[초점] 반도체 미래 이끄는 3가지 핵심기술, 오픈 소스·IoT·5G

2021년은 코로나19 만연 속에서도 경제회생을 위해 인류가 본격적으로 움직인 한 해였다. 평탄하지 않았으며 언제나처럼 여러 현안이 겹쳐 좌충우돌하면서 발전을 향해 나아갔다.

이런 와중에 반도체 및 반도체 설계 산업의 미래를 주도할 혁신은 계속 나타났다. 제조공장은 다시 정상 가동되고 기업은 신기술에 대한 시장의 요구에 보조를 맞추기 위해 고군분투하고 있다.
많은 반도체 설계자들의 원격 작업 모델은 설계 협업 방법에 새로운 사고방식으로 이어지며 궁극적으로 기업 교차 협업으로도 이어졌다.


반도체 산업 미래는 AI 및 사물인터넷(IoT)과 같은 기술혁신 추세를 활용하는 것이다. AI와 IoT를 활용하여 혁신할 수 있는 사람이 반도체 산업의 미래에서 성공할 수 있다.
반도체 산업은 성장하고 있다. 2021년 5300억 달러 규모였던 것이 2022년에는 6000억 달러 규모로 커질 전망이다. 2030년경에는 1조 달러 규모의 시장을 보일 것이다.

반도체는 차량에 점점 더 많이 사용되면서 큰 폭으로 성장하고 있다. 자율주행차의 부상과 전기차의 본격 도래로 반도체 수요는 늘어나고 있다.

특히 AI는 반도체 산업의 성장에 기여할 것으로 기대된다. 세계 최대 회계법인 PWC는 AI로 인해 반도체 시장 성장 속도가 가속화될 것이라고 전망했다.

물론 기존의 SoC(시스템 온 칩)는 반도체 산업에서 여전히 중요하다. 메모리 칩은 2022년까지 가장 큰 시장 점유율을 유지할 것으로 예상된다. 그리고 실리콘 칩은 2040년대에도 여전히 지배적일 것이다.


오늘날 반도체의 미래를 이끄는 세 가지 핵심 기술 동향이 있다. 첫 번째는 오픈 소스 하드웨어가 시장을 파괴하고 기업이 디자인에 대해 생각하는 방식을 바꾸고 있다. 두 번째는 IoT가 비용 효율적 반도체에 대한 요구를 증가시키고 있다. 세 번째는 5G가 고성능 컴퓨팅 장치에 대한 수요를 가속화시킨다는 점이다.

반도체 산업은 시장이 지속적으로 확대되고 있다. 반도체 사용이 크게 확대되기 때문이다. 오늘날 반도체는 일상적인 전자 제품에서 자율 주행 자동차의 센서에 이르기까지 모든 것을 구동한다. 가정용품에서도 반도체 쓸모는 크게 작용한다.

냉장고가 식료품을 주문하도록 요청할 수도 있다. 개인비서 로봇이 일정을 관리하고 시사 정보도 제공한다. 반도체는 새로운 수직 통합 시스템 기업의 등장을 촉진한다.

수직 통합 시스템 회사는 비전통적인 반도체 회사가 생태계를 지원 하기 위해 자체 장치와 플랫폼을 생산하기 때문에 반도체 설계의 요구 사항을 고도화 한다.

예를 들면 애플이다. 2020년 말, 애플은 자제 모바일 장치 수행을 위해 Mac용으로 설계된 최초의 프로세서인 M1을 발표했다. 애플은 장치의 성능을 더 잘 제어하고 경쟁 제품과 차별화하기 위해 더 많은 자체 칩을 설계하고 있다.

수직 통합을 통해 애플은 특히 플랫폼 기반 설계의 경우 추적 가능성 이점을 누릴 수 있다. 추적 가능한 플랫폼을 통해 고객의 필요를 언제든지 파악할 수가 있다. 이를 통해 혁신을 가속화하고 성능을 개선할 수 있다.

따라서 앞으로 반도체 설계의 미래는 반도체를 구성하는 IP와 관련된 모든 설계 데이터와 메타 데이터를 이해함으로써 오늘날 칩 설계의 복잡성을 극복하는 것이다.


기술, 시장 및 비즈니스 전략이 변화함에 따라 반도체 설계 미래에도 영향을 미친다. 반도체 설계에는 몇 가지 문제가 있지만 가장 큰 문제는 출시 시간과 비용이다.

우선 출시 시간은 반도체 설계의 주요 관심사다. 글로벌 컨설팅기업인 칼립소(Kalypso) 연구에 따르면 반도체의 거의 절반이 시장 출시 시간 요구 사항을 충족하지 못한다.

반도체 제품 출시의 45%만이 출시 일을 충족하고 있다. 전체 반도체 설계의 60% 이상이 최소 한 번 이상 수정이 필요하다. 반도체 설계의 59%만이 양산에 들어간다.

반도체는 미세공정으로 들어갈수록 제조비용이 비싸다. 실제로 반도체 개발 프로젝트의 40% 이상이 계획된 예산을 초과한다.

반도체는 출시 시간을 놓치면 수익이 감소한다. 평균적으로 3개월 늦으면 27%, 6개월 늦으면 47% 감소한다. 이러한 반도체 문제의 근본 원인은 기업의 엔지니어링 환경이 설계의 복잡성을 따라가지 못하는 측면과 설계 데이터 크기가 폭발적으로 증가하여 엔지니어링 성능이 능가하기 때문이다.

제조업체는 요구 사항에 걸맞은 설계나 검증 능력이 부족하다. 또한 설계자와의 요구사항 변경에 대한 커뮤니케이션이 부족하다. 전체 설계의 핵심 요구 사항을 놓치고 기존 IP를 재사용하는 경우도 발생한다.

현재 반도체 기업들은 이런 문제를 해결하기 위해 메소딕스(Methodics) IPLM과 같은 추적 가능한 플랫폼을 사용하여 해결하고 있다. 메소딕스 IPLM은 반도체 설계의 미래를 위한 플랫폼이다.

반도체 제조업체이든, 이제 막 칩 설계를 시작하는 전자 회사이든, 메소딕스 IPLM은 솔루션이 될 수 있다. 메소딕스 IPLM은 협업 플랫폼과 함께 사용하여 IP 재사용을 보다 효율적이고 지속 가능하고 확장 가능한 방식으로 수행함으로써 시장 출시 시간을 단축하고 수익을 더 빠르게 창출하도록 돕는다.


IBM과 삼성은 새로운 반도체 기술에 대한 글로벌 수요를 충족하면서 효율성과 전력에 중점을 둔 새로운 반도체 설계를 지난 해 연말 발표했다. 새로운 디자인은 나노시트를 넘어 확장할 수 있는 경로를 보여주고 확장된 핀 전계 효과 트랜지스터(finFET)1에 비해 에너지 사용량을 85%까지 줄일 수 있는 잠재력을 가진 신규 수직 트랜지스터 아키텍처를 활용한다.

새로운 디자인은 세계 최고의 반도체 연구 및 프로토 타입 생태계가 있는 뉴욕의 알바니 나노테크(Albany Nanotech Complex)에서 개발 되었다. 여기에서 상업화 및 새로운 반도체 설계뿐만 아니라 칩 기술 추가 혁신이 이어졌다.

새로운 수직 트랜지스터 혁신은 반도체 디바이스 스케일링이 나노시트를 넘어 계속될 수 있게 돕는다. 휴대폰 배터리는 충전하지 않고 일주일 이상 갈 수 있다. 암호화폐 채굴 작업 및 데이터 암호화와 같은 에너지 집약적 프로세스에서 훨씬 더 적은 에너지를 사용하게 한다. 특히, 저에너지 요구 사항을 가진 IoT 및 해양 부표, 자율 차량 및 우주선과 같은 보다 다양한 환경에서 작동할 수 있다.

미세공정이 극한의 지경에 도달하면서 무어의 법칙이 한계에 도달하고 있다. 역사적으로 그들은 트랜지스터가 반도체 표면에 평평하게 놓이도록 제작되었으며 전류가 이를 통해 측면으로 흐른다.

새로운 수직 전송 전계 효과 트랜지스터(VTFET)를 통해 IBM과 삼성은 수직 또는 상하 전류 흐름으로 칩 표면에 수직으로 구축된 트랜지스터를 구현했다.


노정용 글로벌이코노믹 기자 noja@g-enews.com