메모리 & 시스템 반도체란? D램과 S램, 노어(NOR)와 낸드(NAND) 뜻

목차

 

복잡한-반도체-관련-용어들과-반도체-공정과-생산과정-반도체-기업

 

한국이 새해를 맞으며 새로운 아침이 시작되었다. 뒤를 돌아보니 어느덧 한 달을 훌쩍 넘기며 2월을 맞이하게 되었는데, 2월 첫날부터 들리는 보이는 소식이 "첫 달부터 무역수지 적자액이 100억 달러를 넘어서며 역대 최대 적자폭을 기록"이라니...

 

 

이는 올해 1월 수출액 462억7000만 달러, 전년 동월 대비 16.6%(91억 9000만 달러)나 급락한 수준으로 주력 수출 품목인 반도체 수출이 44.5% 급락한 영향이다. 그만큼 한국의 수출 항목으로 중요한 산업 중 하나가 바로 반도체 산업이다.

 

 

이같은 전망은 월간 기준 최대 적자였던 지난해 8월(94억 3500만 달러)을 훌쩍 넘어선 규모다. 수출은 4개월 연속 감소하고 국내 자동차와 선박이 어느 정도 선전하기도 했지만, 글로벌 세계 경기둔화 속에서 특히나 '국내 반도체 수출'이 크게 감소했다.

 

 

이로인해 반도체 수출 급감 → 전체 수출 하락 → 대규모 무역수지 적자 악순환이 반복되고 국내 반도체 메이커와 본다체 장비업체의 주가는 연초보다 훨씬 밑도는 수준이다.

 

 

그런데 잠깐, 주식을 공부하다 보면 이런 얘기들을 많이 듣는다. "남들이 다 아는 소식, 들은 소식은 이미 늦었을 때다" 이런 말이 나오는 것은 당연한 것이다. 기본적으로 주가의 움직임, 주식시장에서의 주가 방향성은 '선행(선반영)' 하는 것이 기본 중에 기본이다.

 

 

자, 그럼 주식시장의 선반영을 생각하고 반도체 시장을 한번 바라보자. 반도체 불황은 과연 계속 될까? 각자의 생각은 다르겠지만, 내 생각은 다르다.

 

 

반도체 시장 전반에 대한 개인적 의견은 다음 시간에 하도록 하고 그전에 반도체 시장을 이해하기 위한 생소한 용어와 관련 산업의 이해가 필요하다.

 

 

도체(Conductor)와 부도체(Insulator), 칩(chip) 또는 소자, 메모리 반도체와 비메모리(시스템)반도체, 램(RAM) & 롬(ROM), 낸드(NAND) 플래시와 노어(NOR) 플래시, CPU, AP, GPU, NPU, 반도체 8대 공정, IP기업, 팹리스, 파운드리, IDM (종합반도체기업) 등.. 반도체 투자에 앞서 처음 들어보거나 생소한 단어들이 너무나 즐비하다.  

 

 

오늘은 이런 복잡한 반도체 관련 용어들과 반도체 공정과 생산과정, 반도체 기업들에 대해 전반적으로 알아보는 도대체 반도체란 무엇인지 정확히 정리해 보는 시간을 가져볼까 한다. 반도체란? 오늘 이 글을 본다면 반도체는 끝!

반응형

 

반도체란?

 

도체-반도체-부도체의-정의

 

반도체 이야기로 들어가기전 반도체가 무엇이고 어떤 역할을 하는 것인지 먼저 알아볼 필요가 있다. 

반도체란, 도체(Conductor)와 부도체(Insulator) 사이의 전기적 성질을 띌 수 있는 칩(chip) 또는 소자(素子)따위를 세간에서 편하게 반도체라고 부른다. 여러 지식 검색, 포털, 블로그 등에서 반도체를 정의한 것을 보면 흔히 '도체와 부도체의 중간영역에 개념에 속하는 것'이라는 이상한 설명을 하기도 하던데, 이것은 정확한 설명이 아니다.

정확히 말하자면, 도체는 전류가 잘 흐르는 물질, 부도체는 전류가 흐르지 않는 물질을 말하는 것인데 이를 중간영역에 속한다고 정의하는 것은 잘못된 것이다. 그 예로 적당한 전류가 흐르는 물질은 '저항체'라는 용어가 따로있고 이를 반도체라고 부르지 않는 것과 같은 맥락이다.

 

결국 '중간영역'에 속하는 것이 아니라. 외부의 어떤 신호, 요인 또는 조건에 따라 도체와 부도체로 '전기적 성질'이 변경되는 물질로 설명하는 것이 정확한 설명이다. 중간에 속한 것과 어떠한 요인으로 인해 성질이 변경되는 것은 전혀 다른 것이다.

 

순수 반도체는 부도체처럼 전기가 거의 통하지 않지만, 어떠한 인공적인 조작(열, 빛, 특정 불순물 등..)을 가했을때 도체처럼 전기가 흐르게도 할 수 있는 특징을 가진 것이라고 생각하는 것이 더 정확하다.

 

통상 반도체 산업이라고 하면 규소(SI)를 이용하여 반도체소자, 트랜지스터, 다이오드, 직접회로 등의 제조를 하는 산업을 말한다. 이처럼 반도체 산업은 기술 개발이 중요하고 복잡하며, 반도체 산업 리포트를 제대로 이해하기 위해서는 반도체 산업의 전문 용어, 반도체의 분류, 제조 공정에 따른 기술 차이점 등을 이해하는 것이 무엇보다 중요하다.

 

 

메모리 반도체 & 비메모리(시스템) 반도체

 

반도체-세부-분류

 

 

반도체는 '메모리 반도체'와 '비메모리 반도체(시스템 반도체)'로 구분할 수 있다. 우리나라는 특히 메모리 반도체가 강하다는 얘기를 많이 하는데, 메모리 반도체는 기본적으로 정보를 저장하는데 그 목적이 있는 것이고, 비메모리 반도체(시스템 반도체)의 경우 저장 기능이 목적이 아닌 연산, 논리 작업 등과 같은 정보처리를 목적으로 기능한다.

 

 

1. 메모리 반도체

 

메모리 반도체 중에서도 특히나 우리나라가 점유율이 높은 반도체 분야는 D램과 낸드 플래시로 가장 높은 점유율을 가진 메모리 반도체다. 쉽게 정리하자면 낸드플래시(SSD), HDD와 같은 전원 연결이 없어도 데이터가 날아가지 않는 저장장치에 주로 사용하는 반도체로 이해하면 될 것 같다.

 

메모리-반도체-글로벌-시장-점유율

 

메모리 반도체는 크게 램(RAM: Random Access Memory)과 롬(ROM: Read Only Memory)으로 나뉜다. 

램(RAM) & 롬(ROM)

메모리 반도체는 정보를 0과 1의 디지털 신호로 바꿔 저장해 주는 것이다. 이때 디지털 신호를 읽거나 쓰기가 가능하게 하는 것이 램(RAM)과 롬(ROM)의 목적이지만, 이때 각각의 성질이 다르다. 


A1. 읽고 쓰기가 가능하고 전원이 꺼지면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리의 성질을 가진 것이 램(RAM)
A2. 읽기 전용 메모리로 전원이 꺼져도 데이터가 사라지지 않는 비휘발성 메모리가 롬(ROM)

 

A-1) 램(RAM)

 

램(RAM)은 컴퓨터 프로그램의 작업공간이다. 쉽게 말해 전원이 꺼지면 데이터가 사라지는 휘발성 메모리이기 때문에 작업 중이거나 작업을 끝낸 내용을 저장하기 위해서는 별도의 저장장치(HDD : Hard Disk Deive)를 이용해 저장해야 사라지지 않는다.

 

 

보통 컴퓨터 사양 표시에서 자주 볼 수 있는 램은 연산, 논리 작업 등과 같은 정보처리를 목적으로 한다. 램은 엄밀히 따지자면,  D램, S램, V램, 롬 등 여러 가지가 있지만 D램(Dynamic RAM)과 S램(Static RAM)이 대표적이다. 보통 뉴스에서 자주 나오는 메모리 반도체가 바로 이  D램이다. 통상 D램이 S램에 비해 용량이 크지만 가격은 저렴하기 때문에 많이 사용되고 있다.

 

 

A-2) 롬(ROM)

 

롬(ROM)도 여러 종류가 있지만, 대표적으로 컴퓨터를 켰을 때 자동으로 실행되는 프로그램인 바이오스(BIOS: Basic Input Output System)가 들어있는 메모리가 대표적이다.

 

 

롬(ROM)은 플래시 메모리의 한 형태로 플래시메모리는 전력 소모가 적고 기존 자기 디스크에 비해 고속으로 읽기 및 쓰기가 가능하여 디지털카메라, 스마트폰, 휴대전화, USB 드라이브 등의 다양한 휴대용 기기와 SSD(Solid State Drive) 등에 널리 사용되고 있다.

 

 

 

롬(ROM)은 배열 구조에 따라 낸드(NAND) 플래시와 노어(NOR) 플래시로 또 나누게 된다.

- 낸드 플래시는 셀이 직렬로 연결된 방식으로 노어 플래시에 비해 제조단가가 싸고 용량이 크다. SD카드나 Memory stick에서 쓰이는 메모리로 디지털카메라나 MP3 등에 주로 쓰인다.
 
 
- 노어 플래시는 셀이 병렬로 연결된 방식으로 필요로 하는 셀에 바로 접근할 수 있어 데이터의 읽기 속도가 빠른 것이 특징이다. 하지만 처리 속도가 빠르나 저장용량이 적고 소비전력이 많이 든다는 단점이 있다. MMC카드나 Compact flash 메모리에 쓰이는 타입으로 핸드폰이나 셋톱박스 등에 주로 쓰인다.

 

2. 비메모리 반도체(시스템 반도체)

 

비메모리 반도체(시스템 반도체)는 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)와 스마트폰의 중앙처리장치라고 할 수 있는 AP 외에도 멀티미디어 반도체, 주문형 반도체(ASIC), 복합형 반도체(MDL), 파워반도체, 개별소자, 마이크로프로세서 등 각종 센서류를 지칭하는 것으로 메모리 반도체 이외의 모든 반도체를 말하는 것이다.

 

 

최근 많은 뉴스나 경제 기사 등을 통해 시스템 반도체라는 용어를 많이 듣게 되는데, 이때 시스템 반도체가 바로 비메모리 반도체를 지칭하는 것이다. 이는 연산, 제어 등의 기능을 수행하는 것이 비메모리 반도체이기 때문에 '시스템 반도체'라고도 말할 수 있는 것이다.

 

 

비메모리 반도체 = 시스템 반도체

 

 

 

요즘 각종 뉴스에서 시스템 반도체에 대한 중요성에 대해서 이야기가 많이 나오고 있는데, 그게 다 이유가 있는 말이다. 우리나라 최대 수출 품목인 반도체 수출액은 D램, 낸드 플래시 등의 메모리 반도체 가격이 하락하고 수요가 감소하게 되면서 작년 동월 대비 44.5% 급감했다

 

 

요즘 미래 기술 시장에서 반도체에 대한 생산과 소비는 아주 중요한 역할을 하고 있다. 오죽하면 미국과 중국이 반도체 가지고 싸움박질을 하고 있을까.. 시스템 반도체의 필요성이 증가하고 있는 이유는 전기자동차, 바이오산업, 사물인터넷(IoT), 첨단로봇산업, AI 등의 반도체 필요성이 증가하고 쓰임세가 점차 확대되고 있기 때문이다.

 

 

그런데 우리나라 반도체 시장에는 이런 전기자동차, 바이오 산업, 사물인터넷(IoT), 첨단로봇산업, AI 등과 같이 미래산업을 주도할 분야들에 들어가야하는 반도체 기술이 부족하다.

 

 

하지만 이런 4차 산업 시대를 열어갈 기술들이 주로 필요한 반도체가 '시스템 반도체'라는 것이 문제다. 실제로 시스템 반도체는 메모리 반도체보다 훨씬 큰 시장을 가진 분야다.

 

 

현재 시스템 반도체 시장은 인텔, 퀄컴, AMD 등 글로벌 대기업이 반도체 전체 시장의 60% 이상을 차지하고 있고 그에 비해 한국은 고작 3% 남짓 수준에 불과하다. 이로 인해 그동안 메모리 반도체에 편중되어 있던 우리나라도 시스템 반도체의 육성을 강조하고 있는 것이다.

 

 

시스템 반도체의 종류

 

시스템-반도체의-종류

 

● CPU(Central Processing Unit) : 복잡한 연산을 처리하는 핵심 부품으로 우리나라 말로는 중앙처리장치다. 이처럼 하나의 부품에 연산 장치, 해독 장치, 제어 장치 등이 집적되어 있는 형태를 일컬어 흔히 마이크로 프로세서(Micro processor)라고 한다.

 

컴퓨터의 두뇌를 담당하는 것으로 PC의 모든 데이터를 처리하는 장치다. 대표적인 기업으로는 인텔, AMD, 퀄컴 등이 있다.



● AP : 스마트폰이나 디지털 TV에 들어가는 고성능 CPU, GPU, 통신칩의 집약체다. 일반 PC에서의  중앙처리장치(CPU)와 같은 역할을 한다. 과거 LTE 이전에는 퀄컴이 대부분을 담당하기도 했지만, LTE 시대가 다가오면서 스마트폰 제조사들 대부분이 자체 생산하는 트렌드를 따라가고 있다. 대표적인 기업으로는 애플, 삼성전자, 텍사스인스트루먼트 등이 있다.

​

● GPU(Graphics Processing Unit) : 1990년대 중반 이후부터 PC의 멀티미디어 콘텐츠 특히 게임이 주목을 받으면서 그래픽카드의 역할이 점차 변하기 시작했다.

 

게임이나 고차원 그래픽의 입체감을 부여하고자 3D 그래픽이 본격적으로 도입되었고, 화면을 보다 현실적으로 만들기 위한 각종 광원 효과, 질감의 표현 기법이 점차 발전하면서 CPU만으로의 한계가 다가왔다.

 

이로 인해 보다 단순 반복 병렬처리로 데이터 습득에 용이하며, 데이터 수집과 학습이 중요한 자율주행, 딥러닝, 비트코인 채굴 등에서 중요한 역할을 하는 3D 그래픽 연산 전용의 프로세서인 그래픽 카드가 출현했다. 대표적인 기업으로는 엔비디아, AMD 등이 있다.

​

● NPU(Neural Processing Unit) : 기존 컴퓨터와 모바일에서 주로 활용되는 중앙처리장치(CPU, AP 등)는 단순 계산에 최적화되었지만 다소 복잡한 그래픽 처리를 위해 개발된 그래픽처리장치(GPU)가 IT 기업의 데이터센터에 널리 쓰이고 있었다.

 

그러나 구조적으로 인공지능 연산처리에 최적화된 것은 아니였고 때문에 데이터가 지연되고 전력이 낭비되는 문제가 있었지만, AI 서비스를 위해 최적화 된 신경망처리장치(NPU) 기반 반도체가 차세대 AI 기능으로 떠오르고 있다.

 

 신경망처리장치(NPU)는 AI 인공지능에 특히 특화되는 것인데, CPU보다 성능이 좋고 향후 인터넷 연결이 없어도 사용이 가능하다. 대표적인 기업으로는 애플, 화웨이, 삼성전자, 퀄컴, 인텔 등이 있다.

 

 

반도체 생산 공정의 과정

 

반도체 제조 공정은 크게 8가지의 공정을 거친다. 기본적으로는 반도체 주요 재료인 '실리콘'을 이용해 크고 둥근 원판인 웨이퍼를 만들고 여기에 회로를 새긴 후 제품에 맞게 자르는 과정을 거친다.

 

반도체 8대 공정 과정

반도체-8대-공정

 

1. 웨이퍼 제조 공정 : 웨이퍼란? 반도체 집적회로를 만드는 데 사용하는 주재료로 이곳에선 실리콘으로 잉곳(Ingot)을 얇게 절단하여 웨이퍼를 만들어 표면을 매끄럽게 연마하는 과정을 거친다.

2. 산화 공정 : 웨이퍼 표면에 실리콘 산화막(Sio2)을 형성해 토랜지스터의 기초를 만드는 공정이다. 이곳에선 웨이퍼 표면에 먼지 따위의 이물질로부터 보호하기 위해 실리콘 산화막을 형성해서 보호막을 만들어 주는 공정이다.

3. 포토 공정 : 웨이퍼 위에 반도체 회로를 그려 넣는 과정이다. 이곳은 웨이퍼 위에 자외선 빛을 이용하여 반도체 회로를 찍어 넣는 과정을 거친다.

4. 식각 공정 : 반도체의 구조를 형성하는 패턴을 만드는 과정으로 필요한 회로 패턴을 제외한 나머지 부분을 제거하는 과정을 거친다.

5. 증착 & 이온주입 공정 : 아래층과 위층 회로 간의 구분과 연결, 보호 역할을 하는 박막(thin film)을 만드는 과정을 '증착 공정'에서 시행하고 반도체가 전기적인 특성을 갖도록 만드는 과정이 이온 주입 공정에서 거친다.

6. 금속 배선 공정 : 반도체 회로에 전기적 신호가 잘 전달되도록 전기길(금속선)을 연결하는 과정

7. EDS(Electrical Die Sorting) 공정 : 전기적 특성검사를 통해 개별 칩들이 원하는 품질 수준에 도달했는지를 확인하는 과정으로 수율(투입 수에 대한 완성된 양품[良品]의 비율)을 높이기 위한 필수 과정이다.

8. 패키징(Packaging) 공정 : 반도체 칩이 전자기기에 외부와 신호를 주고받을 수 있도록 길을 만들고, 전자기기에 들어갈 수 있도록 크기에 맞게 자르고 포장하는 과정을 거친다.

※ 우리나라 반도체 분야에서 실제 중소기업 약 1,000개사가 관련 업체라고 하며, 설계부터 생산까지 반도체 생산 공정을 모두 갖추고 있는 종합 반도체 기업 외에도 각 제조 공정별로 특정 역할을 전문적으로 담당하는 기업들이 수도 없이 많이 있다고 하니, 반도체 산업으로 인해 얼마나 많은 일자리와 경제적 이익을 얻을 수 있는지 알 수 있는 대목이다.

시스템 반도체 생태계 이해하기

반도체 관련 뉴스, 경제 기사 등을 접하다 보면 펩리스(Fabless)니 파운드(Foundry)리니 하는 반도체 관련 용어를 자주 듣게 된다. 특히나 스마트 폰이 대중화되고 관련 기술이 눈 깜짝하면 반전해 있는 요즘에는 각종 스펙들에 대한 관심이 많아지게 되면서 관련 용어를 더 자주 접하게 되었다.


반도체는 기본적으로 IP(설계구조) - 팹리스(설계) - 디자인하우스 (검수) - 파운드리 (생산)의 과정을 거쳐 제품이 나오게 된다. 이러한 일련의 모든 과정을 다루는 종합 반도체 기업(IDM)도 있지만, 일부 단계만 특화된 기업들도 많다. 

 

● IP기업 : 반도체 설계의 기초가 되는 지적재산권을 보유하여 팹리스 업체들에게 설계 및 도면과 같은 기초 구조를 제공하는 기업을 말한다. 이는 전자 설계에서 반도체 IP 코어(Semiconductor intellectual property core, IP core), IP 블록(IP block)이 지식 재산권이 되는 것이다.

 

IP기업은 팹리스처럼 반도체 설계를 전문으로 하지만, 셀 라이브러리라는 특정 설계 블록을 담당한다. 가장 큰 특징은 설계 라이선스를 판매할 뿐 직접 제품을 브랜드 화해서 생산하지 않는다는 점이다.

셀이나 집적 회로 등의 레이아웃 설계를 통해 다른 업체에 라이선스 하거나 하나의 사업체에서 전적으로 소유, 사용할 수 있는 개념이다. 대표적인 기업으로는 ARM 홀딩스, 시놉시스, 이매지네이션 테크놀로지, 케이던스 디자인 시스템즈가 있다.

​

● 팹리스 : 팹리스는 반도체 생산설비라인을 뜻하는 팹(fabrication)이 없기 때문에 less(~이 없다)가 붙은 합성어이고 말 그대로 생산설비 없이 반도체 설계를 전문적으로 하는 기업을 의미한다.

기본적으로 아이디어와 우수한 칩 설계 기술을 바탕으로 하여 반도체 칩 설계에 대한 사업구도를 가지는 것이 팹리스 기업의 특징이다. 보통 팹리스 기업은 대규모 자본금이 들어가는 생산라인 건설에 신경 쓰지 않고 파운드리 업체에 위탁을 맡겨서 생산하는 형식을 취한다.

​대표적인 팹리스 기업은 AMD, 엔비디아, 브로드컴 등이 있고 화웨이의 자회사인 하이실리콘, 대만의 미디어텍, 리얼텍도 대표적인 팹리스 기업이다.

 

 

또한 모바일 AP에 유명한 퀄컴, 애플 등도 팹리스 기업에 해당되는데 애플의 경우 아이폰 등 자사 제품에 들어가는 Semi Conductor를 직접 설계하지만 생산은 TSMC에 위탁해서 제작을 하고 있다. 참고로 우리나라 상위권 회사는 lg 계열의 실리콘웍스뿐이다.

 

​

● 파운드리 : 파운드리 반도체 기업체는 제품 설계에는 관여하지 않고 위탁 생산에 집중하는 기업 운영을 말한다. 반도체 생산설비는 갖추고 있지만 직접 설계에 가담하여 자체 제품을 만드는 것이 아니라 수탁생산을 주로 하는 것인데, 쉽게 말해 고객사에 위탁을 받아 대신 제품을 생산만 해주는 기업을 말하는 것이다.

자체적으로 IP를 설계하여 IP회사들과 제휴를 맺기도 하고 고객사에서 필요로 한다면 괜찮은 IP를 제공하기도 한다. 파운드리의 주 거래처는 팹리스로 막대한 시설비용과 투자비용이 들지만 반도체를 개발하는 모든 회사들이 생산 설비를 갖추기는 어렵기 때문에 수많은 팹리스 기업들의 생산기지 역할을 하는 것이 바로 파운드리 기업이다.

대표적 기업으로는 국내에 삼성전자, DB하이텍, SK하이닉스가 있고 최근 삼성전자를 꺾고 세계 1위 Semi Conductor기업으로 올라선 대만의 반도체 파운드리 기업 TSMC가 대표적이며 최근 인텔도 파운드리 분야에 뛰어들었다. 

현재는 파운드리 시장점유율을 보면 TSMC가 56%(22년 기준)로 파운드리 분야에서는 TSMC가 독보적이라고 보면 된다.



● IDM (종합반도체기업) : IDM은 integrated Device Manufacturer의 약자로 설계에서부터 생산 및 유통까지 가능한 종합 반도체 업체를 말한다.

반도체 기본 공정 설비(위에 설명했던 반도체 8대 공정 같은)를 갖추고 있어야 가능한 일인데 특히나 반도체 직접회로의 핵심 재료인 웨이퍼(Wafer) 생산을 위한 생산 설비는 수 조원 이상의 대규모 자본이 들어간다고 한다. 

이로 인해 대기업들이 주도하고 있는데 대표적인 기업으로는 삼성전자, 인텔, SK하이닉스, 텍사스 인스트루먼트 등이 있다.

그동안 반도체 시장은 IDM 기업인 삼성전자, 인텔의 양강 구도가 이어졌으나 이들 기업의 주력 분야인 메모리 업황이 좋지 않은 상황으로 흘러가면서 현재 파운드리 기업인 TSMC가 1위로 치고 올라온 상태다.

 

 

 

출처: https://qlehfl0321.tistory.com/ [돈이 money? 의 돈 공부 거기에 일상까지 한 스푼 더합니다.]

 

본 포스팅의 내용은 무단 전재 배포를 원하지 않습니다. 늘 말씀드리지만, 투자의 책임은 온전히 본인에게 있는 것입니다. 지극히 개인적인 주관적 관점이 아주 많이 담겨있으며,  포스팅 내용은 참고만 하시고 무리한 투자는 자제하시기 바랍니다.