메모리 반도체 시장 핵심 이슈, ‘Top 4’
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메모리 반도체 시장 핵심 이슈, ‘Top 4’
  • 신동윤
  • 승인 2019.06.05 08:30
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시장 불황의 이유와 반등을 위한 노력은 무엇인가

최근 메모리 반도체 업계는 극심한 부침을 겪고 있다. 많은 지표들이 시장의 침체를 나타내고 있지만, 빅데이터와 인공지능이라는 반도체 집약적인 산업의 급성장이나, 자동차와 같은 새로운 시장의 등장, 그리고 미세공정 기술과 같은 새로운 기술적 트렌드가 대두됨에 따라 향후 발전 가능성이 높은 것도 사실이다. 여기에 미국과 중국의 무역전쟁이라는 새로운 이슈는 메모리 반도체 시장을 더욱 오리무중으로 만들고 있다.
최근 반도체 메모리 시장을 휩쓸고 있는 시장의 극심한 침체와 미중 무역전쟁, 그리고 미세공정 기술과 자동차용 반도체 메모리와 같은 4가지 이슈를 하나씩 짚어보자.

분명히 안좋지만, 희망은 남아있다
가트너가 올해 초 발표한 자료에 의하면 지난 2018년 전세계 반도체 매출은 2017년 대비 13.4% 성장한 4767억 달러를 기록했다. 특히 메모리가 전체 반도체 매출에서 차지하는 비중이 2017년 31%에서 2018년 34.8%로 크게 증가하면서 전체 반도체 분야 중 가장 큰 부분을 차지했다.
메모리가 2018년 27.2%의 매출 성장과 34.8%라는 높은 점유율을 기록한 것은, 2018년 4분기를 제외한 연중 대부분의 기간동안 DRAM의 평균 판매 가격이 증가했기 때문이다. 반면 NAND 플래시는 2018년 공급과잉으로 인해 연중내내 평균 판매 가격이 하락함에 따라 고전을 면치 못했다. 그러나 SSD 도입률 증가와 스마트폰 콘텐츠 증가에 힘입어 6.5%의 매출 증가를 기록했다.
가트너의 부사장 겸 애널리스트인 앤드류 노우드(Andrew Norwood)는 “삼성전자는 DRAM 시장의 호조로 전세계 반도체 시장에서 1위 자리를 차지했다”며, “2017년의 성장세가 2018년에도 이어졌으나, 2018년 총 메모리 매출 증가율은 2017년의 절반에 불과했다. 이는 2018년 하반기에부터 메모리 시장의 침체가 시작됐기 때문”이라고 말했다.
올해 메모리 반도체 시장은 아직 시장을 이끌어 나가야 할 DRAM의 공급 과잉과 가격 하락으로 인해 어려운 상황을 맞이하고 있으며, 중국과 미국 간의 무역 전쟁 등의 악재가 영향을 미칠 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고 올해 하반기, 그리고 내년에는 시장 성장을 예상하는 목소리가 높은 것은 4차 산업혁명으로 인해 대량의 메모리를 요구하는 인공지능과 빅데이터 등이 더욱 빠른 속도로 성장하고 있을 뿐 아니라, 자율주행 등의 기술이 자동차에 접목되면서 이제는 자동차 또한 메모리 업계의 주요 고객으로 떠오르고 있기 때문이다.
이외에도 7nm 이하의 미세공정 기술이 적용된 메모리 등 저전력 고집적 고부가 메모리 시장이 새롭게 열릴 것으로 예상됨에 따라 메모리 반도체 업계의 수지 개선이 이뤄질 것으로 예상되고 있다.

반도체 수퍼 사이클에 이은 시장의 침체 국면
앤드류 노우드 부사장의 “2019년에 접어들면서 메모리는 이미 하락세에 접어들었고, 미국과 중국 간의 무역 전쟁이 시작되고 있으며, 전세계 경제에 대한 불확실성이 고조되고 있다”는 말을 증명이라도 하듯, 올해 들어 삼성전자는 1, 2분기 연속으로 인텔에 밀려 반도체 시장에서 2위로 내려앉았고, 2019년 1분기에는 매출 52조 원, 영업이익 6조 2000억원을 기록하면서 전년 동기 대비 각각 14.13%, 60.36% 감소한 실적을 발표해 충격을 줬다. 이는 2016년 3분기 이후 10분기 만에 기록한 최저치로 역대 최고치를 기록했던 지난해 3분기와 비교하면 1/3 수준이다. 이는 삼성전자의 성장 동력이었던 디스플레이와 메모리 분야가 가격하락과 비수기에 따른 수요 약세에 따른 것으로 분석되고 있다.
하지만 이런 반도체 메모리 시장의 침체가 최근 반등 조짐을 보이고 있다는 의견이 지배적이다. 반도체 시장의 침체에도 불구하고 제조업체들의 주가가 지속적으로 오르고 있다는 것이 그 증거이며, 대형 IT 업체들의 반도체 재고 물량이 빠르게 소진되고 있기에 내년 이후에는 바닥을 치고 급격한 V자 곡선을 그릴 것이라는 전망이 나오고 있다.
반도체 시장이 침체기에 접어들고 있음에도 관련 주가가 계속 상승하는 것은 투자자들이 반도체 재고가 소진됨에 따라 수요가 회복 곡선을 그리면서 반도체 경기가 개선될 것으로 기대하고 있기 때문이다.
이미 지난 4월부터 우리 나라 반도체 수출 증가율이 개선되고 있으며, 업계 전문가들의 아마존, 구글, 페이스북 등의 글로벌 IT업체들의 메모리 반도체 재고 물량이 빠르게 소진되고 있다는 분석에 하반기 반도체 경기 회복을 점치고 있다.
메모리 반도체 시장이 침체 국면에서 벗어난다고 하더라도 지난해 수준의 호황은 누리기 힘들 것으로 보인다. 반도체 가격이 지나치게 많이 떨어졌을 뿐 아니라 수요 회복도 빠르게 정상화되기는 힘들 것으로 보이기 때문이다.
더구나 현재 미국과 중국 사이에서 이뤄지고 있는 무역 전쟁으로 인해 반도체 시장에 불확실성이 지나치게 높으며, 메모리 반도체를 중심으로 성장해 온 삼성전자나 SK하이닉스 등의 국내 반도체 업체들이 향후 비메모리 반도체 분야에 전폭적인 투자를 발표함에 따라, 메모리 시장에서 비메모리 반도체로 비즈니스의 중심이 이동하는 것은 아닌지에 대한 우려섞인 시선도 있다.
‘사업 다각화’와 ‘선택과 집중’이라는 갈림길에서 정답은 알 수 없지만, 삼성전자나 SK하이닉스 등의 국내 반도체 제조업체들은 불확실성이 높은 시장의 변화에 대비하기 위해 사업 다각화에 더욱 큰 방점을 두고 있는 것으로 판단된다.

중국의 추격과 미중 무역 분쟁의 영향
시진핑 중국 국가주석은 지난 2018년 YMTC(Yangtze Memory Technologies)를 방문한 자리에서 “반도체는 사람의 심장과 같다. 심장이 약하면 덩치가 아무리 커도 강하다고 할 수 없다”며 반도체의 중요성을 역설하고, 중국 내에 글로벌 반도체 제조업체를 만들고, 2025년까지 반도체 자급률 70%를 달성하기 위해 반도체 산업에 1조 위안을 투자하겠다고 밝힌바 있다.

지난 2018년 2990억 달러 규모의 반도체를 수입한 것으로 추정되는 중국은 이런 수입 상황을 개선하기 위해 국가 차원에서 적극적인 지원에 나선다는 것이다. 물론 아직 중국과 한국의 메모리 반도체 기술력에는 아직 차이가 있는 상황이지만, 이런 격차는 중국 정부의 전폭적인 지원에 힘입어 빠르게 메꿔지고 있다.
푸젠진화반도체와 이노트론은 DRAM 시장에 진출할 것이라고 밝힌 바 있으며, YMTC는 3D NAND 플래시 생산을 공언했다.
물론 이런 중국의 ‘반도체 굴기’는 미중무역분쟁의 여파로 크게 흔들리고 있는 상황이기는 하다. 예를 들어 대만의 UMC와 DRAM 개발을 추진하던 푸젠진화는 지난해 말까지 양산에 들어간다는 목표를 달성하지 못한 것은 물론이고 시제품조차 내놓지 못했다.
이는 지난 2018년 10월 미국 정부가 푸젠진화에 대한 미국산 반도체 장비 수출을 중단함에 따라 생산설비 도입에 차질을 빚은 것으로 알려져 있다. 이에 푸젠진화는 DRAM 생산을 포기하고 파운드리로 전환을 꾀하고 있다.
지난해 말 삼성전자에서 메모리 반도체 설계를 담당했던 임원을 영입한 이노트론 또한 최근 25억 달러 규모의 R&D 투자를 발표하는 등 공격적인 모습을 보이고 있지만, 아직 가시적인 성과를 보여주지 못하고 있다. 이노트론은 특히 미국이 아닌 유럽쪽에서 반도체 장비 조달을 시도해 왔으며, 특히 ASML과 접촉을 시도해 왔으나, ASML 출신 중국인 직원들이 미국에 설립한 XTAL과의 소프트웨어 불법 탈취 소송을 벌이고 있어 대중국 수출이 그리 쉽지 않을 것이란 관측이다.
현재 가시적인 성과를 보이고 있는 유일한 업체는 YMTC로, 디지타임즈(DigiTimes)의 기사에 의하면 올해 4분기에 64단 NAND 플래시 양산을 시작할 것이라는 예측이다. 하지만 YMTC는 현재 32단 NAND 플래시의 프로토타입만을 발표한 상태에 불과해, 이 스케줄이 지켜질 수 있을 지는 의문이다. YMTC는 이외에도 2020년까지 128단 NAND 플래시까지 양산할 계획이라고 밝힌바 있다.
그럼에도 불구하고 중국의 ‘반도체 굴기’에 대해서는 충분한 주의를 기울일 필요가 있다. 중국의 ‘반도체 굴기’ 선언은 경제적인 이유 외에 군사적인 목적까지 같이 갖고 있기 때문에, 섣불리 포기하지는 않을 것이기 때문이다.
여기에 중국의 반도체 패권 도전에 대한 미국의 견제도 한치 앞을 볼수 없는 시장의 불확실성을 키우는 데 일조하고 있다. 중국 정부가 반도체 펀드를 통해 해외 기업의 인수합병을 시도할 때마다 미국이 막아서고 있다. 2015년 중국 칭화유니그룹이 세계 3위 DRAM 업체인 미국의 마이크론을 230억 달러에 인수하려 했지만, 미국 정부에 의해 와해됐으며, 미국 샌디스크 인수 추진도 미국 정부가 정밀 조사하겠다고 밝히면서 불발로 끝났다. 싱가포르 업체인 브로드컴이 미국 기업인 퀄컴을 인수하려 했을 때도 브로드컴의 CEO가 중국계 말레이시아인이라는 점이 문제가 되면서 역시 성사되지 못했다.
중국 또한 미국 기업의 해외 반도체 업체 인수합병에 반기를 드는 것은 것은 마찬가지다. 지난해 성사 직전까지 갔던 미국 퀄컴의 네덜란드 반도체 업체 NXP의 인수는 중국 상무부가 “퀄컴의 NXP 인수는 업계에 상당한 영향을 미칠 것”이라며 승인을 계속 지연하자 결국 퀄컴이 인수를 포기했다. 이런 대형 인수합병이 계속 무산되면서 당분간 반도체 업계의 불확실성은 더욱 높아질 것으로 예상된다.

미국과 중국의 무역분쟁은 반도체 시장의 불확실성을 높여 시장 예측을 어렵게 만들고 있다.
미국과 중국의 무역분쟁은 반도체 시장의 불확실성을 높여 시장 예측을 어렵게 만들고 있다.

초미세공정 통한 생산성과 성능 향상
반도체 공정의 집적도를 높인다는 것은 성능과 원가 경쟁력의 향상과 직결되는 문제이기 때문에 바로 시장 경쟁력을 높일 수 있는 방법으로 알려져 있다. 또한 반도체 수퍼사이클로 인해 과잉생산된 메모리 반도체의 가격 하락에 대응하기 위한 가장 현실적인 대응 방안으로 점쳐지고 있다.
10nm급의 초미세공정은 기술 난이도가 높아 수율 확보를 위해서는 막대한 개발 비용과 시간을 감당해야 함에도 불구하고, 성능 향상과 소비전력 감소를 통한 제품 경쟁력 확보는 물론이고 웨이퍼당 생산량을 늘릴 수 있는 생산성의 향상이라는 이점으로 인해 반드시 가야만 할 방향인 것이다.
미세공정을 고도화할 경우 회로 구성 면적을 줄일 수 있기 때문에 한 장의 웨이퍼로 더 많은 칩을 생산할 수 있다. 특히 2세대 10nm DRAM은 기존의 1세대 10nm급 DRAM과 비교해 생산성을 20~30%까지 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
삼성전자는 이미 2017년 2세대 10nm급 DRAM 양산에 성공했으며, SK하이닉스와 마이크론 또한 2019년 초부터 2세대 DRAM 양산을 시작하면서 초미세공정 DRAM 경쟁이 본격적으로 시작됐다.
SK하이닉스는 2세대 10nm급 DRAM 개발을 완료하고, 2019년 1분기부터 공급에 나선다고 밝혔으며, 이를 위해 중국 우시 공장의 클린룸 확장을 마무리하고 양산에 들어갔다. SK하이닉스는 2017년 개발한 1세대 10nm급 DRAM의 양산을 2018년부터 시작해 상반기 전체 DRAM 제품 중 비중을 20% 이상으로 만들었다. 2019년 2세대 제품 공급을 시작하면서 10nm 제품 비중이 50% 이상으로 확대됐다.
마이크론은 대만 타오위안 공장에서 2018년 말부터 2세대 10nm급 DRAM 생산을 시작하고 2019년부터 공급을 시작했다. 2018년 초 1세대 제품 양산을 시작한 마이크론은 타오위안 공장에서 2세대 제품을 양산하는 한편, 2019년부터 3세대 10nm급 DRAM 양산을 위한 공정 전환을 시작할 예정이다.
DRAM 업계는 미세공정 고도화를 통한 생산성 향상으로 업황 악화에 따른 수익성 저하 문제를 어느 정도 만회할 수 있을 것으로 보인다. 가격 하락을 원가 절감으로 보완하는 셈이다. 현재 미세공정에서 가장 앞서 있는 삼성전자도 10nm급 제품 비중을 70% 이상으로 늘리는 한편, 올해 3월에는 3세대 10nm급 DRAM 개발을 완료했다고 밝혔다. 이 3세대 DRAM은 기존 2세대 제품에 비해 생산성을 20% 이상 향상시켰을 뿐 아니라 속도 증가와 전력효율 등의 장점을 제공하는 것으로 알려져 있다. 삼성전자는 평택 캠퍼스에 구축 중인 EUV 노광 기술을 차세대 DRAM 미세공정에도 도입하겠다는 뜻을 밝힌 바 있지만, 이번에 발표한 3세대 10nm급 DRAM은 이를 사용하지 않고 만들어진 것이다.

7nm 이하의 초미세 공정을 위해 삼성전자가 구입한 ASML의 EUV 장비
7nm 이하의 초미세 공정을 위해 삼성전자가 구입한 ASML의 EUV 장비

하지만 이런 초미세공정으로 인해 기술적으로 극복해야 할 문제도 있다. 비행기로 반도체를 운송할 때 방사선의 영향을 받아 생기는 불량, DRAM 크기가 작아지면서 생기는 로 해머링(Row Hammering) 현상, DRAM 셀 캐패시턴스 저하가 그것이다.
최근 DRAM의 초미세공정화가 진행됨에 따라 우주에서 내려오는 미세한 방사선 물질(알파 파티클)에까지 악영향을 받는 수준까지 도달했다. 이는 DRAM을 육상으로 운송할 때는 괜찮지만, 항공 운송을 할 경우에는 DRAM 속 트랜지스터가 손상됨에 따라 유의한 수준으로 불량률이 늘어나고 있다. 이는 업계에서 ‘Total Ionising Dose Effect’라고 부르는 현상으로 미세공정화로 인해 방사선이 반도체에 더욱 크게 영향을 미치기 때문에 발생하는 현상이다. 물론 방사선 차단을 위한 보호막 등을 이용해 이를 해결할 수는 있지만, 이로 인해 운송비용의 상승이 발생하기 때문에 간단한 문제는 아니다.
반도체가 정보를 쓰는 과정에서 인접 셀에 있는 데이터가 손상되고 전자가 빠져나가는 현상인 로 해머링 현상이 반도체 미세공정화로 인해 더욱 큰 영향을 주고 있다는 것도 해결해야 할 문제다. 또한 미세공정화로 DRAM의 전체적인 부피가 작아지면서 각 셀에 저장할 수 있는 전기 용량이 작아지고, 이로 인해 반도체의 성능 저하가 발생하는 것도 해결해야 할 과제 중 하나다. 이는 각종 신소재를 통해 해결 방안을 모색하고 있는 상황이다.

차량용 메모리 반도체 시장의 급격한 성장
차량용 반도체는 자동차의 실내외의 온도, 압력, 속도 등의 정보를 측정하는 센서, 엔진, 전자제어 등에 사용되는 핵심 부품으로 자리잡고 있으며, 전지자동차나 커넥티드카, 스마트카, 자율주행차 등의 새로운 개념이 등장하면서 사용되는 반도체의 수는 급격히 증가하고 있으며, 중요성 또한 높아지고 있다.
최신 자동차 모델에는 많은 수의 DRAM, NAND/NOR 플래시, SSD 저장장치가 사용된다. 일반적으로 최신 자동차 모델에는 16~256Gb의 DRAM과 플래시 등의 메모리 반도체가 적용되고 있다. 또한 여기에 인포테인먼트나 블랙박스 등의 용도를 위해 사용되는 메모리까지 생각하면, 이보다 훨씬 많은 용량의 메모리 반도체가 자동차에 사용되고 있는 것이다. 메모리 반도체는 이외에도 디지털 클러스터, ADAS 등 다양한 분야에 다양한 목적으로 사용되고 있다.

스마트카, 전기자동차, 자율주행 등 자동차의 전장화는 필연적으로 더욱 많은 메모리를 요구하고 있다.
스마트카, 전기자동차, 자율주행 등 자동차의 전장화는 필연적으로 더욱 많은 메모리를 요구하고 있다.

올해 삼성전자가 차량용 DRAM과 NAND 제품을 선보였으며, 웨스턴디지털도 최근 3D NAND 기반 차량용 플래시 메모리를 선보이면서 시장 공략에 나선다고 밝혔다. 3D NAND 플래시는 기존 2D NAND에 비해 용량이나 속도, 전력 소비 등의 측면에서 우수하다고 알려져 왔지만, 완성차 업체들이 매우 높은 수준의 안정성과 긴 품질 보증 기간을 요구하며 기존의 2D 사용을 고수했기 때문에 차량용 3D NAND 플래시의 발표는 상당히 이례적인 일이다.
웨스턴디지털의 ‘iNAND AT EU312 EFD’은 UFS 2.1 인터페이스에 기반해 기존 eMMC보다 2.5배 높은 성능을 제공하며, 순차 쓰기 속도 최대 550MB/s, 순차 읽기 속도 최대 800MB/s를 갖췄다. 내열성 보증구간도 -40~105도에 달한다.
삼성전자 또한 지난 2월 ADAS와 인포테인먼트, 대시보드 시스템 등에 적용되는 NAND 기반 ‘256GB eUFS’를 선보였다. 연속 읽기속도가 850MB/s에 달해 웨스턴디지털 신제품보다도 높다. 내열성 보증구간도 -40~105도다. 삼성전자는 4월부터 자동차용 ‘10nm급 16b LPDDR4X DRAM’도 본격 양산하기 시작했다. 삼성전자는 이미 20nm 공정의 LPDDR4 DRAM과 10nm급의 고성능 내장 플래시 메모리인 eMMC 5.1을 아우디에 공급하고 있다.
SK하이닉스 역시 2016년부터 오토모티브 전략팀을 구성해 차량용 반도체 시장 진출을 준비하고 있으며, 이미 일부 전장 업체에 메모리를 공급하고 있는 것으로 알려졌다.
마이크론 또한 차량용 반도체를 생산하기 위해 30억 달러를 투자해 공장 증축에 나서는 등 차량용 메모리 반도체 시장의 경쟁이 본격화되고 있다.
특히 마이크론의 XTRMFlash 메모리는 전원을 켜자마자 바로 구동하는 ‘인스턴트 온(Instant on)’이나 신속한 시스템 응답성이 필요한 차량용 애플리케이션에 적합한 솔루션으로 알려져 있다. 또한 낮은 핀 수의 새로운 인터페이스를 활용해 현재 시장에 소개되고 있는 병렬 NOR 플래시에 비해 75%나 핀 수를 줄일 수 있다.
XTRMFlash 메모리는 랜덤 액세스 시간이 83ns, 순차 바이트 읽기(sequential byte read) 속도가 2.5 ns로 기존의 SPI나 Quad-SPI의 NOR 플래시보다 우수한 성능을 제공한다. 일관된 읽기 처리량이 400MB/s에 달해 1Gb의 XTRMFlash 디바이스 전체를 단 0.3초에 읽을 수 있다.
이외에도 싸이프레스는 최대 동작 주파수 166MHz와 8개의 데이터 버스, 제어 신호 4개만으로 제어 가능한 HyperBUS 인터페이스를 기반으로 한 HyperFlash 메모리를 선보이고 시장 공략에 나서고 있으며, 도시바 또한 기본 제어 기능을 관리하는 컨트롤러를 통합한 차량용 eMMC NAND 플래시 메모리를 선보였다.
차량용 메모리 반도체 시장에서 가장 빠르게 수요가 증가하고 있는 분야는 인포테인먼트다. 플래시 메모리에는 부트 코드와 애플리케이션 프로그램, 실시간 운영체제가 포함돼 있다. 그런데 이런 실시간 운영체제 자리를 안드로이드나 리눅스 등에 잠식하기 시작하면서 운영체제가 차지하는 공간이 크게 증가하고 있으며, 이 운영체제를 기반으로 실행되는 앱들도 급격히 늘어나고 있는 상황이다. 따라서 플래시 메모리에 더이상 저장할 수 없게 됐으며, eMMC나 SD카드에 운영체제와 애플리케이션을 저장하는 시스템이 늘고 있다. 그러나 eMMC와 SD카드는 빠른 부팅이 어렵기 때문에 부팅 등을 위한 플래시 메모리의 수요는 지속될 것으로 예상된다.
차량용 반도체 시장에서 가장 부각되고 있는 부분은 아무래도 ADAS나 자율주행을 위한 각종 센서류이지만, 이를 저장하고 분석하기 위해 반드시 필요한 부분이 메모리 반도체다. 더구나 향후 반자율주행, 자율주행 등이 가능한 레벨3 이상으로 발전할 경우, 차량 내에서 활용하게 될 콘텐츠가 급격히 증가하게 될 것은 불을 보듯 뻔한 일이다. 이런 상황에서 이런 콘텐츠를 저장하고 실행하기 위한 메모리 반도체의 시장은 지금의 몇 배 이상으로 크게 성장할 가능성이 있다고 점쳐지고 있다.


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