시뮬레이션 활용으로 미국 내 반도체 제조 복귀 촉진

마이크로칩은 현대 세계에서 항상 중요했지만, 2022년 공급망 충격이 발생할 때까지 정부와 산업계는 글로벌 경제에 대한 그들의 핵심 중요성을 깨닫지 못했습니다. 부족 현상이 너무 심각해 산업계는 대규모 조립 라인을 중단할 수밖에 없었습니다.

그렇다면 마이크로칩이 글로벌 경제에 왜 이렇게 중요한가요? 간단히 말해, 마이크로칩은 현대 기술 산업의 중추이며, 개인용 컴퓨터, 스마트폰, 주방 가전, 자동차, 의료 기기, 심지어 일부 가정용 애완동물의 식별까지 모든 것에 필수적입니다.

하지만 이러한 핵심적인 중요성에도 불구하고, 실제로 기능성 마이크로칩을 제조할 수 있는 국가는 몇 안 됩니다. 이는 정밀 엔지니어링과 기술 혁신의 한계를 뛰어넘는 작업이기 때문입니다. 결국 마이크로칩 제조는 자본 집약적인 산업일 뿐만 아니라 물리학, 재료 과학, 전기 공학 등을 포함한 고도로 전문화된 기술을 가진 인력이 필요합니다.

게다가 마이크로칩이 제조되는 시설, 즉 팹은 생산 과정에서 엄격한 환경 조건을 필요로 합니다. 이는 특정 온도와 습도 수준을 유지하고 오염을 가능한 한 최소화하는 것을 포함합니다.

이러한 완벽한 조건이 충족되더라도 제조 과정은 여러 단계로 이루어지며, 각 단계는 완벽하게 수행되어야 합니다. 작은 오류라도 마이크로칩을 무용지물로 만들 수 있습니다.

게다가 지속적인 기술 발전은 더 작고 효율적인 칩을 요구하여 팹에 추가적인 압력을 가합니다. 특정 세대의 마이크로칩 생산을 마스터했을 때, 수요 부족으로 이미 구식이 될 수도 있습니다.

이러한 거대한 장벽은 대부분의 국가, 특히 재정이 풍부한 국가조차도 대규모 마이크로칩 제조를 어려운 과제로 만들고 있습니다.

글로벌 기술 강국이자 반도체 설계 분야의 선두주자인 미국조차도 마이크로칩 제조에서는 최상위에 있지 않으며, 그 coveted 자리(소중한 자리)는 대만이 차지하고 있습니다. 이는 대만이 수십 년에 걸친 반도체 제조 투자와 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ) 와 같은 기업의 존재 때문입니다.

이러한 복잡성은 마이크로칩 분야에서 자립을 달성하는 것이 얼마나 어려운지를 보여줍니다. 그러나 최근 미국 에너지부 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소 웹사이트에 게재된 최근 발표된 기사에 따르면 해당 연구소 과학자들은 마이크로칩 제조에 사용되는 플라즈마 공정 시뮬레이션을 크게 향상시킬 컴퓨터 프로그램을 개발하고 있습니다.

이 새로운 알고리즘은 정확도와 효율성 측면에서 기존 시뮬레이션 기법을 능가하여 마이크로칩 생산 과정을 가속화하고, 결과적으로 미국 내 반도체 제조 복귀를 돕습니다.

이중 접근법

프린스턴 플라즈마 물리학 연구소는 두 개의 연구를 동시에 진행했으며, 그 초점 영역은 목표 측면에서 달랐습니다.

• 첫 번째 연구는 이러한 시뮬레이션의 정확도 향상에 초점을 맞추었습니다.
• 두 번째 연구 목표는 마이크로칩 제조에 사용되는 플라즈마 반응기의 시뮬레이션 기간을 가속화하는 것이었습니다.

플라즈마 시뮬레이션에서 속도와 정밀성의 필요성

마이크로칩을 만들기 위해 실리콘 웨이퍼에 새겨지는 복잡한 패턴은 주로 플라즈마 반응기를 사용해 생산됩니다. 이 과정은 전기적으로 충전된 가스인 플라즈마의 거동에 의존하며, 원하는 결과를 얻기 위해서는 플라즈마를 신중하게 제어해야 합니다.

전통적으로 플라즈마 과정을 자극해 결과를 예측하고 생산 방식을 개선하는 것은 노동 집약적이며 시간이 많이 소요되는 작업이었습니다. 여기서 PPPL의 첫 번째 연구가 등장합니다. 이 연구는 이러한 시뮬레이션에 필요한 시간을 크게 단축할 수 있는 컴퓨터 알고리즘을 만들어 상황을 변화시키고자 합니다.

그들은 성공을 거두었으며, 팀은 시뮬레이션 기간을 몇 주에서 며칠 혹은 몇 시간으로 단축하면서도 중요한 세부 사항을 희생하지 않았습니다. PPPL 과학자들이 이를 어떻게 달성했는지는, 그들이 역사를 되돌아보고 특히 1980년대에 만들어진 기존 알고리즘을 정교화했기 때문입니다.

시뮬레이션 정확도 해결

두 번째 연구 라인에서 PPPL 연구팀은 시뮬레이션 정확도 문제에 접근했습니다. 플라즈마 거동의 복잡성을 고려할 때, 시뮬레이션이 실제 반응을 정확히 반영하도록 하는 것이 효율적인 마이크로칩 생산에 필수적입니다. 그러나 수많은 플라즈마 입자의 행동을 정확히 시뮬레이션하기 위해서는 상당한 컴퓨팅이 필요했으며, 이는 역사적으로 매우 어려운 과제였습니다.

이 문제를 해결하기 위해 PPPL 연구팀은 시뮬레이션에서 플라즈마 입자의 표현을 단순화했습니다. 각 입자를 개별적으로 고려하는 대신, 더 크고 관리하기 쉬운 단위로 그룹화하는 방법을 개발했습니다. 이 접근법은 계산 부담을 크게 줄여 보다 빠르고 접근하기 쉬운 시뮬레이션을 가능하게 합니다.

하지만 초기에는 이러한 단순화가 플라즈마 거동의 실제 역학을 왜곡시켜 예측 정확도가 떨어질 위험이 있었습니다. 이 장애물을 극복하기 위해 연구원들은 시뮬레이션 파라미터를 조정하여 입자 클러스터를 더 크고 덜 밀집하게 만들었습니다. 이 수정은 입자 상호작용이 실제 플라즈마와 더 유사하게 되도록 하여 시뮬레이션 예측이 유지되도록 보장합니다.

정확도와 단순화 사이의 이러한 신중한 균형은 마이크로칩 제조 공정을 향상시킬 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

변화를 위한 촉매제

PPPL의 연구는 기술 분야를 넘어 글로벌 반도체 시장, 특히 미국의 전략적 역학에 영향을 미칩니다. 결국 이 발견은 마이크로칩 생산에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있는 도구를 제공함으로써 미국 전역의 마이크로칩 제조 환경을 재정의할 잠재력을 가지고 있습니다. 빠르게 적응하고 생산 과정을 개선하는 능력은 혁신 속도가 시장 리더십을 좌우하는 산업에서 핵심적입니다.

게다가 고급 시뮬레이션 도구의 가용성은 미국 기반 스타트업 및 중소기업이 기존 글로벌 대기업과 보다 효과적으로 경쟁할 수 있게 함으로써 경쟁의 장을 평평하게 만들 수 있습니다. 이는 더 많은 기업이 시장에 진입하고 마이크로칩 설계 및 생산을 위한 새로운 아이디어와 방법론을 제공함에 따라 미국 반도체 부문에 혁신 물결을 일으킬 수 있습니다.

국가 안보 및 경제 회복력 강화

현재 전 세계적인 격변과 지정학적 긴장은 공급망을 취약하게 만들었습니다. 마이크로칩과 같은 필수 부품을 다른 국가에 의존하는 것은 국가적 위험을 초래합니다. 미국은 2022년 반도체 공급 충격을 통해 이 위험의 규모를 인식하고, 마이크로칩 공급 중단이 미국 기술 산업의 글로벌 지배력에 심각한 영향을 미칠 수 있다고 결론지었습니다.

PPPL 연구는 미국 반도체 산업의 주도권 회복을 목표로 하는 CHIPS 법과 같은 광범위한 정부 이니셔티브와 일치합니다. 2022년 8월 9일에 제정된 CHIPS 및 과학 법은 국내 반도체 제조를 강화하고 외국 의존도를 줄이기 위해 거의 2,800억 달러의 자금을 배정합니다. 이 자금은 연구 개발, 국내 제조 인센티브, 공급망 강화 조치를 지원합니다.

우리의 반도체 역량을 확보하고 활성화하는 전환은 경제 회복력과 국가 안보를 유지하는 것뿐만 아니라 제조 및 기술의 다음 혁명을 위한 길을 닦는 중요한 단계이며, 이는 Industry 4.0이라고도 합니다.

Industry 4.0을 위한 핵심 기둥 구축

IBM은 Industry 4.0을 스마트 제조가 핵심적인 역할을 할 영역으로 보고 있습니다. 다시 말해, Industry 4.0은 제조 분야를 디지털 전환하여 실시간으로 의사결정을 제공하고 생산성을 향상시켜 생산 및 유통 과정을 최적의 유연성과 민첩성으로 만드는 것을 궁극 목표로 합니다.

예를 들어 2021년, 전 세계적으로 존경받는 자동차 회사인 Renault는 마이크로칩 부족으로 500,000 cars를 생산하지 못했습니다.

이 취약성은 앞서 언급한 대만에 대한 의존도가 증가하면 코로나19 팬데믹 동안 발생한 것처럼 공급망이 갑작스럽게 중단되어 시스템이 완전히 붕괴될 수 있음을 강조합니다.

연결된 미래를 위한 최고의 사물인터넷(IoT) 주식 10개 목록을 보려면 여기를 클릭하세요.

미국의 마이크로칩 생산 미래

미국은 회복력 있고 자립적인 경제 미래를 위해 마이크로칩이 얼마나 중요한지 잘 인식하고 있습니다. 이러한 인식은 국가가 최고 수준의 마이크로칩을 생산하는 시스템을 장려하도록 이끌었습니다.

예를 들어, 조지 워싱턴 대학교와 다른 네 개의 학술 연구 파트너는 협력하고 있습니다 미국 상무부 국립표준기술연구소(NIST), Google, 그리고 반도체 제조업체 SkyWater Technology (SKYT ) 와 협력하여 연구자와 스타트업을 위한 ‘국내에서 저렴한 그러한 마이크로칩 공급’을 개발하고 있습니다.

이 협력은 커뮤니티에 배포될 수백 개의 마이크로칩을 탑재할 실리콘 웨이퍼를 생산하는 것을 목표로 합니다. 연구자들은 사전 평탄화된 칩 플랫폼에 접근할 수 있게 되며, 이는 ‘통합에 적합하고 커뮤니티 내 다른 장치와 비교하여 새로운 장치의 성능을 벤치마킹하기에 적합합니다.’

특히 미국이 마이크로칩 생산을 국내 복귀시키는 전략적 초점으로 전환함에 따라, 나노기술 및 반도체 장치 분야에서 진전을 이루기 위해 필요한 연구 인프라.

국내 마이크로칩 생산을 촉진하기 위해 미국 정부는 애리조나에 본사를 둔 Microchip Technology (MCHP ) 에 거의 US$162 million을 투자할 계획을 발표했습니다. 기업, 미국 정부, 그리고 해당 회사 간의 협력은 구속력 없는 예비 양해각서(PMT) 형태로 진행될 것입니다.

미국 정부는 수백만 달러 규모의 ‘연방 인센티브’를 제공하며, 이는 두 가지 흐름으로 배분됩니다. US$90 million은 회사의 콜로라도 스프링스 제조 시설을 현대화하고 확장하는 데 사용되고, 나머지 US$72 million은 오리건 주 그레섬에 있는 시설 확장에 투입됩니다.

유사한 US$35 million 규모의 자금이 이전에 BAE Systems (BSP.DE ), Inc.의 사업 부문인 BAE Systems Electronic Systems에 제공되었습니다. 목표는 회사의 마이크로 전자 센터 현대화를 지원하는 것이었습니다.

요약하면, 미국은 정책 차원과 실행 차원 모두에서 국내 마이크로칩 생산을 장려하기 위해 눈에 띄게 활발히 움직이고 있습니다. 그리고 이러한 강력하고 집중적인 활동을 할 충분한 이유가 있습니다. 컴퓨터, 스마트폰, 자동차의 공급 라인이 방해받지 않는 것이 필수적입니다. 이미 보았듯이, 마이크로칩의 존재는 국가 안보 메커니즘과 사이버 보안 구조를 강화할 수 있습니다.

미국 당국의 360도 접근 방식은 제조에 대한 인센티브 제공, 연구 개발 장려, 숙련 인력 양성, 그리고 국제 정보통신기술 보안 및 반도체 공급망과 관련된 활동 강화의 필요성을 고려합니다.

미국 당국이 마이크로칩 생산을 활기찬 국내 기업으로 만들기 위해 투자할 준비가 된 수십억 달러는 전 세계 기업들을 끌어들이는 데에도 성공했습니다.

예를 들어, 지도상 가장 크고 중요한 플레이어인 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC)는 애리조나에 반도체 제조 공장을 건설하기 위해 US$12 billion 이상을 약속했습니다. Intel (INTC ) 은 오하이오에 US$20 billion 규모의 반도체 제조 공장을 건설할 계획이며, Micron Technology, Inc. (MU ) 는 향후 20년 동안 최대 US$100 billion를 투자해 뉴욕 북부에 대규모 반도체 공장을 건설하려는 더욱 야심찬 계획을 제시했습니다.

이러한 모든 이니셔티브와 실행 계획이 마련된 상황에서 미국이 마이크로칩 생산 경쟁에서 뒤처질 이유는 없습니다. 그러나 전 세계 현대 칩 제조의 약 3/4을 차지하는 동아시아 국가들과 경쟁하려면 미국은 견고한 인재 및 공급망 파이프라인을 구축해야 합니다. 또한 과잉 생산 및 공급 과잉 위험으로부터 보호하기 위해 수요를 파악해야 합니다. 또한 올바른 유형의 칩 생산을 우선시하는 데 초점을 맞춰야 합니다.

미국은 미국 국가 안보와 직접 관련된 특정 종류의 칩 생산을 확대해야 합니다.

미국이 마이크로칩 제조를 늘리고 이를 최적화된 방식으로 수행할 수 있을지는 지켜봐야 할 문제입니다.