시스템 반도체

반도체 신산업 분야구분

시스템반도체(System Semiconductor)는 데이터 연산·제어 등 정보처리 역할을 수행하는 반도체로 8,000여 종의 다양한 제품으로 구성된다. 중앙처리장치(CPU), 애플리케이션프로세서(AP) 등 다품종 맞춤형 산업으로 우수 설계인력·기술이 핵심이다.

시스템반도체 산업은 세계 반도체 시장의 50~60%를 차지한다. 메모리 반도체보다 약 1.5배 큰 시장 규모를 가지고 있으면서도 경기변동의 영향을 적게 받는 산업분야이다. 

개요

메모리·프로세서·소프트웨어 등 개별 반도체를 하나로 통합해 전자기기 시스템을 제어·운용하는 반도체를 말한다. 다양한 전자제어 기술 등을 하나로 집약해야 해 개발이 어려운 반면, 업체의 요구 또는 상황에 맞게 기능이나 제업 방법을 구성할 수 있다.

정보를 저장하는 메모리 반도체와 달리 디지털화된 전기적 데이터의 연산 및 제어·변환·가공 등의 처리 기능을 수행하는 전자 소자를 일컫는 말로 비공식적인 용어이다. 해외에서는 논리적인 연산을 수행하는 반도체칩이란 뜻에서 로직칩(Logic Chip)이라고 한다. 정보를 저장하고 읽어내는 메모리 반도체와 구별된다는 점에서 비메모리 반도체라고도 불린다. 그러나 이 역시 해외에서는 사용되지 않는 용어이다.

시스템 반도체는 메모리 반도체와 LED칩을 제외한 모든 반도체로 여러 기능을 하나의 칩에 통합하여 경제성 및 편의성을 극대화한다. 다양한 전자제어 기술 등을 하나로 집약한 시스템으로 개발이 어려운 반면, 업체의 요구 또는 상황에 맞게 기능이나 제업 방법을 구성할 수 장점이 있다.

인텔의 중앙연산처리장치(CPU), 시스템온칩(SoC) 등이 시스템 반도체의 대표적 소자이며, 장치 종류에 따라 마이크로컴포넌트(microcomponents, 초소형 대집적회로), 아날로그 IC(analog IC), 로직 IC(logic IC, NOT·OR·AND 등 논리회로로 구성된 반도체), 주문형 반도체(ASIC), 광학 반도체(optical semiconductor) 등으로 구분된다.

시스템 반도체는 IT 분야는 물론 자동차·에너지·의료·환경 등 다양한 분야와의 융합이 진행 중이며, 특히 AI(인공지능)·IoT(사물인터넷)·자율주행차 등으로 대표되는 4차 산업혁명에서 핵심 부품으로 향후 지속적 성장이 전망된다.

산업현황

산업 구조

시스템반도체 산업은 고가의 설계·검증 도구(Tool), 반도체 설계자산(IP) 확보 등 기술 기반(인프라)이 필요해 자본력이 영세한 중소기업에는 진입장벽으로 작용하고 있다.

미국의 인텔, 퀄컴 등 글로벌 상위 10개 기업이 시장의 60% 이상을 차지하고 있다.

삼성이나 인텔은 종합반도체기업(IDM)에서도 생산하고 있지만 대부분은 설계(팹리스, Fabless)와 생산(파운드리, Foundry)이 분업화된 산업구조를 가지고 있다.

팹리스(설계)는 퀄컴과 같이 반도체 생산시설(Fab)이 없이 설계·개발을 수행하는 회사를 말한다. 파운드리(생산)는 TSMC(대만, 파운드리 세계 시장 점유율 1위 기업)처럼 팹리스가 설계한 반도체를 위탁생산하는 회사이다.

반면, 메모리 반도체는 대부분 종합반도체기업(IDM)이 설계부터 제조까지 전 과정을 수행한다.

시장 현황

시스템반도체 시장은 2011년 62% → 2013년 59.8% → 2015년 59.1% → 2017년 53.4% → 2018년 51.2%로 50~60%의 규모를 유지해 왔다.

메모리 반도체는 '생산 후 판매방식'으로 수요-공급 불일치 시에 급격한 가격변동이 발생한다. 반면, 시스템반도체는 수요자의 요구사항에 맞춰 제품이 생산되는 '주문형 방식'이어서 수요-공급 불일치에 따른 급격한 시황변화가 없다.

시스템반도체는 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 자율차 등 미래산업의 핵심부품이다. 다른 산업(자동차, 에너지 등)과의 융합 가속화 등으로 지속적으로 성장할 전망이다.

현재의 시스템반도체 산업은 세계의 주요국이 선도하고 있다. 미국은 기초연구, 기술보호 등으로 민간 기업을 지원해 시스템반도체 세계 10대 기업 중 인텔, 퀄컴, 브로드컴, TI, nVidia, AMD 등 6개 기업을 보유해 세계 시장의 70%를 점유하고 있다.

중국은 메모리/시스템반도체 동시 육성전략을 추진하고, 거대한 내수시장과 수요창출 등 정부 지원을 바탕으로 팹리스(기술·설계부문) 시장점유율 3위로 부상하고 있다.

대만은 팹리스(기술·설계부문)-파운드리(생산부문)의 유기적 협력을 바탕으로 MediaTek, Novatek, Realtek 등 글로벌 팹리스 기업이 다수 성장해왔다.

시스템반도체 설계전문기업인 팹리스의 2018년 시장 점유율은 미국 61.4%, 대만 19.0%, 중국 12.6%, EU 3.0%, 일본 2.5%, 우리나라는 1.6%를 차지하고 있다.

국내 시스템반도체 기회요인

한국에는 시스템반도체의 주요 수요처인 자동차·전자산업(스마트폰, TV 등) 등 글로벌 상위 수준의 대규모 수요기업이 존재한다. 2017년 글로벌 스마트폰 시장 점유율은 삼성전자 21.1%, 애플 14.3%, 화웨이10.1%, 오포 7.8% 순이었다.

한국은 세계 최초로 5세대 이동통신(5G)을 상용화했다. 이에 따라 휴대폰, 통신장비뿐만 아니라 지능형 공장(스마트공장), 지능형 도시(스마트시티), 자율차, 지능형 CCTV 등 새로운 수요창출이 가능하다.

한국에는 시스템반도체에 접목 가능한 기술·공정 노하우와 고급인력이 오랫동안 축적되어 왔다. 메모리 반도체 시장에서 우리나라의 점유율은 2001년 25.6%에서 2002년 32.9%로 1위를 달성한 뒤, 2012년에는 50.2%, 2018년에는 62%로 세계 시장의 절반 이상을 차지하고 있다. 축적된 노하우를 바탕으로 파운드리 분야(생산부문)의 빠른 성장이 가능할 것으로 예상된다.

시스템 반도체의 종류

시스템 반도체는 매우 다양하며, 그 기능과 응용에 따라 여러 종류로 분류될 수 있습니다. 주된 시스템 반도체는 다음과 같다.

마이크로프로세서(MPU, Micro Processing Unit)

마이크로프로세서는 CPU(중앙처리장치)의 한 형태로, 컴퓨터나 스마트폰, 가전제품, 자동차 등에서 데이터 처리와 제어를 담당합니다. 인텔의 x86 프로세서나 ARM 기반 프로세서가 대표적인 예이다.

마이크로컨트롤러(MCU, Microcontroller Unit)

마이크로컨트롤러는 일상적인 전자기기에서 간단한 명령 처리를 수행하는 시스템 반도체이다. 가전제품, 차량의 ECU, IoT 디바이스 등에서 많이 사용되며, 컴퓨팅 파워는 상대적으로 작지만 저전력으로 효율적인 제어를 수행한다.

디지털 신호 처리기(DSP, Digital Signal Processor)

DSP는 음성, 영상, 통신 등 다양한 형태의 신호를 빠르게 처리하는 반도체이다. 통신 장비, 오디오 장비, 스마트폰에서 음성 신호 및 영상을 압축하고 전송하는 데 중요한 역할을 한다.

그래픽 처리 장치(GPU, Graphics Processing Unit)

GPU는 주로 그래픽 연산을 처리하는 반도체로, 3D 그래픽 처리와 이미지 렌더링, 인공지능(AI) 연산에도 활용된다. 주로 게임, 영상 처리, AI 훈련과 추론 등에서 중요한 역할을 한다.

ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)

ASIC는 특정 용도에 맞춰 설계된 맞춤형 반도체이다. 맞춤 설계로 인해 고성능과 저전력 소비가 가능하지만, 제작 비용이 높고 유연성이 떨어지는 단점도 있다. 암호화 장치, 비디오 코덱, 금융 거래 등에서 사용된다.

SoC(System on Chip)

SoC는 시스템의 다양한 기능을 단일 칩에 통합한 반도체로, CPU, GPU, 메모리, I/O 장치, 통신 모듈 등을 하나의 칩에서 모두 구현합니다. SoC는 주로 스마트폰, 태블릿, IoT 기기 등에서 널리 사용된다.

PMIC(Power Management IC)

전력 관리 반도체(PMIC)는 시스템 내 전원을 제어하고, 에너지 효율을 높이는 역할을 한다. 배터리 구동 장치나 전력 효율이 중요한 전자 기기에서 필수적이다.

센서

시스템 반도체의 한 종류로, 다양한 물리적 데이터를 감지하고 이를 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다. 이미지 센서, 자이로 센서, 온도 센서 등이 대표적이다.

시스템 반도체와 메모리 반도체의 차이

메모리 반도체는 데이터를 저장하는 데 초점을 맞춘 반도체로, RAM, 플래시 메모리와 같은 저장 장치를 포함한다. 메모리 반도체는 주로 정보를 유지하거나 임시로 저장하는 역할을 한다. 반면, 시스템 반도체는 데이터를 처리하고 제어하는 기능을 담당하며, 데이터를 저장하는 것보다는 정보를 분석하고 처리하는 데 중점을 둔다.

메모리 반도체는 주로 대용량의 데이터를 저장하고 빠르게 읽고 쓰는 속도가 중요한 반면, 시스템 반도체는 다양한 기능적 연산과 제어, 통신을 수행하는 데 중요한 역할을 한다. 현대의 전자 기기에서는 메모리 반도체와 시스템 반도체가 결합되어 작동한다.

시스템 반도체의 응용 분야

시스템 반도체는 전자기기에서 필수적인 역할을 수행하며, 다양한 산업에서 중요한 기술 요소로 자리잡고 있다. 그 주요 응용 분야는 다음과 같다.

• 소비자 가전: 스마트폰, TV, 게임 콘솔, 컴퓨터 등에서 시스템 반도체는 핵심적인 역할을 합니다. 특히 SoC는 스마트폰과 같은 소형 기기에서 프로세서, 통신 모듈, 메모리 등을 하나로 통합하여 성능과 전력 효율성을 동시에 제공한다.
• 자동차 산업: 자율주행, 차량 제어 시스템, 인포테인먼트 시스템, 안전 시스템 등에 시스템 반도체가 사용된다. 차량 내에서 다양한 데이터를 실시간으로 처리하고 센서와 연결하여 제어하는 역할을 한다.
• 의료 기기: 의료 장비에서도 시스템 반도체는 중요한 역할을 한다. 특히 웨어러블 의료 기기나 생체 신호 감지 장치 등에서 시스템 반도체는 데이터를 수집하고 분석하여 실시간으로 환자의 상태를 모니터링한다.
• 통신 장비: 스마트폰, Wi-Fi 라우터, 5G 통신 장비 등에서 통신 프로토콜 처리, 신호 분석 및 전송에 시스템 반도체가 활용된다. 특히 5G 네트워크가 확산됨에 따라 고속 통신과 대용량 데이터 처리에 최적화된 시스템 반도체 수요가 증가하고 있다.
• 산업용 기기: 공장 자동화, 로봇 공학, 물류 시스템 등 다양한 산업 현장에서 시스템 반도체는 센서와 연결된 제어 장치로 데이터를 처리하고 분석한다. 이를 통해 효율성을 높이고 자동화를 실현하는 데 중요한 역할을 한다.

시스템 반도체 제조 과정

시스템 반도체는 매우 복잡한 설계와 제조 과정을 거친다. 반도체의 성능과 기능은 설계 단계에서 결정되며, 생산 공정의 미세화 수준에 따라 성능이 좌우된다. 시스템 반도체의 제조 과정은 다음과 같다.

• 설계: 시스템 반도체는 기능별로 다양한 회로가 설계된다. ASIC나 SoC 같은 반도체는 특정 용도에 맞게 맞춤 설계가 이루어진다. 설계 과정에서는 반도체의 전력 소비, 성능, 크기 등을 고려하여 최적화된 아키텍처가 정의된다.
• 웨이퍼 제조: 시스템 반도체의 기초 재료인 실리콘 웨이퍼가 준비된다. 이 웨이퍼 위에 반도체 소자가 만들어지며, 이 과정은 매우 정밀한 공정으로 이루어진다.
• 패터닝과 식각: 설계된 반도체 회로가 웨이퍼 위에 빛을 사용해 노광(포토리소그래피) 방식으로 형성된다. 그 후 화학적으로 불필요한 부분을 제거(식각)하여 반도체 회로를 만든다.
• 도핑: 웨이퍼에 특정 불순물을 주입하여 반도체의 전기적 특성을 조정한다.
• 배선과 패키징: 회로가 형성된 웨이퍼에 금속 배선이 연결되고, 이후 반도체 칩이 패키지에 봉인되어 외부와의 연결이 가능하도록 마무리된다.

시스템 반도체 산업 동향 및 전망

시스템 반도체는 전 세계적으로 급성장하고 있는 분야로, 반도체 산업의 핵심 축으로 자리 잡고 있다. 그 성장 배경에는 스마트폰, 자율주행차, 5G 통신, AI(인공지능), IoT(사물 인터넷) 등 다양한 기술의 발전이 있다.

• 5G와 IoT의 성장: 5G 통신과 IoT의 확산으로 인해 더욱 많은 기기에서 실시간 데이터 처리가 필요해졌다. 이에 따라 시스템 반도체는 데이터 처리 및 통신 기능을 효율적으로 수행하기 위해 더 많은 수요를 받고 있다.
• AI와 머신러닝: AI와 머신러닝 알고리즘이 고도화되면서, 이를 실행할 수 있는 강력한 시스템 반도체가 필요하다. 특히, GPU와 같은 고성능 연산 장치가 중요해지고 있으며, 이로 인해 관련 반도체 기술이 빠르게 발전하고 있다.
• 자율주행차: 자율주행 기술의 발전은 시스템 반도체의 핵심 응용 분야 중 하나이다. 자율주행차는 다양한 센서와 카메라에서 수집한 데이터를 실시간으로 처리하고, 이를 기반으로 차량을 제어해야 한다. 이는 고성능 시스템 반도체 없이는 불가능하다.

참고자료

• 〈시스템 반도체〉, 《시사상식사전》
• 〈시스템반도체〉, 《대한민국정책브리핑》, 2020-03-12
• 김맹근 기자, 〈“시스템반도체”… 무엇이며 왜 전략 산업인가〉, 《디지털비즈온》, 2023-05-13

같이 보기

• 메모리반도체
• 비메모리반도체
• 광개별소자
• 반도체산업

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