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[반도체 전쟁] '칩4 동맹' 직면한 중국, AI칩 개발 등으로 타개 모색

박정한 기자

기사입력 : 2022-08-15 13:00

중국이 미국, 대만, 한국, 일본 중심의 '칩4 동맹' 결성으로 반도체 봉쇄를 우려하고 있다. 자료=글로벌이코노믹이미지 확대보기
중국이 미국, 대만, 한국, 일본 중심의 '칩4 동맹' 결성으로 반도체 봉쇄를 우려하고 있다. 자료=글로벌이코노믹
세계 경제가 고도로 디지털화되면서 칩 수요가 산업 전반에 걸쳐 급증했다. 이런 가운데 코로나 영향으로 글로벌 칩 반도체 산업의 공급망과 물류 체인 파괴가 겹쳐 칩 수급의 차질이 전 세계로 심화되었다.


디지털 시대의 총아로 칩 반도체는 국제 경쟁의 맥락에서 전략적이다. 디지털 경제, 지정학 결합 효과로 칩 반도체 산업의 보안 및 탄력성 실현은 국가와 기업 간 경쟁의 초점이 되었다.

특히, 미국이 세계 최고 기술력을 보유한 한국, 대만, 일본을 묶어 ‘칩4 동맹’을 결속하고 중국을 배제하려는 움직임을 보이자 중국은 새로운 도전에 직면해 있다.

◇반도체 칩 시장 현황과 추세


반도체는 상온에서 도체와 절연체 사이에 전도성이 있는 물질이다. 제품은 크게 집적회로, 광전자소자, 이산소자, 센서의 4가지로 구분된다. 이 4가지 제품 중 집적회로는 반도체 제품의 80% 이상을 차지해 업계에서는 반도체산업을 집적회로 산업이라고도 한다.

집적회로(IC)는 트랜지스터, 다이오드 및 기타 구성 요소를 특정 회로에 따라 특정 프로세스 플로우를 통해 상호 연결하는 회로 또는 시스템을 말하며, 반도체 웨이퍼에 ‘집적’되어 특정 기능을 수행하므로 회로 또는 시스템 칩, 웨이퍼 칩으로 불린다.

통상 시장에서는 기술적 세부 사항을 고려하지 않고 반도체, 집적 회로 및 칩은 기본적으로 동일한 개념으로 간주된다. 글로벌 반도체 체인은 주로 반도체 지원 산업, 제조 산업 및 응용 산업으로 구성된다. TSMC와 같은 파운드리 전문업체, 인텔‧텍사스 인스트루먼트와 같은 완전 설계 및 생산 회사(IDM, 독립 개발 제조업체), 퀄컴‧브로드밴드‧미디어텍 등 독립 디자인 회사(Fabless)도 있다.

칩 반도체 산업은 글로벌 산업이다. 비교 우위 원칙에 따라 국가와 지역은 여러 반도체 부문에서 서로 다른 장점을 가지며 소수의 독점 기업에 고도로 집중되어 있다.

하지만 코로나의 영향과 지정학 강화로 기존 산업 구조가 느슨해지기 시작했다. 글로벌 칩 반도체 산업 패턴은 다음과 같은 특징이 있다.

첫째, 지역특화의 특성이 두드러진다. 보스턴컨설팅그룹과 미국반도체협회가 공동으로 발간한 ‘불확실성의 시대 글로벌 반도체 공급망 강화에 관한 보고서’에 따르면 미국은 강력한 과학적 연구를 바탕으로 반도체 R&D 집약적 분야에서 주도적인 위치를 차지하고 있다. 특히 전자 자동화 설계‧핵심 지적 재산(EDA/IP, 74%), 논리 장치(67%), 제조 장비(41%) 및 기타 부문의 혁신 능력을 보유하고 있다.

중국 본토의 비교 우위는 패키징 및 테스트(38%), 웨이퍼 제조(16%), 원자재(13%)이며, EU의 비교 우위는 EDA/IP(20%), 제조 장비(18%)에 있다. 한국, 일본 및 대만은 재료, 메모리, 웨이퍼 제조 분야에서 절대적인 위치를 차지한다.

현재 지역별 글로벌 칩 생산력은 대만 22%, 한국 21%, 중국 본토와 일본 각각 15%, 미국 12%, 유럽 9% 등이다. 동아시아 지역의 반도체 생산 능력이 세계 전체의 73%를 차지한다. 이에 따라 동아시아 반도체 장비용 칩 제조 시장 규모는 세계 시장의 83.85%에 이른다.

둘째, 시장 집중도가 높다. 반도체 산업은 장벽이 높고 전형적인 자본-기술 이중 집약형 산업으로 핵심 부품과 생산 원자재를 소수 기업이 독점하고 시장 집중도가 여전히 높다.

글로벌 반도체 기업 중 미국 기업이 상위 10위 안에 8곳을 점유, 이들의 종합 경쟁력은 업계 1위다.

세분화의 관점에서 핵심 기술은 종종 소수의 대기업에서 독점한다. 반도체 실리콘 웨이퍼와 전자특수가스 기술을 예로 들면 전자는 일본 신에츠화학, 일본 센카오, 중국 대만 들로벌 웨이퍼, 독일 시추앙, 한국 SK하이닉스 5개사가 주로 점유하고 있다. 후자는 어메리칸 에어가 지배하고 있다. 프랑스 에어리퀴드, 일본 다요닛폰애씨드, 독일 린데 4개 기업이 독점하고 있다.

포토레지스트 공급업체 중 일본 업체가 세계 시장 점유율 72%를 차지하는 절대적인 우위를 점하고 있다. 반도체 장비 시장은 미국, 네덜란드, 일본의 제조사들이 장악하고 있다. 네덜란드의 대기업 ASML은 전 세계 하이엔드 리소그래피 기계 시장의 83.3%를 독점한다.

셋째, 디지털화 과정이 가속화되고 칩에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있어 ‘코어 부족’의 딜레마가 계속될 것으로 예상되며 글로벌 반도체 산업 체인 조정이 시급하다.

코로나로 칩 공급이 부족한 가운데 디지털화 프로세스 가속화로 칩 수요가 지속적으로 증가했다. 자율주행차, 인공지능, 산업용 인터넷 등 새로운 칩 수요 시장은 디지털을 통해 끊임없이 창출되고 있다. 한편, 디지털 시대에 홈오피스, 스마트홈, 가상현실 등의 업무, 생활, 엔터테인먼트 방식도 대중화되면서 글로벌 칩 수요가 지속적으로 증가 중이다.

IC 인사이트에 따르면 세계 칩 시장은 2021년 약 5500억 달러 규모이며, 2030년에는 세계 칩 시장이 1조 달러를 넘어설 것으로 예상된다.

◇새로운 경쟁의 시작


주요 경제국들은 전략적으로 반도체 산업과 관련된 산업정책에 큰 관심을 보이고 있다. 투자뿐만 아니라 조세, 무역, 감독 및 독점 금지 같은 일련의 조치를 통해 자체 전략 산업의 발전을 지원하는 다양한 조치를 시작했다.

반도체 산업 특성과 고도 기술과 자본집약도로 인해 새로운 산업경쟁시대는 참가자가 훨씬 적으며 현재 유럽연합(EU), 미국, 한국, 일본, 중국, 대만 및 기타 소수의 플레이어에서 반도체 산업 가치 사슬의 96%(2019년)와 전 세계 칩 생산 능력(2020년)의 93%를 차지한다.

각 국가와 기업들은 장점을 더욱 공고히 하기 위해 칩 반도체 산업을 둘러싼 새로운 경쟁을 시작했다.

현재 유럽은 제조 능력이 2000년 24%에서 8%로 떨어지자, 단점을 바꾸기 위해 유럽연합 집행위원회가 2021년 3월 ‘디지컬 컴퍼스 2030: 디지털의 유럽 10년으로 가는 길’을 발표하면서 EU에서 생산되는 첨단 반도체가 세계 총생산(GDP)의 20%에 도달할 것을 제안했다. 2030년까지 생산을 높이고 외부 공급을 줄이고 유럽의 고급 제조 경쟁력을 재편하려고 한다.

2022년 2월 유럽 집행위원회는 칩 설계 및 제조를 지원하고 기술 분야에서 유럽의 리더십을 강화하기 위해 2030년까지 430억 유로를 투자하도록 하는 ‘칩스법’을 발표했다. 2022년 3월, 칩 대기업 인텔은 독일‧프랑스, 기타 국가에서 설계에서 제조에 이르는 전체 범위의 칩 산업 체인을 구축하려고 향후 10년 동안 800억 유로를 투자할 것이라고 발표했다.

미국도 달라졌다. 2022년 2월, 미국 하원은 3000페이지에 달하는 2022년 미국 경쟁법을 통과시켰다. 이 법안은 자동차 및 컴퓨터 부품 문제를 해결하기 위해 미국 반도체 연구 및 제조에 520억 달러 예산 책정 및 보조금을 제공한다. 기술 제품의 공급망에 450억 달러를 제공한다.

또한 ‘반도체 10개년 계획’(2020년), ‘칩스법’(2020년), ‘혁신 및 경쟁법’(2021년) 등을 연이어 발표해 반도체 투자 촉진에 나섰다.

이런 움직임에 부응해 2020년 5월 TSMC는 미국 애리조나에 5개의 추가 파운드리 건설을 발표했으며 2022년 초 인텔도 200억 달러를 투자해 미국 오하이오에 2개의 새로운 반도체를 건설할 것이라고 발표했다.

2021년 5월 한국은 2030년까지 한국을 종합 반도체 강국으로 만들고 글로벌 반도체 공급망을 지배하기 위해 ‘K-반도체 산업 벨트’를 구축하기 위한 ‘K-반도체 전략’을 발표했다.

정부는 관련 기업에 조세감면, 금융, 인프라 등을 지원해 최대 50% 세액을공제할 수 있다. 이와 함께 정부는 1조원 규모의 반도체 장비 투자를 위한 특별기금도 조성한다.

삼성과 SK하이닉스를 대표하는 153개 기업이 2021~2030년 동안 총 510조원을 투자해 부품 및 첨단 장비, 시스템 반도체의 혁신에 힘쓰겠다고 긍정적으로 답했다. 한국 업계는 세계 유일 EVU 노광 장비 업체인 ASML과 2400억원을 투자해 대한민국 경기도에 EVU 종합 클러스터를 구축할 예정이다.

일본도 뒤처지지 않는다. 2021년 6월 경산성은 식품‧에너지 산업과 마찬가지로 반도체 산업을 ‘국책과제’로 선정한 ‘반도체 디지털 산업 전략’을 발표했다.

이를 위해 ‘IoT 반도체 생산기지 건설 가속화’, ‘미일 반도체 기술 협력 촉진’, ‘신기술 혁신’의 3단계 전략 계획을 추진한다.

일본 정부는 TSMC의 일본 투자 유치를 위해 ‘특혜’를 제공한다. 신에너지산업기술개발기구(NEDO)에 수천억 엔 규모의 건설기금을 조성하고 반도체 생산공장 건설비의 50%까지 지원한다.

중국은 반도체 산업의 발전을 촉진하기 위해 최근 몇 년 동안 관련 정책을 지속적으로 도입했다. 2016년 국무원에서 발표한 ‘13차 5개년 계획’ 국가 전략 신흥 산업 발전 계획은 핵심 기본 하드웨어의 공급 능력 향상을 강조했다. 2019년에 발행된 ‘재무부 및 국가 세무국 집적 회로 설계 및 소프트웨어 산업 기업에 대한 소득세 정책에 관한 고시’는 반도체 기업 소득세를 감면한다. 2020년 국무원은 ‘새 시대 집적회로 산업 및 소프트웨어 산업의 고품질 발전을 촉진하기 위한 여러 정책’을 발표하여 관련 연구 개발을 장려했다.

‘중국 국가경제사회 발전을 위한 14차 5개년 계획과 2035년 비전 개요’도 집적회로 독립의 속도를 높이는 내용으로 작성되었다.

대만은 세계 최고 강력한 반도체 제조 파운드리 역량을 보유해 거의 ​​모든 공정 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 현재 대만과 한국만이 10nm 이하 웨이퍼 제조 파운드리 생산능력을 보유하고 있다. 대만은 파운드리의 생산 점유율 92%를 점유하고 있다.

TSMC는 2022년에 400억~440억 달러에 달하는 투자를 할 계획이고 2nm, 3nm, 5nm 및 7nm와 같은 고급 공정 투자에 주력하고 있다.

◇경쟁 가속화의 배경


반도체 칩 산업은 단순 경제 문제나 시장 문제가 아니라 산업의 특수성으로 인해 점점 더 많은 국가와 지역에서 전략적 문제로 간주된다. 이는 다음과 같은 배경이 작용하기 때문이다.

첫째, 디지털화 가속화다. 세계 경제의 급속한 디지털화로 국가는 칩 반도체 산업에 점점 더 관심을 기울이고 있다. 규모 면에서 2020년에는 전 세계 47개국 디지털 경제 부가가치가 32조6000억 달러에 달해 글로벌 GDP의 43.7%를 차지한다. 또한 반도체 산업은 GDP 성장을 촉진하는 데에도 큰 역할을 한다.

글로벌 디지털화의 가속화에 따라 인공지능, 블록체인, 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터로 대표되는 신흥 산업이 디지털 시대 글로벌 경쟁의 핵심이 되었다.

이에 세계 주요 국가들은 이 분야를 주목하고 관련 산업의 발전을 지원하는 정책을 내놓고 있다.

둘째, 국유화다. 3차 산업혁명은 원자력, 전자 컴퓨터, 우주기술을 주축으로 하며, 이러한 기술들은 자유시장 경쟁이 아닌 미‧소 패권을 핵심 목표로 국책과 투자를 중심으로 개발되었다.

인공지능, 블록체인, 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터 같은 4차 산업혁명도 국가 지원 없이는 추진하기 어렵다. 모든 주요 경제국은 디지털 프로세스 촉진을 정부의 핵심 과제로 삼고 있다. 디지털 시대 글로벌 경쟁에서 국가는 경쟁 주체로 부상했다.

천문학적 비용이 투입되는 데다 고급 인력의 뒷받침, 막대한 전기, 수자원 등이 투입되기에 개별 기업만으로는 감당할 수 없다.

끝으로 경제안보다. 과열 경쟁이 진행되고 경제안보가 부상함에 따라 정부가 경제적 민족주의 정책을 시행하기 시작했으며, 경제 불균형이 급속하게 정치화되고, 이전에 확립된 상호의존적 경제 체제가 국가 위기의 배경으로 작용하고 있다.

국가는 공급망 안정을 추구하기 위해 주요 산업 및 분야의 외부 의존도를 줄이고 자급자족을 높이려고 한다. 글로벌 반도체 산업 체인은 극소수의 기업과 특정 국가 및 지역에 의존하고 있어 보다 균형 잡힌 상호 의존 관계를 촉진하기 위해 국가는 칩 공급을 더 이상 단일 국가 또는 회사에 의존하지 않도록 안전하고 탄력적인 공급망을 구축하기 위한 정책 조치를 도입 중이다.

◇서방의 봉쇄에 고전하는 중국, 직면한 도전과 기회


도전 과제는 주로 두 가지다.

하나는 과학기술이다. 현재 중국 반도체 제품은 주로 반도체 재료, 웨이퍼 제조, 패키징, 테스팅 등 저가형 분야에 집중되어 있다. 반도체 생산능력도 28나노 이상의 공정이 주류다.

기술 수준의 차이로 인해 CPU, GPU, 메모리 등 거의 모든 분야가 수입에 의존한다. 통계에 따르면 중국의 반도체 장비 국산화율은 20% 미만이다. 중국 수출입 가운데 1위가 반도체 관련된 것이다. 해외 의존이 높다.

둘째, 국제정치적 도전이다. 미국의 견제가 본격화되었다. 미국은 분아별로 세계 최고 경쟁력을 가진 일본, 한국, 대만 등을 동맹으로 결속했다. 중국에 있는 생산 회사에서는 고급 공정을 불허한다. 중국 하이테크 기업의 발전을 억제하려고 한다.

세계 반도체 시장이 재편되고 있다. 기술 중심의 칩4동맹과 세계 최대 반도체 시장의 중국이 경쟁하고 있는 것이다. 자료=글로벌이코노믹이미지 확대보기
세계 반도체 시장이 재편되고 있다. 기술 중심의 칩4동맹과 세계 최대 반도체 시장의 중국이 경쟁하고 있는 것이다. 자료=글로벌이코노믹

이러한 위기와 도전 속에서 중국이 취할 수 있는 기회도 있다. 산업 구조를 최적화하고 가치 사슬을 개선할 수 있다.

첫째, 미국의 중국 봉쇄는 자유시장 질서에 위배한다. 이런 봉쇄는 최첨단 기술을 독자적으로 확보하려는 중국의 의지와 속도를 배가한다.

둘째, 미국의 ‘고급 칩 수출 금지’는 중국 기업에게 국내 시장을 제공한다. 미국이나 일본, 한국, 대만이 장악하고 있는 중국 반도체 시장에서 배제된 중국 기업들에게 시장을 확대할 수 있는 절호의 기회다.

셋째, 정부 투자 증가는 칩 반도체 산업의 급속한 발전에 동력을 제공한다. 2014년에 국가 집적 회로 산업 투자 기금이 설립되었고 1단계에서 1387억 위안 이상을 조성했으며 그 중 집적 회로 제조가 67%를 차지했다.

중국반도체공업회 자료에 따르면 중국 집적회로 제조산업 규모는 해마다 증가하여 2020년에는 2560억 위안에 달했다. 전년 대비 19.11% 성장했다.

◇중국의 서방 반도체 봉쇄 대응 전략


중국은 고부가 첨단 사업국가로 대전환하기 위해 서방의 봉쇄를 극복하려고 한다. 반도체 칩 산업은 디지털 사회에 필수이기에 중국은 자조에 나섰다.

아직은 계획과 이론적인 수준이다. 당장에 따라잡을 묘책은 없다. 시간이 소요되는 전략이다.

첫째, 전략적 프로젝트로 수행한다. 봉쇄에도 불구하고 원전 산업과 항공 우주 산업에서 돌파구를 마련했듯이 반도체 칩 산업에서도의 맞춤형 국가 발전 전략을 마련해 체계적으로 추진할 계획이다.

둘째, 정부 지원을 더 강화하고 설계 분야에서 경쟁력을 확대할 복안이다. 발전 초기에는 혁신을 위해 필요한 다양한 지원책들과 막대한 자본투자가 필요하다. 정부는 반도체 산업 발전을 위한 장기 로드맵을 결정하고 다양한 발전 단계에서 상황에 따라 투자, 세금, 금융 및 지적 재산권과 같은 상응하는 지원 조치를 마련해야 한다. 국가 자원 할당, 완전한 산학 연구 혁신 시스템을 구축하고 지역 기술 혁신 및 기업 발전을 위한 좋은 개발 환경을 제공한다.

셋째, 인재 양성과 해외 우수 자원 도입을 가속화한다. 반도체 산업은 세계 최고 수준의 과학기술 인력의 경쟁이며, 인재 격차에 직면해 있다. 중국은 실무자들이 주로 제조업 분야에 집중되어 있어 양과 질 면에서 업계의 요구에 부응하기 어렵다.

중국 전자정보산업발전연구소의 예측에 따르면 IC 인재 격차는 2022년에 25만 명에 달한다. 총 필요 인재 대비 충원 가능 인력은 절반 수준이다.

따라서 STEM 교육 투자를 강화하고, 국제적 인재 도입 및 귀화제도를 구축하려고 한다. 주요 대학, 기업체 및 과학 연구기관을 결합해 다양한 유형의 전문 인재를 공동으로 양성하고 배출한다. 전 세계의 인재를 모아야 반도체 칩 산업에서 경쟁력을 확보할 수 있다.

한편, 중국은 봉쇄에 대비해 특화된 분야로 패키징과 설계에서 글로벌 최고 수준에 조기 도달하려는 복안을 가지고 있다. 선택과 집중이라는 관점에서 여기에 투자를 더 집중할 복안이다.

특히, 지금 시장을 지배하는 패러다임에서 중국은 2류나 3류에 불과하기에 현재 패러다임을 해체하기 위해 다음 단계 반도체 칩 시장을 이끌 대안으로 AI칩 개발에 전력을 기울이려고 한다.

웨이퍼 상에 500억 개의 적층 구조를 가진 10나노 이하의 최첨단 반도체 칩은 전기 소비량이 너무 많고 설계와 제조, 장비에 이르기까지 천문학적 비용과 시간이 소요되는 데 AI칩을 통해 일정 부분을 단축하려는 것이다.

원리는 이렇다. 슈퍼컴퓨터가 수많은 연산을 가장 빠른 시간에 답을 찾는 과정을 거치는 것과 대비해 양자 컴퓨터는 그 과정 자체를 하나의 패턴으로 인식해 한꺼번에 해결한다. 이를 반도체 칩 개발에 도입해보려는 구상이다.

중국은 자신들의 약점 보완을 위해 논리적 비약을 도입하려고 하는 생각이 있는데 실현 가능성은 100% 아니면 0%다. 꿈을 꾸는 것이다. 이루어질 것인지는 누구도 알 수 없다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com

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