반도체 발전 – ‘도넛’ 빔과 ‘레고’ 블록이 산업 접근 방식을 뒤흔들 수 있을까?

전자 기기의 필수 구성 요소인 반도체는 우리의 일상 생활에 깊이 스며들어 있습니다. 이 작지만 강력한 요소들은 현대 기술의 초석으로, 컴퓨팅, 통신, 청정 에너지, 의료, 운송, 군사 시스템 및 수많은 다른 중요한 응용 분야에서 혁신을 주도합니다.

그들의 어디에나 퍼진 영향력을 보여주는 놀라운 증거로, 전 세계 반도체 시장 규모는 실제로 $1.38 trillion by 2029, 2029년까지 $1.38 trillion으로 성장할 것으로 예상되며, 2022년의 $573.44 billion에서 증가한 수치입니다.

반도체 발전 살펴보기

반도체는 절연체보다 전기를 더 많이, 순수한 도체보다 적게 전도하는 물질입니다. 이러한 물질은 순수 원소이거나 화합물일 수 있으며, 소량의 불순물을 첨가하면 전도성이 크게 변합니다.

우리가 라디오, 텔레비전, 스마트폰, 컴퓨터, 비디오 게임 및 첨단 의료 진단 장비에 접근할 수 있는 것은 반도체 덕분입니다. 지난 수십 년간 반도체 기술의 발전으로 이러한 전자 기기들은 더 작아지고, 더 빠르고, 더 저렴하며, 더 신뢰할 수 있게 되었습니다.

통합 회로(IC) 또는 마이크로칩이라고도 불리는 반도체는 우리의 생활 방식을 혁신했으며, 일, 소통, 여행, 질병 치료, 엔터테인먼트 및 에너지 활용 방식에 영향을 미쳤습니다.

현대 기술의 기본 구성 요소인 반도체는 세계적인 혁신을 지속적으로 이끌고 있으며, 막대한 잠재력을 가지고 있습니다.

반도체 산업에서 가장 흥미로운 혁신 중에는 저온에서 작동하는 새로운 유형의 반도체가 필요한 양자 컴퓨팅, 인간 뇌의 구조와 기능을 모방하여 지능형 기계를 위한 컴퓨터 칩을 개발하려는 뉴로모픽 컴퓨팅, 컴퓨터 칩 간 데이터 전송에 빛을 이용하는 실리콘 포토닉스, 그리고 고성능 전자 기기 개발에 필수적인 첨단 패키징이 포함됩니다.

이러한 첨단 반도체 솔루션은 다양한 산업에서 점점 중요해지고 있는 인공지능(AI)에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 반도체는 AI 애플리케이션이 복잡한 작업을 보다 효율적으로 수행하도록 도울 수 있습니다. 또한 반도체는 자율주행 차량, 지능형 이미지 처리 시스템 및 재생 에너지 시스템에서도 큰 잠재력을 가지고 있습니다.

반도체 제조

반도체 산업에서는 더 작고, 더 빠르며, 더 저렴한 제품을 만드는 것이 목표이며, 이는 같은 칩에 더 많은 전력을 배치할 수 있다는 원칙과 직접 연결됩니다. 이러한 소형화는 트랜지스터가 많을수록 칩이 더 빠르게 작동하기 때문에 중요합니다.

이때 무어의 법칙이 등장하는데, 이는 “고밀도 집적 회로의 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배가 된다”는 내용입니다. 이는 칩 제조업체가 지속적으로 혁신하고 더 효율적이며 저렴한 반도체를 제공해야 한다는 압박을 강조합니다. 동시에 품질 관리와 빠른 제품 공급도 보장해야 합니다.

반도체 산업에 대한 수요의 대부분은 스마트폰과 산업 장비에서 나오지만, AI, 사물인터넷(IoT) 및 자율주행 차량의 등장으로 산업 전망이 변화했습니다.

현재 증가하는 수요로 인해 반도체 기업들은 연구 개발에 더 큰 비중을 두고, 기능성을 향상시키며, 생산 시간을 더욱 효율적으로 만들 필요가 있습니다. 이러한 요구는 업계에 상당한 도전을 초래했으며, 가장 큰 과제는 더 작고 강력한 칩을 저렴한 비용으로 제공하는 방법입니다.

또한 혁신으로 인해 반도체 제조 공정의 복잡성이 증가했습니다. 이러한 복잡성 증가는 효율적인 공급망의 필요성을 자연스럽게 부추기며, AI 기업들의 지속적인 수요 증가로 그 필요성은 더욱 커지고 있습니다. 이는 다양한 성능 능력뿐만 아니라 짧은 납기 역시 요구됩니다.

반도체 칩 제조는 웨이퍼 정제, 다층 구조를 구축하여 집적 회로를 만들고, 그 후 여러 부품을 조립 및 패키징하여 최종 제품을 완성하는 과정을 포함합니다.

따라서 반도체 제조업체는 재료 취급, 재활용 및 공정 개선이라는 과제에 직면해야 하며, 이는 운영의 핵심적인 측면입니다. 그러나 이들의 과제는 여기서 끝나지 않으며, 지정학적 요인도 자원 가용성과 무역에 큰 영향을 미칩니다. 이는 미국과 중국 간의 사례에서 잘 드러났습니다.

한동안 공급망 문제는 업계의 주요 이슈 중 하나였습니다. 이 상황은 지정학적 긴장과 무역 분쟁 같은 요인으로 더욱 복잡해졌으며, 팬데믹과 같은 블랙스완 사건은 칩 가용성 문제를 더욱 악화시켰습니다.

이러한 도전 과제 외에도, 업계는 숙련된 전문가에 대한 수요와 자격을 갖춘 인재의 공급 사이의 격차에도 직면하고 있습니다. 섹터의 치열한 경쟁과 빠른 발전 속도를 고려할 때, 인재 부족과 기술 격차는 놀라운 일이 아닙니다.

이 모든 도전에도 불구하고, 업계는 계속 번창하고 있습니다. 미래를 변화시킬 잠재력을 가진 돌파구가 지속적으로 발생하고 있으며, 이는 섹터의 회복력과 혁신 정신을 보여줍니다.

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‘도넛’ 빔으로 믿을 수 없을 정도로 작은 물체 보기

이번 달, 새로운 연구에서 작은 물체들을 도넛 모양의 빔을 사용하여 상세히 촬영했으며, 이는 기존 현미경으로는 불가능했었습니다. 이 연구는 CU Boulder 연구원들이 수행했으며, 컴퓨터 칩에 사용되는 미니 반도체를 포함한 다양한 “나노 전자공학”의 기본 세부 사항을 개선하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

이는 현미경 이미징을 위한 계산적 영상 기술인 Ptychography 분야의 최신 발전입니다. 전통적인 현미경과 달리, Ptychography 도구는 매우 작은 물체를 직접 관찰하지 않고, 대신 레이저를 표적에 비추고 빛이 어떻게 산란되는지를 측정합니다.

연구의 선임 저자인 Margaret Murnane에 따르면, 최근까지 이 접근법은 잘 작동했지만 “고도로 주기적인 샘플, 즉 규칙적으로 반복되는 패턴을 가진 물체”에 대해서는 완전히 실패했습니다.

JILA( CU Boulder와 NIST의 공동 연구소) 펠로우인 Murnane은 일부 반도체의 구조를 ptychography로 관찰하는 데 과학자들이 직면한 도전을 설명했습니다. 이러한 구조는 실리콘과 같은 원자가 믿을 수 없을 정도로 균일한 작은 격자 형태로 배열되어 있어 변이가 부족해 관찰이 어렵습니다.

따라서 새로운 연구에서 연구원들은 기존 레이저 대신 극자외선 빛을 사용하여 빔을 만들었고, 나선형 위상판을 이용해 빔을 도넛 형태로 꼬았습니다. 이러한 빔이 반복 구조에 반사될 때, 전통적인 레이저보다 훨씬 복잡한 그림자를 만들었습니다. 이는 매우 작고 섬세한 구조의 이미지를 정확히 수집할 수 있게 했습니다.

이러한 구조는 크기가 약 10~100 나노미터이며, 앞으로 팀은 더 작은 구조를 보기 위해 확대할 계획입니다. 목표는 이 도넛 전략을 더욱 정밀하게 만들어 팀이 더 연약한 물체, 어쩌면 언젠가 생물학적 세포까지도 볼 수 있게 하는 것입니다.

지금까지 렌즈를 사용하는 영상 도구는 약 200 나노미터 정도의 해상도만을 볼 수 있어 많은 바이러스를 정확히 포착하지 못했습니다. 그러나 이번 연구를 통해 현미경의 근본적인 한계가 뛰어넘어졌으며, 과학자들은 앞으로 실시간으로 이러한 병원체를 포착할 수 있게 될 것입니다. “이미지를 얻기 위해 렌즈를 사용하는 대신, 우리는 알고리즘을 사용합니다,”라고 그녀는 말했습니다.

게다가 이 빔은 과정 중에 작은 전자 장치를 손상시키지 않으며, 따라서 “반도체를 만들고 인쇄하는 데 사용되는 폴리머를 손상 없이 결함을 검사할 수 있다”고 Murnane은 말했습니다.

전반적으로, 이 새로운 연구는 나노 전자 부품의 검사를 보다 정밀한 품질 관리로 향상시켜 반도체 산업에 큰 영향을 미칠 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 연구자들이 구조를 손상시키지 않고 섬세한 반도체 구조를 검사할 수 있게 할 수도 있습니다. ptychography 기술이 더 발전함에 따라, 우리는 반도체 연구 및 개발을 위한 보다 다재다능한 영상 방법을 보게 될 것입니다.

반도체 환경을 “재구성”할 포토닉 칩

In 또 다른 새로운 연구, 연구원들은 시드니 대학교 나노 연구소의 나노과학 시설에서 호주 국립대학 과학자들과 협력하여 전자와 광자를 통합한 새로운 반도체 아키텍처를 설계했습니다. 이는 대역폭과 필터 제어를 확장하여 칩을 통해 더 많은 정보가 흐를 수 있게 하면서 고급 필터 제어를 가능하게 합니다.

이 작업은 소형 고해상도 RF 포토닉 필터의 새로운 세대를 위한 길을 열어 주며, 특히 공기 및 우주 기반 RF 통신 페이로드에 유리한 광대역 주파수 조정 가능성을 제공하여 향상된 통신 및 감지 능력의 가능성을 열어줍니다.

– 연구의 공동 저자이자 선임 연구원인 Dr Moritz Merklein이 말했습니다.

이 칩을 만들기 위해 연구원들은 실리콘 포토닉스 분야의 신흥 기술을 활용했으며, 이를 통해 5밀리미터 미만의 반도체에 다양한 시스템을 통합할 수 있었는데, 이는 레고 블록을 조립하는 것과 같습니다. 이렇게 하면 확장 가능하고 모듈식인 칩 설계 접근 방식을 제공하여 복잡하고 고효율적인 반도체 장치를 만드는 새로운 가능성을 열어줍니다.

해외 반도체 파운드리를 사용해 기본 칩 웨이퍼를 제작하고, 현지 연구 인프라와 제조를 결합한 것이 이 포토닉 집적 회로 개발에 핵심이었습니다.

– 물리학부 포토닉 통합 부서 부장인 Dr. Alvaro Casas Bedoy가 말했습니다.

이 새로운 소형 실리콘 반도체 칩은 라디오 주파수(RF) 대역폭을 크게 확장하고, 유닛을 통해 흐르는 정보를 정확히 제어할 수 있습니다. 이는 고급 레이더, 무선 네트워크, 위성 및 6G와 7G 통신의 롤아웃에 적용될 수 있습니다. 또한 다양한 응용 분야에 적응할 수 있는 장치를 의미하며, 폭넓은 시나리오에 적용 가능합니다.

연구원들에 따르면, 이 향상된 능력은 첨단 주권 제조와 국제 제조업체에만 의존하지 않는 고부가가치 공장의 구축을 돕는 데 기여할 수 있습니다.

프로-부총장인 Ben Eggleton 교수에 따르면, 이 발명은 마이크로파 포토닉스와 통합 포토닉스 연구에서 중요한 진전이며, 이 칩은 15GHz의 튜너 가능한 주파수 대역폭을 제공하고 인상적인 스펙트럼 해상도를 갖추고 있습니다.

그는 “마이크로파 포토닉스는 현대 통신 및 레이더 응용 분야에서 중요한 역할을 하며, 다양한 주파수를 정밀하게 필터링하고 전자기 간섭을 줄이며 신호 품질을 향상시킬 수 있는 유연성을 제공한다”고 설명했습니다. 또한 반도체 칩(규소와 칼코젠산 유리) 안에 고급 기능을 통합함으로써, Eggleton은 이것이 “지역 반도체 환경을 재구성할” 수 있다고 믿습니다.

주요 반도체 제조업체

반도체 산업에서 일어나고 있는 모든 상황을 고려할 때, 이제 주요 반도체 제조업체들을 살펴보겠습니다:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

세계 최대 반도체 파운드리인 이 회사는 고객을 대신해 집적 회로를 제조하고 있습니다. 시가총액은 5235.6억 달러이며, 주가는 현재 100.75달러로 올해 35.52% 상승했습니다. TSM의 연간 매출(TTM)은 688.6억 달러, EPS(TTM)는 5.36, P/E(TTM)는 18.84이며, 배당 수익률은 1.81%입니다.

TSMC는 현재 N2(2나노미터) 칩의 대량 생산을 진행 중이며, 회사에 따르면 이는 “밀도와 에너지 효율성 모두에서 업계에서 가장 진보된 반도체 기술”이 될 것이라고 합니다. 또한 반도체 제조업체는 최근 몇 년 전 애리조나에 새 시설을 설립한 이후 전 세계 확장을 진행하고 있으며, 현재는 일본과 독일에도 포함됩니다.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

이 글로벌 반도체 기업은 시가총액 2,171.3억 달러이며, 주가는 현재 133.52달러로 올해 107.52% 상승했습니다. AMD의 연간 매출(TTM)은 221.1억 달러이며, EPS(TTM)는 0.13이지만 배당은 제공되지 않습니다.

최근 AMD는 오랫동안 기대되던 MI300 라인업의 새로운 AI 칩을 공개했으며, 이는 Nvidia (NVDA ) 의 AI 칩 시장 약 80%를 차지하는 플래그십 AI 프로세서에 도전합니다. 이 새로운 칩은 슈퍼컴퓨터와 ChatGPT 및 DALL·E와 같은 생성형 AI 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. 또한 회사는 향후 4년간 AI 칩의 주소 가능한 시장을 4천억 달러로 전망을 높였습니다.

3. Applied Materials, Inc. 

반도체 산업에 제조 장비, 서비스 및 소프트웨어를 제공하는 선두 기업인 이 회사는 시가총액 1,297.8억 달러를 자랑합니다. 미국 최대 반도체 장비 제조업체의 주가는 현재 156.50달러로 올해 59.3% 상승했습니다. 재무적으로 AMAT는 연간 매출(TTM) 2,651억 달러, EPS(TTM) 8.11, P/E(TTM) 19.12를 기록했으며, 배당 수익률은 0.83%를 제공합니다.

하지만 Applied Materials (AMAT ) 는 현재 미국이 중국의 주요 칩 제조업체 SMIC에 장비를 보낸 혐의로 형사 조사를 받고 있어 어려운 상황에 처해 있습니다. 이는 미국 정부가 고급 칩뿐만 아니라 장비의 중국 수출을 금지하는 조치와 맞물려 있습니다. 글로벌 야망과 전략적 확장을 알리는 움직임으로, 올해 초 Applied Materials는 인도에 협업 엔지니어링 센터를 설립하기 위해 4년간 4억 달러를 투자할 계획이라고 발표했습니다.

4. ASML Holding NV 

네덜란드에 본사를 둔 ASML은 TSMC, 삼성, 인텔과 같은 칩 제조업체에 첨단 리소그래피 시스템을 공급합니다. 시가총액은 2,863.2억 달러이며, 주가는 현재 714.42달러로 연초 대비 30% 상승했습니다. 연간 매출(TTM)은 2,887.1억 달러, EPS(TTM)는 20.42, P/E(TTM)는 34.78이며, 배당 수익률은 0.91%를 제공합니다.

회사는 최근 3분기 실적을 20억 달러 이상으로 보고했으며, CEO Peter Wennink는 “반도체 산업은 현재 사이클의 바닥을 통과하고 있으며, 고객들은 연말까지 전환점이 보일 것으로 기대하고 있다”고 말했습니다.

결론

반도체는 우리 생활에 필수적인 장치의 핵심 구성 요소이며, 번성하는 기술 부문의 근간을 이루고 있습니다. 반도체에 대한 수요가 계속 증가함에 따라, 더욱 작고 빠르며 전력 효율이 높은 칩이 개발되고 있습니다. 이러한 모든 발전과 혁신은 이전에는 불가능했던 새로운 유형의 장치와 응용 프로그램 개발을 가능하게 할 것입니다!