• 半導體 微細化 限界, 日 40餘 企業 次世代 칩 開發 中

• 半導體 專用 칩 少量生産 時代, 컴퓨터 自動設計 必須

• 네트워킹으로 開發하고, 사람들 풍요롭게 써야

• 變化된 環境이 復活 일으켜, 日本은 只今부터 始作

2月 24日 世界 1位 半導體 파운드리(受託生産)業體 臺灣 TSMC가 日本 구마모토縣 기쿠요마치에서 ‘구마모토 第1工場’ 開所式을 했다.

TSMC가 日本에서 처음으로 稼動하는 이 工場은 日本 半導體産業이 復活의 信號彈을 쏘아 올린 것이라는 點에서 世界 産業界의 注目을 받았다.

實際로 行事場에서 모리스 窓 TSMC 創業者는 “日本 半導體 製造의 르네상스가 始作됐다고 믿는다”며 “日本과 世界의 半導體 供給網을 한層 强化할 것”이라고 밝혔다. 기시다 후미오 總理도 映像 메시지를 통해 “TSMC의 世界 戰略 속에서 日本이 重要한 據點으로 確實히 자리 잡은 것을 歡迎한다”고 밝혔다.

구마모토 1工場은 클린룸만 4萬5000㎡ 크기로, 日本 프로野球 競技場인 도쿄돔 面積에 肉薄한다. 2027年 末 稼動을 目標로 隣近에 第2工場도 建設할 計劃이다. 1, 2工場이 모두 稼動되면 구마모토는 汎用 製品부터 生成型 人工知能(AI) 尖端 製品까지 生産하는 據點이 될 것이라는 게 TSMC 說明이다.

地政學的 危機를 機會로

美·中 霸權 競爭은 日本에 하늘이 내려준 機會였다. 美國은 1986年 美日半導體 協定을 締結해 日本 半導體産業을 枯死시킨 나라다. 하지만 中國과 벌이는 技術 競爭이 尖銳해지자 이番에는 最尖端 技術을 提供하면서 日本의 半導體産業을 살리려 하고 있다. 現在 40나노 技術 水準으로 알려진 日本의 半導體 굴기는 政府와 企業이 美國 IBM 技術 支援을 받아 ‘라피더스’라는 合作 半導體 會社를 設立해 2027年까지 2㎚級 最尖端 半導體를 國産化한다는 目標를 세웠을 程度로 果敢하다.



구로다 다다히로 도쿄대 敎授는 日本 半導體 復活의 産學協力 中心에 있는 사람이다. 도쿄大 電氣工學科를 卒業하고 도시바에서 20餘 年間 半導體 開發에 從事해 오며 學會에서 100篇 以上의 論文을 發表했다. 게이오大에 있다가 TSMC와 協力해 次世代 半導體 技術을 硏究하는 프로젝트에 參與해달라는 도쿄대의 提案을 받아들여 2019年 옮긴다.

그의 도쿄大 移職에 對한 스토리를 들어보면 日本이 비록 半導體 敗戰國(?)이긴 해도 그 옛날 맺었던 美日 네트워크는 如前히 살아서 作動하고 있음을 느끼게 한다.

始作은 2018年 고노카미 마코토 도쿄大 總長이 TSMC 創業者 모리스 窓을 만난 것에서부터다. 美國 스탠퍼드대 敎授이자 TSMC 開發首長을 겸하는 필립 윙度 同席했다고 한다.

세 사람은 半導體의 未來에 對해 이야기를 나누다 도쿄대와 TSMC가 힘을 합쳐 뭔가 해보자는 데 意氣投合했다는 것. 고노카미 總長은 歸國과 同時에 日本-臺灣의 提携 프레임을 짰고, 구로다 敎授를 스카우트한 것이었다. 業界 管理가 徹底한 것으로 有名한 TSMC가 日本 産學系와 連結된 것은 처음 있는 일이었다.

구로다 敎授는 도쿄大로 옮기자마자인 2019年 10月 大學 內에 시스템디자인 硏究센터 ‘디랩(d.lab)’을 發足한 데 이어 이듬해 2020年 8月에는 尖端시스템技術硏究組合 ‘라스(RasS)’를 세웠다. 그를 도쿄대에서 만나 인터뷰했다.

半導體 民主主義 時代가 온다

于先 그가 하고 있는 디랩과 라스에 對해 물었다.

“디랩은 會員制로 企業을 募集하고 知識을 共有하면서 오픈 方式으로 課題를 論議하는 이른바 硏究者들의 廣場입니다. 半導體를 使用해서 무엇을 하고 싶은지, 어떤 칩을 만들지, 그러기 위해서는 어떤 技術이 必要한지 等에 對해 도쿄大 電子工學界 各 硏究室과 會員 企業들이 자유롭게 아이디어를 論議하면 그걸 形象化한 프로토타입을 TSMC가 製造하는 式입니다.”

現在 디랩에 參與한 企業은 몇 곳이나 되나요.

“도쿄대의 提案에 半導體에 直接 關聯된 業體뿐 아니라 化學, 精密機械, 通信, 벤처企業, 商社 等 40餘 個 企業이 몰렸습니다. 外國 企業들도 參與했습니다. 次世代 半導體를 開發하자는 共同의 目標 아래 그동안 서로 因緣이 없던 企業이 디랩이라는 廣場에서 만난 것이라고 할 수 있습니다.

이렇게 오픈된 空間이 왜 重要하냐면 半導體 微細畫에 限界가 다가왔기 때문입니다. 技術開發이 漸漸 어려워지고 있는데 企業들은 效率을 追求하다보니 깊이만 파고 들어갑니다. 옆을 돌아볼 時間도 餘力도 없죠. 하지만 옆에 있는 사람과 만나서 이야기하면 힌트를 얻을 수 있습니다.”

라스에서는 뭘 하나요.

“個別 企業들과 도쿄大, TSMC가 하는 具體的인 技術開發을 非公開로 進行합니다. 核心 企業으로는 히타치製作所, 파나소닉, 土版 印刷, 미라이즈 테크놀로지스 4個社가 가장 먼저 參與했습니다. 各 會社의 프로젝트 內容은 祕密이어서 外部에선 勿論 다른 會員사도 볼 수 없습니다. 具體的 目標를 定한 硏究開發이기 때문에 億 엔 單位의 開發費를 라스에 投資하는 企業도 있습니다.”

世界的으로 半導體 戰爭이 熾烈합니다.

“只今 50年에 한 番 열릴 만한 큰 舞臺가 始作되려 합니다. 여태까지 半導體 비즈니스는 값싼 汎用 칩을 大量 生産하는 것이 王都였지만 이제는 個別 注文에 따라 少量 生産하는 專用 칩으로 바뀌고 있습니다. 그런데 여기에는 時間과 돈이 많이 들지요.

使用者인 企業들이 敏捷하게 協業해 設計하려면 컴퓨터에 依한 自動設計가 必須입니다. 소프트웨어를 프로그래밍하는 것만으로 半導體 칩을 自動으로 만들 수 있는 道具가 必要한 것입니다. 내가 내세우는 目標는 開發 效率을 現在의 10倍로 끌어올리는 것입니다. 이 道具만 있으면 半導體 開發은 美國이나 中國의 一部 大企業의 獨舞臺가 아니라 여러 작은 企業들도 自體 半導體를 손에 쥘 수 있는 形態가 됩니다. 半導體가 社會의 인프라라면 누구나 半導體 技術에 接近할 수 있어야 합니다.”

그는 이를 ‘半導體 民主主義’라고 했다.

半導體에 民主主義를 붙이니 新鮮하네요.

“오픈하고 連帶하고 連繫하자는 것입니다. 材料, 裝備, 트랜지스터 構造가 다 바뀌는 狀況에서 한 會社가 다 하기에는 限界가 있습니다. D램 工程이 500段階입니다. 裝備 分野를 大略 5個 카테고리라고 할 때 1個에 10個만 해도 50個입니다. 裝備 하나에 들어가는 材料만 해도 엄청나죠.

半導體에서 材料라고 하는 건 素材랑 같은 말인데 웨이퍼도 材料입니다. 또 웨이퍼에 電流가 흐르게 하려면 電線을 깔아야 하는데 이때 구리가 쓰이죠. 戰線을 만들 때 텅스텐度 쓰이고요.

실리콘 위에 分子 單位로 前者가 많은 物質을 박는 것도 材料高 電線을 깔기 위해 홀을 파거나 메우고 할 때에는 化學藥品이 쓰입니다. 우리도 흔히 들었던 ‘포토 레지스트’는 이때 쓰이는 거죠. 이처럼 500個 工程에 各其 다 다른 材料가 쓰입니다. 製造 工程에서 쓰이는 純粹한 물이나 알코올은 또 어떻습니까.

눈에 보이지 않는 世界를 다루는 半導體 工程에서 材料를 10%만 바꿔도 엄청나지요. 새로운 材料 하나 開發하는 데 10年 以上 걸리는데 이게 또 제대로 量産될지 評價하는 것은 또 다른 問題이고, 여기서 적어도 2, 3年이 걸립니다. 웨이퍼 한 場에서 한 톨의 半導體가 만들어지는데 平素 두 달 程度 걸리는데 새로운 化學物質을 適用할 境遇 적어도 檢證을 세 番 程度 거치는 現實을 勘案하면 檢證 期間만 6個月입니다. 大企業이라면 可能하지만 中小企業은 혼자 다 할 수 있겠느냐는 거죠.”

그의 說明이 이어졌다.

“더 많은 사람의 네트워킹을 통해 半導體를 開發하고 사람들이 이 네트워크를 풍요롭게 써야 합니다. 저는 여기에는 두 가지 側面이 있다고 봅니다. 半導體産業에 從事하는 사람들이 定期的·非定期的으로 모여서 技術을 發展시키고, 半導體 知識이 없는 사람도 누구나 쓸 수 있게 하는 것입니다.

法學 專攻者들도 ‘AI를 써서 이런 機能을 하는 半導體가 있으면 좋겠다’는 必要性이 생길 때 이걸 簡單하게 만들 수 있는 프로그램이 있다면 얼마나 좋겠어요.

一例로 우리 科에서 學部學科를 開設했는데 天文學과, 醫學과 學生들이 오는 거예요. 天文學 專攻者들은 ‘별에서 오는 시그널을 分析하고 싶은데 데이터 計算이 너무 느리다, 이걸 解決하고 싶다’고 했고 醫學部 學生들은 ‘患者 엑스레이 分析에 必要한 칩을 直接 만들어보고 싶다’는 거였습니다.

萬若 設計 自動化 프로그램이 있다면 이렇게 半導體를 모르는 사람들도 自己가 必要한 用途로 만들어서 쓰게끔 하면 됩니다. 저는 音聲 命令으로 半導體 製造 프로그램을 만드는 꿈까지 갖고 있습니다.”

TSMC와의 産學協力은 어떻게 이뤄지고 있나요.

“AI에 쓰이는 非메모리 로직 파운드리를 위한 技術協力입니다. 微細化 프로세스에 置重하고 있어요. 2나노 開發을 같이 하려고 하는데 이걸 實現하려면 只今까지와는 完全히 달라야 합니다. 혼자서는 어려워 産學으로 하려는 것입니다. 解決 課題가 山만큼 많아요(웃음).

日本은 只今 半導體에서 뒤지고 있지만 美日 間 半導體 學者 間 連結고리는 오래됐고 탄탄합니다. 美日 間 半導體 頭腦 네트워크 모임이 1980年代부터 美國과 日本에서 每年 열리고 있으니까요.

‘라피더스’도 平素 이런 네트워크를 쌓아온 時間이 만든 것입니다. 只今으로부터 5年 前에 莫强한 影響力을 갖고 있던 IBM의 슈퍼컴 開發者가 있었어요. IBM은 半導體 量産은 안 하고 있지만 꾸준히 尖端技術을 開發 硏究하고 있어요. 그 슈퍼컴 開發者가 美國 인텔이 아닌 日本 도쿄 일렉트론(日本 1位 世界 3位 裝備會社)의 히가시 데쓰로 會長한테 直接 電話를 걸어 파운드리 工夫 모임을 提案했습니다. 政治人, 官僚, 産業界 사람 10餘 名이 參與해 日本 半導體의 未來는 어떻게 되고 어디서부터 뭘 어떻게 뭘 할 건지를 討議한 거죠. 그러면서 라피더스 設立에 이르게 된 겁니다.

美·中 葛藤이 深化되면서 政府에서 補助金 支援이 더는 不法이 아니게 됐잖아요. 美國이 나서서 밀어주니까 全혀 거리낌이 없는 거죠. 옛날에 美日半導體協定으로 日本이 美國으로부터 ‘패싱’을 當할 때 政府에서 補助金을 주려 해도 世界貿易機構(WTO)에 걸렸는데 말이죠. 이런 變化된 環境이 日本 半導體 復活의 ‘바람’을 일으키는 겁니다. ‘只今부터 始作’이라는 雰圍氣가 支配的입니다. 똑똑한 人材도 많습니다.”

韓日 相生 半導體 協力을 向해

具體的 狀況은요.

“다 아다시피 D램은 衰退했습니다. 三星과 SK하이닉스, 마이크론이 剛하죠. 하지만 컴퓨터에는 D램뿐 아니라 老職을 擔當하는 칩도 必要합니다. 그걸 TSMC와 産學協力을 통해 하려는 겁니다. 우리가 하려는 것은 2나노 以下 技術입니다. 아직 TSMC도 못 한 거죠.

只今 世界 尖端 學會는 새로운 技術에 對해 한창 苦悶하고 있습니다. 무어의 法則이란 게 繼續 船幅을 줄여서 칩을 줄이는 것, 한마디로 集積度를 높이는 微細化 工程인데 그 微細畫를 繼續 이어가는 걸 말합니다. 그런데 그것 말고 칩을 여러 個 쌓는 技術도 重要해졌습니다. 於此彼 必要한 트랜지스터 個數를 채우는 게 重要하다, 다시 말해 패키지를 잘하자는 것입니다. 어드밴드스드 패키지 或은 3D 패키지가 그것이죠. 또 다른 軸으로는 兩者 컴퓨터라든지 아예 웨이퍼 材料를 실리콘이 아닌 다른 것을 쓰거나 바이오 칩처럼 칩의 構造를 바꿔보자는 움직임 等이 있습니다.”

삼성전자를 비롯해 韓國 企業들의 强點은 뭐고 弱點은 뭘까요.

“只今 잘하고 있는데 이게 앞으로 죽 10年, 20年 가지는 않을 것이라고 나도 생각하고 韓國도 그렇게 생각할 것입니다.

半導體는 技術뿐 아니라 地政學的 問題가 있어서 未來가 어떻게 될지 不透明합니다. 저는 그런 點에서 三星이든 SK하이닉스든 TSMC든 라피더스든 브레인들의 아시아 네트워크가 重要하다고 봅니다.

指導를 놓고 日本 韓國 臺灣을 보면 이番에 TSMC 工場이 들어선 구마모토의 地理的 位置가 매우 重要합니다. 東아시아에서 日本-韓國-臺灣의 協力이 매우 重要합니다.”

韓日 間의 差異는 뭐고 協力 分野가 있다면 뭘까요.

“日本은 技術力이나 素材裝備가 剛하고 韓國은 挑戰 精神, 經營力 마케팅 能力이 强해서 서로 좋은 點을 살려서 協力하면 그야말로 相生할 수 있을 것이라고 봅니다.”