[주식투자자를 위한 반도체산업정리]시스템반도체 vs 메모리반도체, 팹리스, 파운드리, 종합반도체회사, 반도체생태계정리

이번 글은 반도체 산업에 대해서 정리할 겁니다.
파운드리, 시스템반도체, 팹리스, cpu, gpu, 반도체 빅사이클이 무엇인지 이해할 수 있습니다.

반도체는 시스템반도체와 메모리반도체로 나누어집니다.
시스템반도체는 연산을 수행하는 기능, 메모리반도체는 정보를 저장하는 기능을 합니다.
1961년 트랜지스터가 첫 양산이 시작되었고, 1980년대에 들어와서 이 트랜지스터를 집약하여 반도체를 생산하는 기업들이 나타났습니다.
1세대 반도체 기업들인데요.
인텔, 텍사스인스투러먼트, nec 같은 회사들입니다.
이 회사들은 시스템반도체 회사들입니다.
이 시기 비메모리 반도체 회사들은 주로 일본 기업들이 주도했습니다.

반도체

먼저 메모리반도체 시장에 대해서 이야기 해 보겠습니다.
삼성은 반도체시장에 뛰어들기 위해 시스템반도체와 메모리반도체중에 무엇을 해야 할지 선택합니다.
시스템반도체는 복잡한 고난도 설계기술이 필요합니다. 이에 비해 메모리반도체는 미세공정이 중요합니다.
시스템반도체의 진입장벽이 좀 더 높아, 삼성은 다소 수월한 메모리반도체로의 진입을 1983년 공식 선언합니다.
삼성은 미세공정 기술력을 높여 나갔습니다.
때마침, 1991년 반도체 미일 갈등이 일어났습니다.
일본이 미국의 기술력을 추월하자 미국은 일본에 미일 반도체협정을 체결합니다.
이때부터 메모리반도체중심의 일본은 쇠퇴하고 반도체 소재 분야가 발전합니다.
1993년 일본이 주도하던 메모리반도체시장을 삼성이 1위를 하게 됩니다.

메모리반도체시장은 미세공정에 필요한 기술력과 생산라인을 위한 자본이 갖추고 있어야 합니다.
메모리반도체기업들은 설계부터 생산까지 모든 과정을 독자적으로 합니다.
반도체시장에서 설계부터 생산까지 모든 것을 수행하는 기업을 종합반도체기업(IDM)이라고 합니다.
그렇기 때문에 메모리반도체기업은 소수의 기업만이 있습니다.
삼성, sk하이닉스, 도시바, 마이크론이 있습니다.
우리나라 기업들은 메모리반도체시장을 무섭게 점유하기 시작했고, 현재 전 세계시장의 70%를 점유하고 있습니다.
하지만 삼성, sk하이닉스의 고민이 없는 것이 아닙니다.
시스템반도체에 비해 메모리반도체는 부가가치가 낮고, 주문생산방식이 아니고 생산 판매 형식이라 수요와 공급의 원칙에 의해 메모리반도체의 가격이 오르고 내립니다.
가격이 오르면 기업의 수익이 올라가고, 가격이 내려가면 기업의 수익이 내려갑니다.
즉 메모리반도체시장은 호황과 불황을 반복합니다.
이 것을 반도체 빅사이클이라고 합니다.
신문기사에서 '반도체빅사이클이 왔다'라는 기사를 본 적이 있을 겁니다.
어떤 이벤트로 인해 반도체 수요가 늘어 가격이 오르니 이제 호황의 시기로 올 것 같다라는 겁니다.
지금까지 3번의 호황이 있었습니다.
첫 번째 호황은 가정용 pc의 보급이 대중화되던 시기, 두 번째 호황은 스마트폰이 보급되던 시기, 세 번째 호황은 클라우드 업체의 서버 구축이 이루어지던 시기입니다.
우리 투자자 입장에서는 다음 호황의 이벤트가 무엇인지 생각해 보아야겠지요?
자율주행, 사물인터넷(iot), 인공지능, 5g 등 4차 산업혁명이 될 수도 있겠어요.
반도체빅사이클은 메모리반도체에만 적용되는 이야기입니다. 시스템반도체는 산업생태계가 다릅니다.

이제 시스템반도체에 대해 이야기해 보겠습니다.
시스템반도체의 생태계는 좀 더 복잡합니다.
메모리반도체와 달리 시스템반도체기업은 설계와 생산을 모두 한 회사가 하지 않는 경우가 더 많습니다.
1세대 반도체기업이 있었습니다.
인텔, 텍사스인더스트리먼트, nec가 있었습니다.
1980년대 이 기업들은 설계에서부터 생산까지 모두 하였습니다.
즉, 종합반도체기업(idm)입니다.
이때, 텍사스인스트리먼트에서 근무하던 모리스 창은 앞으로 시스템반도체 생태계가 변할 것이라고 예측합니다.
시스템반도체는 고난도의 설계기술이 필요하고, 미세공정을 위한 생산라인도 필요합니다.
기술이 발전할수록 점점 전문화될 걸고, 한 기업이 모두 하는 것은 힘들 것이라고 생각합니다.
그래서 모리스 창은 대만으로 돌아와 반도체 회사를 만듭니다.
바로 이 회사가 대만의 tsmc입니다.
tsmc는 생산만 하는 회사입니다.
이렇게 생산만 하는 회사를 파운드리라고 부릅니다.
여기서 한번 정리합니다.
반도체 공정은 크게 3가지로 분류됩니다.
설계, 검수, 생산
설계를 하는 회사를 팹리스, 검수를 하는 회사를 디자인하우스, 생산을 하는 회사를 파운드리라고 합니다.
이렇게 생산이 분리되자, 자본이 많이 없지만, 설계를 할 수 있는 전문인력을 갖춘 팹리스 회사들이 생겨나고, tsmc의 고객이 되었습니다.
종합반도체회사인 인텔도 tsmc에게 생산을 맡겼고 여러 기업들의 반도체를 tsmc가 생산하고 있습니다.
tsmc는 기술개발로 삼성과 같은 3 나노공정을 발표했습니다.
현재 tsmc의 시가총액은 세계 1위입니다.
얼마 전 자동차용 반도체가 부족하여 자동차 생산이 멈춘 적이 있습니다.
이때 우리나라는 반도체 강국인데 왜 우리 자동차 기업에 주지 않고, 대만에게 손을 내밀까 하고 생각하셨다면, 바로 자동차용 반도체는 시스템반도체입니다.
시스템반도체는 우리가 사용하는 거의 모든 기기에 들어갑니다.
자동차에도 200~300개의 시스템반도체가 들어가는데 자율주행 시대가 되면 약 2000개 정도가 들어간다고 합니다.

시스템반도체 형식에 따른 분류에 대해 알아보겠습니다.
시스템반도체에는 cpu, gpu, ap, npu 등이 있습니다.

cpu는 우리 컴퓨터에 중앙정보처리장치로 달려 있습니다.
cpu를 생산하는 기업으로는 인텔과 amd가 있습니다.
cpu는 복잡한 연산을 수행하는 기능이 있지만, 많은 연산을 한 번에 수행할 수는 없습니다.
pc가 보급되고 사용자 환경이 좋아지면서 컴퓨터 화면은 흑백에서 칼라로, 게임 또한 고사양의 그래픽이 필요하게 되었습니다.
cpu만으로는 그래픽을 위한 연산을 감당할 수 없었습니다.
엔비디아는 그래픽카드를 생산하였고, 자사의 상품에 gpu라는 용어를 처음 사용했습니다.
gpu는 병렬식 일처리 방식으로 동시에 많은 연산을 수행할 수 있습니다.
예를 들면, cpu는 수학교수가 복잡한 문제를 풀 수 있다면, gpu는 초등학생처럼 복잡한 문제는 풀 수 없지만, 덧셈과 같은 간단한 연산을 할 수 있는 초등학생 1000명이 있다고 생각하면 쉽습니다.
엔비디아의 주가가 오른 것은 인공지능과 암호 자산의 영향이 큽니다.
인공지능은 많은 방대한 데이터로 학습이 중요한데 많은 양의 학습을 위해 gpu가 사용되고, 암호자산의 채굴은 간단한 연산을 많이 수행해야 하기 때문에 그래픽카드의 수요가 폭발적으로 늘어났습니다.

ap는 스마트폰에 들어가는 시스템반도체입니다.
ap는 cpu + gpu +modem을 합쳐놓은 것이라고 생각하면 쉽습니다.
초기 ap의 시장점유율은 퀄컴이 장악했습니다.
cpu에 인텔이라면, ap는 퀄컴이었습니다.
퀄컴은 cdma통신특허를 가지고 있었고, 각 스마트폰제조사들은 퀄컴의 특허를 사용할 수밖에 없었습니다.
퀄컴은 자사의 ap를 cdma특허와 함께 패키지로 스마트폰 제조사들에게 사용을 요구했고, 제조사들은 비싼 가격에 퀄컴 ap를 사용할 수밖에 없었습니다.
2g, 3g 시대가 지나고, lte가 되면서 퀄컴의 통신특허는 필요 없게 되는 시기에 맞춰 각 제조사들은 각자 자사의 ap를 개발하고 장착했습니다.
삼성폰에는 삼성 ap가 아이폰에는 애플 ap가 장착되었습니다.
ap는 cpu보다 성능이 떨어진다고 알려져 있습니다.

2020년 11월 애플은 M1칩을 공개하였습니다.
M1칩은 애플의 컴퓨터, 노트북에 장착되고 인텔 cpu보다 6배의 성능을 배터리 효용을 2배나 높였다고 합니다.
그런데 이 m1칩이 하늘에서 떨어진 것이 아니고, 애플의 ap를 가지고 개발했다고 합니다.
이렇게 시스템반도체 시장은 각 공정별로 분야가 나뉘어 있어서 it 기업들 기업들이 반도체 시장에 뛰어들고 있습니다.
구글, 아마존, 페이스북, 테슬라, 바이두 등 대부분의 it 기업들은 시스템반도체 시장에 도전하고 있습니다.

우리나라는 시스템반도체 분야에서는 경쟁력이 떨어져 있는 것이 사실입니다.
일단, 시스템반도체분야에서는 설계가 중요한데, 고난도의 설계를 위한 인력양성이 부족하다고 합니다.
우리나라 팹리스 업체가 한 군데 있습니다.
바로 실리콘웍스입니다.
삼성은 시스템반도체 분야로의 경쟁력 확보를 위해 삼성 파운드리 사업부가 있습니다.
'반도체 비전 2030'을 발표하고 생산설비 50조, 연구개발 73조를 투자한다고 합니다.
평택에 파운드리 공장을 10조를 들여 구축하고 신규라인이 2021년 2월 가동했습니다.
tsmc와 삼성의 미세공정은 현재 3 나노공정으로 거의 같은 수준입니다.
tsmc의 엄청난 생산라인을 삼성이 따라잡을 수 있을지, 많은 팹리스 업체로부터 선택을 받을 수 있을지 , 체크해 보아야 하겠습니다.

npu에 대해서 설명하겠습니다.
투자자라면 앞으로의 산업의 미래예측이 중요합니다.
npu는 앞으로의 시스템반도체라고 할 수 있습니다.
npu를 선점하는 기업을 선택하는 안목이 필요합니다.
npu는 Neural Process Unit의 약자입니다.
사람의 뇌 신경망을 모방하여 만든 반도체입니다.
성능은 cpu의 40배, gpu의 10배에 달합니다.
이 반도체는 인공지능 시대를 위한 반도체입니다.
지금은 각 기기에서 데이터를 서버로 전송하고 서버(클라우드)에서 ai로 학습된 결과를 송출해 주고 기기에서 다시 받아 사용하는 방식입니다.
npu가 상용화가 되어 각 기기에 npu가 장착이 되면 각 기기 자체에서 ai의 결과를 얻어낼 수 있습니다.
이것을 '온디바이스 AI'라고 합니다.
현재 반도체 기업뿐만 아니라 거의 모든 it 기업들이 npu개발에 뛰어들었습니다.
어느 기업이 npu개발에 주도적인 역할을 할지 투자자의 관점에서 공부해야 하겠습니다.