자율주행차와 반도체의 미래

- 과거부터 차량용 반도체를 전문적으로 생산하고 있는 기업들이 차량 용 반도체 시장의 대부분을 차지해 왔다. 예를 들면 인피니언테크놀 로지스, NXP 반도체, 르네사스, ST 마이크로와 TI 등이다. 이 기업 들의 특징은 IDM 기업이란 점이지만 모든 칩을 자체적으로 제조하 지는 않는다. 다시 말하면 기업의 필요에 따라 설계만 자체적으로 진 행하고 제조는 파운드리 기업에 맡기는 방식으로, 대부분은 직접 제 조하지만 일부는 맡긴다(보통 이를 팹라이트Fab-lite라 한다). 그리고 이들 기업이 설계한 칩을 생산해 주고 있는 기업들은 주로 TSMC, UMC 와 글로벌파운드리 등이다(물론 이외에도 다수의 파운드리 기업들이 있지 만 점유율은 그리 높지 않다). 이 중에서 TSMC가 차량용 반도체 시장 의 70% 정도를 점유하고 있는거로 알려지고 있다.
- 결과적으로 차량용 반도체의 부족사태를 해결하기 위한 방법은 크게 차량용 반도체의 제조를 위한 새로운 팹을 건설(혹은 라인을 증 설)하거나, 아니면 지금 생산하고 있는 팹의 일반 반도체 생산라인을 차량용 반도체 생산라인으로 바꾸는 방법이다. 이 두 가지 방안 중에 서 후자보다는 전자가 더 합리적인 방법으로 보인다. 일반 반도체 생 산라인을 차량용 반도체 생산라인으로 바꾸는 게 쉽지 않은 상황이 기 때문이다(물론 지금은 경기불황으로 인해 일반 반도체의 생산라인을 차 량용 반도체의 생산라인으로 바꾸는 기업도 늘어나고 있지만 근본적인 해결 방법은 아니다).
이에 따라 TSMC 이외의 다른 차량용 반도체를 생산하고 있는 기업들도 신규 팹을 건설하거나 라인을 증설하고 있다. 인텔의 독일 공장에 대한 투자도 인텔과 유럽 전통의 완성차 기업들 사이에서 이해 관계가 잘 맞아 떨어진 사례로 해석할 수 있다. 인텔은 오는 2030년 차량의 제조원가에서 20%를 차지할 거로 보이는 차량용 반도체 시 장을 잡기 위해 파운드리 사업부(Intel Foundry Services, IFS) 내 차량 용 반도체 조직을 운영하기 시작했다. 이외에도 보쉬(Bosch)가 차량 용 반도체의 생산을 늘리기 위해 독일과 말레이시아에 신규 투자를 하고 있다. UMC는 차량용 반도체의 생산을 위해 28nm 공정의 생 산라인을 대만 타이난지역에 확대하기로 결정하고 공사를 진행 중이 다. 글로벌파운드리도 뉴욕 몰타지역에서 차량용 반도체의 생산 확대를 위해 팹을 건설 중이다. 특히 글로벌파운드리는 포드와 파트너십을 맺고 차량용 반도체를 공급하기로 하는 계약을 맺은 거로 알려지고 있다.
국내 파운드리 기업인 DB 하이텍도 차량용 반도체 사업을 미래 의 핵심사업으로 정하고 있다. 따라서 점차적으로 차량용 반도체에 대한 매출이 늘어날 거로 예상된다. 나아가 삼성전자와 SK 하이닉 스도 차량용 반도체의 생산을 위해 파운드리를 지속적으로 확장하고 있다.

- 그럼 로봇과 드론엔 어떤 반도체가 주로 쓰일까?
로봇을 동작시키는 메커니즘엔 3가지가 있다. 그건 바로 인지, 판 단과 구동이다. 인지부문엔 시각, 청각, 후각, 촉각, 속도, 거리감지 와 위치감지 등을 하기 위한 각종 센서가 필요하며 판단부문엔 로봇 제어용 SoC(System on Chip)가 필요하다.
드론엔 다양한 반도체가 사용되지만 특히 각종 센서와 전원 IC 등 이 많이 사용된다. 센서엔 자이로센서, 적외선센서, 영상센서 그리고 레이더와 라이다 센서 등과 같이 다양한 종류가 있다. 먼저, 자이로센 서는 각속도를 측정하기 위해 필요하며 적외선센서는 화재현장에서 온도를 측정하거나 사람을 찾아 구조하기 위해 필요하다. 그리고 카 메라엔 영상센서가 들어가게 되며 이 센서는 사진과 영상 촬영을 위 해 필요하다. 나아가 레이더와 라이다센서는 드론에도 쓰이는 데 이 는 자율주행차에 쓰이는 이유와 마찬가지이다. 드론용 전원 IC는 드 론에 내려진 동작 명령에 따라 필요한 전력을 프로펠러(Propeller)에 공급할 뿐만 아니라 드론의 CPU에서 보내는 신호를 인식해 각 모터가 동작하도록 하는 역할도 담당한다. 특히 4개에서 8개까지 프로펠 러를 달고 날아다니는 드론은 각 모터가 균형적으로 동작해야 안정 적인 비행을 할 수 있다. 그리고 바람, 눈과 비 등 악천후에도 안정성 을 확보하면서 일정 속도를 유지해야만 한다. 이와 같은 세밀한 동작 이 가능하려면 필요한 만큼의 전력을 정확히 공급할 수 있는 높은 기 술 수준의 전원 IC가 필요하다.

- IDM 기업은 반도체를 설계, 제조와 패키징까지 모두 진행하고 있는 기업을 말한다. IDM 기업은 주로 2가지 형태로 나뉠 수 있다. 첫째, 주로 메모리반도체를 취급하고 있는 기업이다. 일반적으로 메모리반 도체는 설계, 제조와 패키징으로 나누어 진행하는 거를 비효율적으 로 보고 있다. 메모리반도체는 시스템반도체와 비교해 기술적 난이 도가 낮은 편이기에 한 기업에서 모두 진행하는 게 보다 효율적이기 때문이다. 둘째, 아날로그반도체를 취급하고 있는 기업이다. 아날로 그반도체도 다른 시스템반도체와 비교해 첨단공정이 아니기에 한 기 업에서 모두 진행하는 게 보다 효율적이기 때문이다(물론 경우에 따라 파운드리 기업에 위탁하여 생산하기도 한다). 예외적으로 인텔의 경우 첨단공정의 시스템반도체인 CPU에 대해 자체적으로 설계, 제조와 패 키징을 모두 진행하고 있다(이와 같은 첨단공정에서의 미세화로 인해 한 때 인텔은 14nm 공정에서 5년간 머무른 적이 있었다. 이는 첨단공정의 미세 화를 진행하면서 제조를 동시에 진행하는 게 얼마나 어려운 일인지를 보여 주 는 사례이다).
나아가 IDM 기업은 일반적으로 설계, 제조와 패키징을 모두 진 행하므로 팹리스, 파운드리와 OSAT 기업과 같은 전문 반도체 기업보다 규모가 큰 경우가 많고 삼성전자와 인텔처럼 파운드리 사업을 동시에 진행하는 경우도 있다.
뿐만 아니라 IDM 기업은 대부분 차량용 반도체 사업을 진행하고 있다. 차량용 반도체가 모빌리티에도 적용이 확대됨에 따라 시장이 크게 성장하고 있기 때문이다. 특히 전자의 IDM 기업은 ADAS와 인포테인먼트에 들어가는 메모리반도체가 주요 제품이다. 그리고 후 자의 IDM 기업은 차량의 각 부분을 통제하는 MCU가 주요 제품이 다(물론 전력 IC, 센서 IC, 드라이버 IC 등의 반도체도 많이 제조하고 있다). 자율주행차와 모빌리티의 발전에 따라 메모리반도체와 MCU 모두 시장규모가 눈에 띄게 성장세를 나타내고 있는 상황이다.
- 한편 삼성전자의 차량용 반도체 사업은 주로 시스템LSI 사업부에 서 진행하고 있다. 삼성전자는 2017년부터 본격적으로 제품을 출시 하기 시작하였으며 주요 아이템은 프로세서, 통신 반도체와 전원관 리 반도체 등이다. 최근 자동차를 이용하면서 다양한 콘텐츠를 즐기는 사람들이 늘고 있다. 이에 따라 고성능 프로세서와 초고속 통신 칩의 수요는 증가추세에 있다. 나아가 차량에 들어가는 다양한 부품의 증가에 따라 차량 내 전력을 효율적으로 관리하는 전력반도체의 역할이 중요해지고 있다.
삼성전자는 2017년 독일 완성차 브랜드인 아우디에 차량용 프로 세서인 엑시노스 오토 8890 (Exynos Auto 8890)을 납품하기 시작하고 다른 칩들도 차량에 탑재되면서 사업이 커지기 시작하였다. 나아가 삼성전자는 이미지센서(Image Sensor)의 타깃 시장도 기존의 휴대폰 용에서 차량용으로 넓히고 비즈니스를 더욱 강화하고 있다. 이에 따 라 삼성전자는 아이소셀 오토(ISOCELL Auto)란 칩을 출시하였다. 이 를 통해 삼성전자는 이미지센서도 소니를 따라잡고 1위로 앞서 나아 가겠다는 계획을 세우고 있다.
나아가 삼성전자는 자동차에 들어가는 메모리반도체도 사업을 강 화하고 있다. 삼성전자가 출시하고 있는 주요 제품은 AUTO SSD, GDDR6, UFS(Universal Flash Storage)와 DDR4 등이다.

- 최근 자율주행 시스템이 고도화되고 있을 뿐만 아니라 고해상도 지도, 동영상 스트리밍과 고사양 게임 등이 보편화되고 있다. 이와 같이 차량 내 인포테인먼트 시스템이 발전하면서 고용량, 고성능 메 모리 반도체에 대한 수요도 계속해서 증가추세에 있다. 뿐만 아니라 자동차가 자율주행차로 서서히 발전되면서 자율주행의 기능을 돕는 ADAS도 고도화되고 있다. 이에 맞추어 데이터를 효율적으로 저장 하기 위해 고성능 메모리반도체도 사용될 수밖에 없다. ADAS용 메모리반도체 시장은 매년 27%씩 성장이 예상되고 있으며 2028년이 되면 16억 6천 5백만 달러 규모의 시장이 형성될 전망이다.

- 현대자동차는 완성차 기업 중에서 가장 적극적으로 차량용 반도 체의 개발에 나서고 있다. 또한 몇 년 전 현대오트론에서 취급하던 반도체 업무를 현대모비스가 인수하게 되었다. 현대모비스의 규모가 더 크기 때문에 반도체 개발을 위한 투자에 용이하기 때문이다. 이에 따라 현대모비스는 자체적으로 반도체 개발을 진행하고 개발된 반 도체는 모듈형태로 현대자동차에 납품하게 된다. 뿐만 아니라 최근 현대모비스는 반도체 사업관리실을 사내에 신설하였으며 개발인력 도 대대적으로 충원하면서 반도체 R&D 조직을 더욱 강화하고 있다. 이외에도 국내 반도체 기업들과 파트너십을 맺고 다양한 차량용 반 도체의 개발을 진행하고 있다.
- 일단 현대모비스는 기술 난이도가 상대적으로 낮은 전력반도체에 대해 우선적으로 개발에 착수하였으며 MCU도 자체적으로 개발해 국 산화한다는 목표이다. 그리고 센서와 구동장치 등을 제어하는 시스템 반도체, ADAS 그리고 인포테인먼트에 들어가는 SoC도 자체적으로 개발을 진행할 예정이다. 또한 자율주행에 필요한 AI 반도체는 전문 반도체 기업과 공동으로 개발을 진행할 계획이다. 나아가 현대모비스 는 상당수의 차량용 반도체를 자체적으로 개발하려는 계획을 가지고 있다. 이렇게 개발된 반도체의 생산은 국내 파운드리 기업에 맡기거나 아니면 자체적으로 생산하는 것도 고려 중으로 보인다.
- 한편 현대자동차는 전력반도체 기업인 파워큐브세미와 공동으로 산화갈륨(Ga2O3) 전력반도체를 양산수준까지 개발한 거로 알려지고 있다. 완성차 기업으로서 처음으로 차세대 화합물 소재인 Ga2O3 이용해 전력반도체를 개발한 셈이다. 이에 따라 현대자동차는 전기 자동차의 전력소비에 대한 경쟁력을 높일 수 있게 되었을 뿐만 아니 라 다른 반도체에도 적용할 수 있을 거로 기대하고 있다. 현대자동차 의 목표는 자동차에 필요한 맞춤형 반도체를 개발하여 최적화를 추 진하고 효율성을 높인다는 계획이다. 나아가 현대자동차는 2020년 부터 현대모비스를 중심으로 SiC 전력반도체의 개발도 진행 중이다. 이 프로젝트는 전력반도체 섹터란 별도 조직에서 개발을 진행하고 있다. SiC 전력반도체는 다양한 이점 때문에 차량용 반도체로 쓰기 에 매우 적합하다. SiC 전력반도체는 과거 인피니언에 대부분 의존해 오고 있었으며 이번에 현대모비스에서 자체적으로 내재화하였다 는 점에서 의미가 있다.
뿐만 아니라 최근 현대자동차는 그룹의 기획조정실 내 반도체 전 략 TF (Task Force)를 신설해 운영을 시작하고 있다. 이번 TF는 계속 되고 있는 차량용 반도체 수급난과 관련해서 그룹 전반을 조율해 대 응에 나서겠다는 의도에서 조직된 거로 보인다. 해당 TF는 그룹 내 고성능 반도체 사업 전략 및 반도체 수급방안의 수립을 강화할 전망 이다
- 도요타도 현대자동차처럼 자회사인 덴소를 통해 반도체를 공급 받고 있다. 덴소는 전 세계 2위 자동차 부품기업으로 1949년 도요타 에서 만성 적자인 전장사업부가 떨어져 나온 후 설립되었다. 덴소는 1974년부터 Bipolar IC를 만들고 1981년에는 압력센서를 개발하였 다. 나아가 1991년에 반도체 개발을 위한 기초연구소도 세우게 되면 서 2000년엔 가속도 센서도 개발하였다.
도요타는 이미 1989년 아이치현 도요타시에 반도체 공장을 설립 하고 다양한 반도체를 생산하였던 경험을 보유하고 있다. 따라서 반 도체의 생산과 프로세스에 대한 생리를 잘 알고 있다. 하지만 도요타 는 2019년 이 공장을 덴소에 넘기게 되면서 덴소에 부품공급을 전적 으로 맡기게 된다. 반도체 개발역량을 덴소에 집중하는 전략을 세우게 된 셈이다. 나아가 2020년엔 덴소와 공동으로 반도체를 설계하는 미라이스(Mirise Technologies)란 기업을 설립하게 되었다. 미라이스의 개발 분야는 파워 일렉트로닉스를 포함한 센싱과 SoC 등이다. 이렇 게 설계된 반도체 일부는 TSMC를 통해 생산될 거로 보인다.
이미 TSMC는 일본 구마모토에 팹을 건설하고 있으며 덴소가 많은 지분을 투자하였다. 이 팹은 2024년 말 가동이 예상되고 주로 10nm에서 20nm 공정의 반도체가 생산될 예정이다. 나아가 도요타 와 덴소는 르네사스의 지분을 가지고 있어 르네사스는 사실상 도요 타와 덴소의 영향력 아래에 있다. 따라서 덴소는 자체적으로 개발하 지 않고 있는 차량용 반도체를 르네사스로부터 공급받기가 용이한 입장이다.
- 뿐만 아니라 2022년 덴소는 전기자동차용 전력반도체 소자를 개 발하였으며, 이 소자로 에너지 손실을 20% 줄일 수 있다. 전력반도 체는 배터리 상태를 모니터링하는 아날로그반도체 소자와 함께 전 기자동차의 성능에 필수적이다. 덴소는 다른 차량용 반도체와 마찬 가지로 설계와 제조를 아웃소싱하기보다 자체적으로 개발 및 생산에 박차를 가하고 있다. 24) 물론 자체적으로 생산이 불가능한 고성능 반 도체는 TSMC, 혹은 UMC에 맡길 거로 보인다.
도요타는 2014년 이미 덴소와 공동으로 SiC로 전력반도체를 개발하여 자사의 자동차에 탑재하고 있다. 따라서 이 분야에서는 다른 완성차 기업보다 앞서 나아가고 있다. 아울러 도요타와 덴소는 다가 오는 자율주행 시대에 경쟁 기업보다 앞서 나아가기 위한 준비를 시 작하였다. 2017년 덴소는 자율주행에 필요한 반도체를 개발하는 엔 시텍스(NSITEXE)를 설립하였다. 그리고 도요타는 완성차 기업으로 는 처음으로 자율주행 기술을 구현하기 위해 엔비디아와 협력하기도 하였다. 앞으로도 도요타는 덴소뿐만 아니라 자회사를 통해 다양한 차량용 반도체를 개발할 예정이다. 특히 TSMC의 구마모토 공장이 가동되는 2024년 말이 되면 고성능 반도체의 자체 설계와 위탁생산 에도 무리가 없을 듯 보인다.