자로 바꾸면 그림이 뒤집힌다. 웨이퍼 제조 한 단계가 산업 설비투자의 약 64%를 쓴다. 설계는 사람과 소프트웨어로 값을 만들고, 제조는 공장과 장비로 값을 만든다. 같은 산업 안에 전혀 다른 두 종류의 사업이 들어 있다.

산업 지도 한 장

이제 회사들을 한 장에 올려 보자. 이 책에 나오는 회사 약 90곳을 단계별 열에 세우고, 2024년 매출로 원의 크기를, 본사 지역으로 색을 정했다. 원 위에 마우스를 올리면 회사 설명이 뜨고, 누르면 아래 패널에 같은 단계 안에서의 순위가 나온다. 위쪽 버튼으로 한 지역만 남겨 볼 수 있다.

큰 원 다섯 개가 먼저 보인다. 2024년 매출 기준으로 엔비디아(약 1,240억 달러), TSMC(약 900억 달러), 삼성전자 반도체 부문(약 810억 달러), 인텔(약 530억 달러), SK하이닉스(약 480억 달러)다. 다섯 회사가 다섯 가지 다른 방식으로 돈을 번다. 엔비디아는 설계만 하고, TSMC는 남의 설계를 만들어 주기만 하며, 삼성전자는 둘 다 하고, 인텔은 설계와 제조를 한 회사 안에 두며, SK하이닉스는 메모리만 만든다.

장비와 소재 열은 원이 작지만 개수가 많다. 그리고 작은 원 하나가 산업 전체를 멈출 수 있다. ASML은 첨단 노광기인 EUV를 세계에서 혼자 만든다. 패키지 기판의 절연 필름은 아지노모토 한 회사가 사실상 전부 공급한다. 매출은 약 5억 달러로 지도에서 점에 가깝다. 이런 병목은 7장과 8장에서 집중도로 잰다.

단계마다 1등이 다르다

지도를 지역 색으로 다시 보면 칸마다 주인이 다르다는 것이 드러난다. 아래 표는 단계별 부가가치를 지역별로 나눈 것이다. 칸을 누르면 그 지역이 선택되고, 그 지역이 1등인 단계와 가장 약한 단계가 나온다. '전체 기여'로 바꾸면 각 칸에 그 단계의 크기(부가가치 비중)를 곱한 값, 즉 산업 전체에서 그 칸이 차지하는 몫이 나온다.

단계마다 1등이 다르다. 미국은 EDA·IP와 로직 설계, 장비에서 1등이고, 한국은 메모리, 대만은 웨이퍼 제조, 중국은 패키징·테스트에서 1등이다. 일본은 1등 칸은 적지만 장비와 소재에서 크게 2~3등을 지키고, 유럽은 EDA·IP와 장비에서 존재감이 크다. 산업 전체로 합치면 미국이 약 39%, 일본이 약 14%, 한국이 약 12%, 유럽·대만·중국이 각각 약 10%다(2019년).

그래서 어느 지역도 혼자서 첨단 칩을 만들 수 없다. 미국은 설계하지만 첨단 공정 제조를 대만에 기대고, 대만은 제조하지만 장비를 미국·네덜란드·일본에서 사 온다. 서로 기대는 구조가 효율을 만들었고, 동시에 한 곳이 멈추면 모두가 멈추는 위험도 만들었다. 이 구조가 13장의 지리, 14장의 정책 이야기로 이어진다. 한국의 칸이 왜 이렇게 생겼는지는 15장에서 본다.

돈을 버는 곳과 돈을 쓰는 곳

같은 산업 안에서도 단계마다 돈을 버는 방식이 다르다. 아래 세 기둥은 산업 전체의 부가가치, 설비투자, 연구개발비를 단계별로 쌓은 것이다. 띠를 따라가면 한 단계가 세 기둥에서 얼마나 굵어지고 가늘어지는지 보인다. 띠나 기둥을 누르면 그 단계가 강조된다.

세 기둥을 나란히 놓으면 세 가지 사업 유형이 보인다. 설계는 부가가치가 크고 설비투자가 작다. 사람과 소프트웨어로 값을 만든다. 제조는 설비투자가 부가가치보다 몇 배 크다. 공장 하나에 200억 달러가 들고, 그 돈의 4분의 3이 장비 값이다. EDA·IP와 장비는 R&D 비중이 부가가치 비중보다 훨씬 크다. 남보다 먼저 다음 세대 도구를 내놓지 못하면 시장을 잃는다.

이 차이가 산업의 모양을 정한다. 설비투자가 무거운 사업은 가동률이 떨어지면 바로 적자가 나므로 경기에 민감하다(3장). 설계 회사는 공장을 짓지 않고 빌려 쓰는 쪽을 택했다(4장). 같은 이유로 제조는 점점 몇 회사로 모였다. 3 nm 공장을 지을 수 있는 회사는 세계에 몇 곳뿐이다(9장).

설계 2년, 제조 석 달

칩 하나를 시장에 내놓는 데 얼마나 걸릴까. 첨단 칩은 사양을 정하는 데서 시작해 첫 제품을 고객에게 보내기까지 보통 2년 반에서 3년이 걸린다. 그 대부분은 설계와 검증이다. 아래 일정표에서 재생을 누르고, 공정 노드와 급행 여부를 바꿔 보자. '새 팹이 필요하다'를 켜면 공장이 없어서 지어야 하는 경우가 된다.

일정의 무게 중심은 앞쪽에 있다. 사양 결정과 설계·검증이 2년을 넘게 차지하고, 설계가 끝나 데이터를 공장에 넘기는 테이프아웃(Tape-out) 뒤로는 반년 남짓이다. 그 반년 가운데 가장 긴 것이 웨이퍼 제조다. 3 nm급 웨이퍼는 마스크 약 90장을 차례로 찍으며 공정 1,000여 단계를 지나는데, 이 모든 것에 석 달 안팎이 걸린다. 공정 하나하나는 몇 분이지만 장비 앞에서 기다리는 시간이 대부분이다.

공장을 새로 지어야 하면 이야기가 달라진다. 첨단 팹은 부지 공사에서 첫 웨이퍼까지 보통 2~3년, 장비 주문 리드타임만 1년이 넘는다. 수요가 늘었다고 바로 생산을 늘릴 수 없는 이 시간차가 반도체 경기를 출렁이게 만드는 원인이다. 3장에서 이 지연을 직접 돌려 본다. 공정 단계 하나하나가 무엇인지는 시리즈의 ProcessBook이 다룬다.

칩값은 어디로 가는가

칩 하나를 팔면 그 돈은 어디로 갈까. 파운드리에 웨이퍼 값을, 패키징 회사에 포장비를, 설계 도구와 IP 회사에 사용료를 내고, 남는 돈으로 설계에 들인 비용을 갚는다. 개당 비용은 대략 이렇게 쓸 수 있다.

마지막 항이 핵심이다. 설계비는 판매량으로 나눠지므로, 많이 팔면 개당 몫이 거의 사라지고 적게 팔면 판매가를 넘어선다. 아래에서 칩 종류를 고르고 판매량을 끝까지 줄여 보자.

세 칩의 모양이 전혀 다르다. 스마트폰 AP는 판매가의 약 3분의 1이 실리콘과 포장에 들고, 나머지는 설계비를 갚고 남는 몫이다. 수천만 개를 팔기 때문에 6억 달러 가까운 설계비가 개당 10달러 남짓으로 묽어진다. 판매량을 수백만 개로 줄이면 같은 설계비가 개당 100달러를 넘어 적자로 돌아선다. 첨단 공정 칩을 낼 수 있는 회사가 적은 이유다.

AI 가속기는 원가의 큰 몫이 로직 다이가 아니라 함께 포장되는 HBM 메모리다. 판매가가 원가보다 훨씬 높아 판매량이 줄어도 쉽게 무너지지 않는다. 차량용 MCU는 반대로 개당 몇 달러의 세계다. 성숙 공정이라 설계비가 작고, 대신 1억 개 단위로 오래 판다. 같은 '반도체'지만 사업의 생김새가 이만큼 다르다.

이 책이 따라갈 칩: AX-1

이 책은 장마다 같은 칩 하나를 붙잡고 간다. 가상의 팹리스 노바실리콘(미국)이 설계하는 데이터센터용 AI 가속기 AX-1이다. 실제 회사나 제품과는 무관하다. 각 장은 자기가 맡은 단계에서 AX-1에 무슨 일이 일어나는지, 무엇을 정해야 하는지를 계산해서 장 끝의 타깃 파일에 적는다.

이 칩이 시장에 닿으려면 여섯 단계를 모두 지나야 한다. 첫 질문은 단순하다. AX-1 하나에 몇 나라가 손을 대는가? 아래에서 먼저 예상을 고른 다음 재생을 눌러 경로를 따라가 보자.

설계는 미국, 장비는 유럽, 소재는 일본, 제조·포장·조립은 대만, 메모리는 한국. 지역 단위로만 세어도 다섯 곳이다. 설계 센터가 있는 인도, 테스트를 맡을 수 있는 동남아, 서버를 조립하는 멕시코까지 나라로 세면 더 늘어난다. 이 칩 하나를 시장까지 옮기는 과정이 이 책 전체다.