우리나라는 반도체 산업이 강하다고들 하는데, 유독 시스템반도체는 약하다는 얘기를 신문에서 많이 봅니다. 반면 영국 ARM, 미국 퀄컴 같은 회사들은 시스템반도체로 큰 이익을 남긴다고들 하는데, 시스템반도체는 어떤 반도체인지 궁금합니다. 이 반도체는 어떤 제품에 쓰이는지 또 우리나라에도 시스템반도체를 만드는 회사들이 있는지 알아보겠습니다.
반도체는 ‘어떤 특정한 조건에서만’ 전기가 흐르는 물질입니다. 그 조건이란, 반도체의 온도가 높아지면 전기가 흐르고 반대로 온도가 내려가면 전기가 흐르지 않는 것인데요. 이러한 특별한 성질을 이용해 전자기기를 제어하거나 정보를 기억하는 장치를 만드는 것입니다.
반도체는 크게 메모리 반도체와 비메모리 반도체 두 가지로 구분하는데요. 이 둘은 무슨 차이가 있을까요? 핵심은 정보를 ‘저장’하느냐 혹은 ‘처리’하느냐 입니다. 메모리 반도체는 정보를 저장하고 기억하는 반도체, 비메모리 반도체는 연산과 추론 등 정보를 처리하는 반도체이죠. 그럼 메모리 반도체와 비메모리 반도체를 차례대로 알아보겠습니다.
메모리 반도체
메모리 반도체는 그 이름처럼 정보를 기억하는 역할을 합니다. 크게 램(RAM, Random Access Memory)과 롬(ROM, Read Only Memory) 두 가지로 나뉘는데요. 이렇게 나뉘는 이유는 이 둘이 정보를 기억하는 방식이 다르기 때문입니다. 아직 잘 모르시겠죠? 밑에서 자세히 설명하겠습니다.
1. RAM (Random Access Memory)
예를 들어, 정보가 처리되는 공간을 우리의 방이라고 생각해 볼까요? 우리는 보통 책장에서 책을 꺼내 책상 앞에 앉아 읽습니다. 책상에 여러 개의 책을 쌓아 놓고 읽기도 하고 또 치우기도 하겠죠. 여기서 책을 정보라고 한다면 책상 역할을 하는 것이 바로 램인데요. 이렇게 손만 뻗으면 자유롭게 정보를 읽고 또 지울 수 있어서 ‘Random Access Memory’라고 말하는 것이죠. 전원이 꺼지면 저장된 내용이 사라진다고 해서 휘발성 메모리로도 불립니다. 이러한 램은 정보 저장방식에 따라 다시 D램과 S램으로 나뉩니다.
▶ DRAM (Dynamic Random Access Memory)
D램은 저장된 정보가 시간이 흐름에 따라 소멸되는 반도체입니다. 따라서 단시간 내에 주기억*으로 재충전시켜 주면 기억이 유지되기 때문에 컴퓨터의 기억소자*로 많이 쓰이는데요. 이렇듯 재충전하는 과정 때문에 ‘동적(Dynamic)’이란 이름이 붙었죠. 이러한 D램은 전체 메모리 반도체 시장의 53%를 차지하고 있는데요. 우리나라 반도체 기업들이 높은 점유율을 차지하고 있는 주력 분야 중 하나입니다. 용량이 크고 속도가 빠르기 때문에 컴퓨터의 메인 메모리, 그래픽 메모리, 스마트 TV 등에도 들어가고 스마트폰 및 태블릿 PC 등에도 모바일용 D램이 많이 사용되고 있죠.
▶ SRAM (Static Random Access Memory)
S램은 전원을 공급하는 한 데이터를 유지하는 반도체입니다. D램과 달리 전원이 켜져 있는 동안에는 기록된 데이터가 지워지지 않기 때문에 ‘정적(Static)’이란 이름이 붙었죠. 게다가 데이터 처리속도가 매우 빠릅니다. 하지만 회로가 복잡하여 집적도*가 낮고, 값이 비싸다 보니 대용량으로 만들기는 어렵다는 단점이 있는데요. 때문에 그래픽카드 등 주로 소용량의 메모리로 사용됩니다.
2. ROM (Read Only Memory)
앞서 책상을 램, 책을 정보에 비유했는데요. 우리가 자주 쓰지 않거나 책상에 올려두기 무거운 책들은 책장을 활용하죠? 책장은 책들을 넣어두고, 따로 정리하지 않는 이상 잘 치우지 않죠. 이렇듯 정보를 넣어두는 이 책장과 같은 메모리는 ‘Read Only Memory’, 롬이라고 합니다. 따로 지우지 않는 이상, 전력이 공급되지 않아도 정보가 사라지지 않는 특징을 가지기 때문에 비휘발성 메모리로도 불리죠.
대표적으로 컴퓨터 시스템의 기본 입출력 작업을 담당하는 입출력 시스템*이나 은행 ATM 기기를 이용할 때 사용되는 IC 카드* 등에 쓰입니다. 롬 안에서도 다양한 메모리가 있는데요. 그중 주목해야 될 것은 플래시 메모리입니다.
▶ 플래시 메모리(Flash Memory)
플래시 메모리는 전원을 끄면 저장된 정보가 사라지는 D램이나 S램과는 달리 전원이 꺼져도 저장된 정보가 사라지지 않는 비휘발성 메모리입니다. 데이터를 영구적으로 보존하는 롬(ROM)의 장점과 데이터를 고속으로 쓰고 지울 수 있는 램(RAM)의 장점을 모두 가졌다는 특징이 있죠. 주로 스마트폰, PC의 기억보조장치로 활용되며 사물인터넷(IoT), 빅데이터, AI의 발전과 함께 수요가 계속 늘어나고 있습니다. 또한 전력 소모가 적고 충격, 압력, 온도에 대한 내구성도 강해서 SSD(Solid State Drive, 반도체 기반 보조기억장치)에도 사용됩니다
플래시 메모리 안에서도 칩 내부의 회로 형태에 따라 NOR*과 NAND*로 구분되는데요. 이 중 기억해 둘 것은 바로 NAND(낸드, Nand Flash Memory)입니다. 낸드는 전원이 꺼지면 저장된 자료가 사라지는 D램이나 S램과 달리 전원이 없는 상태에서도 데이터가 계속 저장되는 플래시메모리를 말하는데요. 이런 특징 때문에 비휘발성 메모리라고 부르며 USB와 SSD로 사용되고 있습니다. 또한 메모리 반도체 시장의 43%를 차지하고 있습니다.
시스템 반도체
시스템반도체는 반도체의 한 종류입니다. 반도체 산업은 용도에 따라 메모리반도체와 시스템반도체로 구분됩니다. 이 중 메모리반도체는 데이터를 저장하는 역할을 하고, 시스템반도체는 연산·제어 등의 정보처리 기능을 갖고 있는 것이 특징입니다. 사람으로 치면 메모리반도체는 기억을 잘하는 사람이고, 시스템반도체는 정보가 빠르고 계산을 잘하는 사람이라고 할 수 있겠습니다. 시스템반도체는 비메모리 또는 시스템 LSI 라고도 부릅니다.
우리가 늘 쓰는 스마트폰에도 시스템반도체가 들어갑니다. 애플의 아이폰5S 같은 경우 제품 하나당 반도체가 21개 들어가 있는데 18개가 시스템반도체, 3개가 메모리반도체입니다. 이 중 정보 처리 및 연산을 담당해 스마트폰의 두뇌 역할을 하는 모바일 애플리케이션프로세서(AP)가 대표적인 시스템반도체 제품입니다. 어떤 스마트폰에 듀얼코어(Dualcore) 프로세서가 탑재됐다고 하면 그 스마트폰은 머리가 2개 있다는 이야기입니다. 쿼드코어(Quadcore) 프로세서가 들어있다면 머리가 4개 있는 셈이고, 듀얼코어 프로세서보다 훨씬 정보를 빨리 처리할 수 있겠죠. 이런 이유로 모바일AP를 스마트폰 성능을 좌우하는 중요한 반도체라고 부릅니다.
모바일 기기의 중앙처리장치인 AP, 컴퓨터의 중앙 처리장치인 CPU, 디지털 신호를 처리하는 DSP, LED, 배터리의 전력을 효율적으로 배분하는 전력관리 칩 PMIC, 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전기적인 영상 신호로 바꿔 주는 CMOS 이미지센서(CIS), 디스플레이 드라이버IC(DDI), 통신, 각종 센서 등 다양한 전자제품에서 핵심 역할을 담당하고 있기 때문에 회로가 복잡하고 종류가 매우 많습니다.
비메모리 반도체 시장은 전 세계 반도체 시장에서 70% 이상을 차지하고 있고, 우리나라 정부 또한 3대 육성 산업으로 비메모리 산업을 선정하기도 했을 만큼 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.
시스템 반도체의 중요성
스마트폰에서 쓰이는 여러 가지 기능을 한 번에 처리하려면 적지 않은 전력이 소모됩니다. 하지만 전력이 필요하다고 배터리를 두껍게 만들면 제품이 무거워져 불편하겠죠. 그 때문에 제조업체들은 얇은 배터리를 장착하고 시스템반도체인 전력관리칩을 답니다. 이 칩은 사용하지 않는 기능에 소모되는 전기량은 최소화하고, 배터리의 전력이 효율적으로 배분되도록 돕는 역할을 맡습니다. 이렇게 시스템반도체는 전력·빛·소리 같은 아날로그 신호를 제어하고 처리하는 역할도 할 수 있습니다. 이 밖에도 통신용 칩, 디지털 신호를 처리하는 칩(DSP) 등이 모두 시스템반도체로 분류됩니다.
세계 반도체 시장에서 메모리반도체는 20%를 차지하고 있습니다. 반면 시스템반도체가 차지하는 비중은 80%에 달합니다. 우리나라가 반도체 산업이 강하다고 말하는 이유는 메모리반도체 부문에서 점유율이 높기 때문입니다. 삼성전자나 SK하이닉스 같은 회사들은 메모리반도체의 종류인 D램·낸드플래시에서 세계 시장 점유율의 절반을 넘게 차지하고 있습니다.
메모리반도체는 대규모 시설투자가 필요한 제품입니다. 하나의 제품을 만들기 위해 300~400개의 공정이 필요하고, 수천 명의 엔지니어들이 협업해야 합니다. 하지만 먼저 대규모 투자에 나서 제품 개발에 성공하고 안정적인 생산기에 접어들면 그다음부터는 세계시장의 절반을 차지할 정도로 ‘승자독식’인 특징을 가지고 있습니다.
시스템반도체는 메모리반도체에 비해 구조가 복잡합니다. 메모리반도체는 정보를 많이 안전하게 저장하는 핵심기능만 만족하면 되지만, 시스템반도체는 여러 가지 정보 처리 능력을 갖추기 위해 여러 종류의 회로들을 한 기판에 집어넣어야 하기 때문입니다. 회로끼리 엉키면 제품이 제대로 작동하지 않기 때문에 고도의 정밀 설계 기술이 필요하다는 게 특징입니다. 또 메모리반도체처럼 제품 규격이 정해져 있지도 않습니다. 창의적인 설계 하나로 얼마든지 더 효율적인 시스템반도체를 만들 수 있는 것입니다.
삼성전자가 지난해 반도체 기업 매출 1위 자리를 미국 인텔에 내줬습니다. 2017년 처음 1위에 오른 지 2년 만이다. 2018년 하반기부터 D램, 낸드플래시 등 주력 제품 가격이 하락한 영향으로 분석된다.
삼성전자, SK하이닉스, 마이크론은 모두 D램 등 메모리 반도체가 주력인 회사다. 2018년 하반기 시작된 메모리 가격 하락의 영향으로 작년 매출이 전년 대비 29~38% 떨어졌다. 가트너는 “D램 시장의 공급과잉으로 전체 메모리 시장이 전년 대비 32.7% 축소됐다”며 “메모리 시장의 침체가 2017년과 2018년 1위였던 삼성전자에 부정적 영향을 미쳐 인텔이 1위 자리를 되찾았다”고 설명했다.
가트너는 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 등의 여파로 올해 반도체 시장 규모가 작년보다 0.9% 줄어들 것으로 내다봤다. 코로나19 사태 이전 전망치(12.5% 성장)를 하향 조정했다. 앤드루 노우드 가트너 부사장은 “코로나19 영향으로 2020년 세계 반도체 시장은 다시 축소될 전망”이라며 “코로나19로 대부분의 지역에서 소비와 기업 지출이 감소할 것”이라고 예상했다.
올해 세계 반도체 설비투자 규모도 전년 대비 약 3% 줄어들 것으로 전망됐다. 시장조사업체 IC인사이츠는 이날 올해 반도체 설비투자 규모를 990억달러(약 120조5000억원)로 예상했다. 지난해 설비투자액은 1023억달러다. IC인사이츠는 “하반기에 코로나19가 진정되지 않으면 설비투자 감소가 불가피하다”고 설명했다.
메모리 반도체도 시스템 반도체도 모두 최고인 대한민국이 되었으면 좋겠습니다.
