반도체 제국의 미래

 

반도체를 만든다(제조 공정 이해하기)

반도체 제조는 건축과 비슷하다

시장조사 -> 설계 -> 제조(FEOL, BEOL) -> 테스트 -> 패키징

D램은 설계의 기술은 적게 필요(CPU 명령을 받아서 읽기/쓰기 단순 구조)

전체 면적의 대부분인 저장소 크기를 줄이는것이 중요(이를 위해서 신형 노광기등을 도입)

 

* 웨이퍼 위에 기둥 1개 세우는 과정 

웨이퍼 준비 -> 물질 씌우기(도포) -> 포토레지스트 입히기 -> 광원(마스크로 필요없는 레지스트 태우기) -> 식각(강력한 가스로 깍는다) -> 세척 

 

포토레지스트(감광액) : 광원에 잘 반응하여 빛을 받으면 타버리지만, 물리적으로 깍는것에는 저항하는 특성을 가짐

FEOL(Front end of th line) : 웨이퍼와 가까운쪽에 위치한 반도체 소자(PMOS, NMOS) 제조

BEOL(Bake end of the line): 각 소자들을 연결하는 금속 배선층 

 

반도체 제국의 탄생 

D램은 설계의 난이도가 낮기 때문에 누구나 시장에 진입하여 만들 수 있다.

반도체 회사가 다른 제조업과 구분되는 가장 큰 차이점은 기술력이 원가에 미치는 영향이 매우 높다

빵집에서 밀가루를 더 쓰지 않고 더 많은 빵을 만들 수는 없다

반도체 회사는 설계를 바꾸고, 신형 노광장비등을 도입하여 차기 미세공정으로 넘어가게 되면 원재료인 웨이퍼 위에 기존보다 수십%가 넘는 반도체를 추가로 배치 할 수 있다.

또한 데너드 스케일링(동일한 면적에 직접된 트랜지스터는 전력 소모량이 같다)을 이용 전력 소모 특성도 앞서감

따라서 기술이 앞서가는 회사는 집적도를 올려 원가는 낮추거나, 남는 웨이퍼틔 일부를 이용하여 전력을 절약하는 회로를 부착하는등의 선택지가 다양해진다.

또한 반도체는 부피가 작고 부가가치가 높기 때문에 지리적 장벽에 영향도 없다(단일 회사가 전세계 수요를 커버할 수 있는 구조) 

최고의 기술력을 가진 회사는 최고의 성능과 가장 싼 원가를 동시에 가질 수 있고 경쟁을 피할 방법도 존재하지 않는다

원가에서 설비투자 비용이 압도적으로 크다 

물량을 통해 얻어낸 시장 점유율은 시장 가격이 폭락할때 언제나 칼날이 되어 돌아온다

이런 구조 때문에 지난 30년간 용량당 메모리 가격은 100만배 하락

일본은 PC 시대 이전의 메모리 시장 메이저, 최고의 품질과 성능을 추구(기술과잉)

삼성전자는 시장의 요구를 정확히 맞출 성능만 남기고 모든 역량을 원가에 집중 전략

사람들이 원하는 수준의 물건을 가장 빠르게, 가장 저렴하게 제공

낸드: 저품질 메모리 

무어의 법칙: 2년마다 2배씩 메모리 밀도가 증가 

플래쉬 메모리: 노어와 낸드 형태 존재

아이팟 나노 낸드 공급사로 삼성전자 선정

아이팟 나노 휴대성 -> HDD는 작은 디바이스에 부적합, 플래시 메모리 채택

 

착한 독재자 인텔, CPU 강자로 군림하다

컴파일 한다는것은 프로그래밍 코드는 사라지고 CPU을 위한 언어만이 남는것이다.

과거 개발자는 프로그램을 짜기 전에 타겟 CPU를 선택해야 했다.(컴파일이 되야 하기 때문에)

IBM XT 등장, 개인PC 시대로 진입 --> 인텔 8080 탑재(8비트 버스, 16비트 연산기 장착)

인텔은 소프트웨어의 하위 호환성을 보장

20세기말 CPU의 작동 기반을 64비트로 전환, 최대 메모리 주소를 확장

아이태니엄 -> 설계 사상은 뛰어 났으나 하위 호환성의 문제로 실패, AMD 점유율 확장의 기회 제공 

2000년초 인텔과 AMD는 하나의 CPU에 여러개의 코어를 장착하는 멀티코어 개발에 주력

인텔은 하이퍼스레딩 방식 개발(한개의 코어가 때로는 다른 별개의 작업을 처리 할 수 있는 가상의 CPU 개념)

AMD는 한개의 코어를 2개의 작은 코어로 쪼개고 일부 하드웨어를 공유하는 모듈 개념 도입 

인텔 CPU의 성능이 압도적 우세, AMD 서버 시장 점유율 급락

인텔은 장기적 관점에서 생태계 성장과 프로그래머를 늘 염두에 두었음

 

팹리스와 파운드리

IDM(Integrated Deviced Manufacture):종합 반도체 회사, 1개 회사가 반도체 설계와 생산을 모두 담당(삼성전자, 인텔등)

팹리스(Fabless): 반도체 설계만 하는 회사(ARM)

파운드리(Foundry): 위탁제조 전문 회사(TSMC)

 

ARM:칩설계의 일부만을 매우 낮은 가격에 판매, 모두를 위한 도서관, 팹리스를 위한 팹리스

TSMC: 세계 최고 파운드리 회사, 슈퍼 을

 

4차 산업혁명의 시대, 새로운 승자의 법칙들

설계 제조의 난이도 증가

노광 장치의 발전이 느려짐, 느려지느 하드웨어 혁신

모바일 혁명, 플래시 메모리 채택, 최초 AP는 인텔 X86이 아닌 ARM

소프트웨어 변화의 나비효과

유투브, 페이스북 -> 게시글 업로드 초기는 고성능 저장소 보관, 이후 저성능 보관소 이동, WORM(Write Once Read Many), D램과 SSD 수요 증가 

데이터 날아오르다(인공지능, 가상화)

알파고, 신경망 학습 과정은 기존 프로그램과 비교 할 수 없을 정도로 메모리에 많은 부담이 가해진다.

기계 학습은 시간당 학습량을 최대한 늘려야 하는 물량 공세 방식이기 때문이다. 

알파고가 바꾼 세상: CPU에서 GPU와 메모리로 

대규모 단순 병렬 연산에 대한 거대 수요 발생 -> 엔비디아 같은 GPU 제조사에 큰 기회가 열림

결정적 순간의 가치는 얼마인가: FPGA(Field Programmable Gate Array, 재 프로그램이 가능한 독특한 목적의 칩)

FPGA 칩은 실물 칩을 만들기전 칩의 설계를 검증하는 역할 수행, 설계 시뮬레이션 칩

AI 시장의 대세가 되는 연산을 FPGA에 구현하여 사용 가능

민주적 앱 시장뒤의 독재자들: 가상화 

한대의 물리적 컴퓨터를 여러대의 가상 컴퓨터로 사용 가능

아마존 AWS, MS Azure

IT 스타트업들은 거대한 설비를 들이고 어려운 수요 예측할 필요가 없어짐 

가상화는 메모리 회사, 팹리스, 로직 회사에게 큰 기회 제공 

모바일 D램 수요 급상승, 서버용 SSD 수요 폭증 -> 낸드 매출 증가 

저전력 요구 및 AI 중심으로 하는 프로그래머들의 연산 요구에 메모리, 팹리스, 파운드리에게 큰 도약의 기회 제공 

거대 고객사 등장: 검색엔진과 스마트폰

검색을 정확히 하기 위해서는 뛰어난 알고리즘과 이 알고리즘을 증명하고 적용해 볼 수 있는 데이터가 필요 

구글의 대규모 데이터센터

IT 중요 분야들은 태생적으로 독과점에 가까운 생태계로 움직일 수 밖에 없음

 

챔피언과 도전자: 신흥 강자들의 등장과 변화하는 양상 

모바일생태계는 ARM을 기반으로 성장, 인텔은 FPGA 회사 알테라 인수

CPU와 FPGA가 통합된 형태로 개발, 서버 시장의 부가가치 강화(특정 회사의 서버에서 병목으로 작용하는 작업만을 재빠르게 처리 할 수 있음, FPGA를 가상화 하여 스타트업에게 싸게 제공하는 새로운 가상화 서비스)

이러한 시도가 성공할지는 미지수, FPGA은 시뮬레이션 칩이기 때문에 동일한 디자인을 지닌 전용칩 보다 느리다.

ARM은 고객들에게 라이선스 비용 X 판매한 칩의 개수 라는 간단한 공식만 적용

수많은 회사가 ARM이 만든 코어 디자인을 구매하여 자신만의 주변 회로를 설계하여 CPU를 제조

삼성전자와 퀄컴은 ISA만을 구입하고 코어를 스스로 설계한다.

ARM 기반의 데스크탑 PC가 등장해도 쓸만한 콘텐츠가 없으니 사용자가 없다.

아이러니하게 스마트폰으로 보는 유투브 동영상은 X86 기반 PC에서 인코딩 된것이다.

ARM은 여가시간에 가지고 노는 장난감용 AP 제조로 끝날지 모를 위험을 안고 있다.

새로운 시장을 찾아야 한다. 예를 들면 곧 수요가 폭발할 자동차용 반도체에 필요한 저전압 고온 상황에서 고신뢰성을 보장하는 표준 설계를 싸고 쉽게 제공하는 등의 역할 

 

엔비디아: 변두리에서 컴퓨팅의 중심으로 진출한 다크호스 

CPU와 GPU는 지적인 연구원과 대규모 단순 노동자와 비슷한 관계 

AI는 대규모의 무식한 연산을 수많은 연산장치에 우겨 넣는 방식으로 구현 됨

 

TSMC: 제조분업화의 최대 수혜자 

스마트폰이 대두되면서 위상이 변화

 

구글: 사용 시나리오는 지배하는 거대 반도체 수요자 

하드웨어 디자인을 소프트웨어처럼 자신들의 주요한 지적 자산으로 인식하기 시작 

 

삼성전자: 최대의 수요자이자 공급자 

압도적인 계열화를 통한 최적화 및 부가기치 흡수 능력 

낸드개발: 메모리 사업부, 로직설계: 삼성 LSI 컨트롤러제조: 파운드리 사업부  완성품: 무선 사업부 

그러나 소프트웨어 통합은 제대로 하지 못함 (스마트폰용 OS 바다, 타이젠 실패)

구글은 사람들에게 무료로 서비스와 놀이를 제공하고 값진것을 얻어간다(예: 캡차, 퀵드로)

전세계인에게 무료 노동을 시키는 지혜를 보여줌 

삼성전자가 향유해온 사업 모델 대부분은 강력한 리더십을 바탕으로 한 방향 설정과 기술력을 바탕으로 한 규모의 경제가 핵심 -> 소프트웨어 산업에서 통하기 어렵다. 기발한 아이디어로 전세계 사람들을 끌어 들여야 한다.

 

승자의 법칙은 변화하고 있다.

삼성전자는 언제나 혁신가들이 무언가를 원할때 곁에 있었다(PC 시장의 전환기, 아이팟 나노의 낸드, 서버 시장의 SSD)

승리한 반도체 회사는 혁신가들과 함께한 회사다

자신이 속한 분야에서는 치열하게 경쟁자들을 밀어내지만, 다른 밸류 체인에 속한 혁신가들 에게는 새로운 가치를 창출 할 수 있도록 적극적으로 도움을 주는것이다.

변화하는 세상: 독과점 다원화 

현실의 벽에 막혀 있던 수많은 인재가 사업에 뛰어 들고 있다. 소프트웨어 분야는 아이디어 시대가 왔다.

반도체 회사 투자자라면 스마트폰의 앱을 발전을 보면서 모바일D램이 아닌 서버 D램의 수요 폭발을 예견하고 서버 포지션이 강한 회사나 서버와 관련된 부품주를 찾아 다녔을 수도 있다.