차량용 반도체

차량용 반도체는 자동차가 스스로 운전하거나 전기로 움직일 수 있도록 각종 시스템을 제어하는 반도체이다.

개요

1980년대에 전자식 연료 분사장치를 적용한 자동차가 상용화된 것을 시작으로 자동차의 필수 부품으로 반도체가 사용되고 있다. 자동차 곳곳에 반도체가 쓰이면서 안정성뿐만 아니라 편의성까지 높이게 된 것이다. 많은 전자 산업 분야에서도 차량용 반도체 사업 진출로 확장을 계획하고 있을 만큼 자동차 반도체에 대한 미래 성장 가능성이 주목되고 있다. 2016년 출시되고 있는 자동차에는 안전, 편의를 위한 전자 장치들이 다양하게 사용되어 한 대당 평균 200~400개 가량의 반도체가 필요하다고 한다. 이렇게 자동차에 장착되는 여러 전자기기들을 제어하기 위해 사용되는 반도체를 바로 차량용 반도체라고 한다. 차량용 반도체는 자동차의 센서, 엔진, 제어장치 및 구동장치 같은 핵심 부품에 주로 사용되고 있기 때문에 보통 컴퓨터나 스마트폰 등에 쓰이는 가정용 반도체보다 훨씬 높은 수준의 안전성과 내구성을 필요로 하게 된다. 자동차의 뜨거운 엔진 열과 속도 등의 조건을 견뎌내야 하고 무엇보다 사람의 안전을 좌우할 수 있기 때문에 차량용 반도체는 고품질의 반도체가 요구될 수밖에 없다. 또한, 차량용 반도체는 차량 속에 들어가는 칩이다. 이 칩들은 미래 자동차 기술을 구현하는 데 상당히 중요한 역할을 한다. 우리 몸의 두뇌처럼 자동차의 움직임을 제어하는 애플리케이션 프로세서(AP)부터 도로 위 정보를 수집하는 각종 센서와 이를 각종 운행 데이터로 바꾸는 그래픽처리장치(GPU), 차량 내 전력량을 알맞게 조절하는 전력 반도체, 차량 간 통신이 가능한 통신 칩까지 다양한 칩들이 자동차 안에 숨어있다. 게다가 인공지능(AI) 기술, 정보와 즐거움을 동시에 전달하는 인포테인먼트 기술도 중요해지면서 더욱 많은 반도체가 필요해질 것으로 보인다. 실제 시장조사업체에 따르면 기존 내연기관 자동차 대비 전기차에 필요한 반도체 사용 금액은 갑절 가까운 92%나 증가할 것으로 예상된다. 이에 따라 차량용 반도체 시장 규모도 대폭 증가할 전망이다. IHS마킷은 차량용 반도체 시장이 2026년 676억달러로 커질 것으로 기대된다. 또 다른 시장 조사업체 KPMG도 차량용 반도체 시장이 연평균 6~7% 성장해 2040년에는 1500억~2000억달러 규모가 될 것이라 예측할 만큼 이 시장은 상당히 전도유망하다. 자율주행차 역시 시스템 반도체로 이뤄져있다고 해도 과언이 아니다. 게다가, 자율주행에서는 차량의 소프트웨어적 측면이 강조되면서, 기존과 같이 전장 부품의 보조적 기능 제공에서 시스템 부품의 제어 기능으로 차량용 반도체의 그 기능과 성격이 진화하고 있다. 차량용 반도체 95%는 시스템 반도체이다. 정보를 처리하고 연산하는 마이크로컨트롤유닛(MCU), 이미지와 온도를 감지하는 센서, 전력 효율성을 관리하는 반도체 등 2,000여 개에 달하는 시스템 반도체가 들어가 있다. 대한민국은 메모리반도체 업계에서는 선두지만, 시스템 반도체 시장 점유율은 3%밖에 되지 않는다. 차량용 시스템 반도체 분야는 네덜란드 NXP, 독일 인피니언, 일본 르네사스, 미국 엔비디아와 텍사스 인스트루먼츠 등이 차지하고 있다.

특성

높은 기술적 장벽

차량용 반도체는 자동차의 센서, 엔진, 제어장치 및 구동장치 등의 핵심 부품에 사용되며, 사람의 안전과 연계되기 때문에 산업용이나, 컴퓨터나스마트폰용 반도체보다 높은 수준의 안전성과 내구성이 필요하다.표 3에서 보듯이 차량용 반도체는 컴퓨터 등 실내에서 주로 쓰이는 메모리 반도체와 달리 자동차제조공정에서부터 탑재되기 때문에 영하 40℃에서 영상 70℃의 온도에 견뎌야 하며, 7~8년간 제품을 그대로 유지해야 하는 내구성을 갖춰야 한다. 2021년 자동차에 스마트 기능이 적용되면서 복잡도도 높아지고전력 소모량도 증가하고 있다. 또각 자동차에 특화되어 있어 설계도가 있어도 타 파운드리에서 대체 생산이 불가능하다. 두뇌 역할을하는 MCU의 경우 주문에서 인도까지 걸리는 리드타임이 26주 이상 소요되고, 반도체를 제작하는것은 가장 복잡한 제조공정의 하나로 단시간 내에생산을 늘리거나 품목을 변경할 수 없다. 이러한 차량용 반도체가 요구하는 높은 품질기준과 신뢰성은 새로 진입하려는 후발 업체가 품질면에서 수요업체를 만족시키기 어렵다. 또 장기간의 품질시험 및 인증절차를 거쳐야 되기 때문에 4~5년의 개발기간을 거쳐야 한다. 설사 개발하더라도 신뢰성이 보증되지 않으면 수요자인 자동차업체들이 채택을 꺼려 상용화가 매우 어려운 높은기술적 장벽이 존재한다.

다품종 소량생산으로 낮은 수익성

차량용 반도체는 대량생산이 가능한 메모리반도체와는 달리 다품종 소량생산 체제이다. 자동차에 들어가는 반도체 종류가 수십 가지인데, 이 모든 걸 한 업체가 생산할 수 없어 절대적인 강자가 없고, 분야별로 업계 상위권이 모두 다르다. MCU의 경우 한 대의 럭셔리 SUV를 생산하기 위해 7개업체로부터 38개의 MCU를 필요로 한다. 차량용 반도체는 모바일용이나 타 용도 반도체보다 수익성이 낮은 편이다. 자동차에 탑재되는반도체 칩은 개당 평균 2달러로 자동차 1대에 소요되는 반도체의 총 단가는 자동차 판매가격 대비2~3%를 차지한다. 차량용 반도체 업체가 수익성을 담보하려면 반도체 하나당 적어도 3~4천만 대에 탑재해야 한다. 차량용 반도체를 국산화해서 현대기아차에 공급하면 수요처가 최대 800만 대에불과하고, 해외시장 진출이 어려워 채산성이 맞지않는다. NXP, 인피니언, ST마이크로일렉트로닉스 등공급업체들이 차량용 반도체로 거두는 매출은 연3~4조 원 정도다. 2021년 3년간 영업이익율을 보면르네사스가4.1~14.2%, ST마이크로일렉트로닉스가 5.5~12.1%, 인피니언이 4~14%를 기록했다. 반면, 삼성전자는 2020년 반도체 사업으로만 매출 72조 원, 영업이익율 20% 이상을 올렸고, 2018년에는 사상 최고인 51.65%를 기록했기 때문에 차량용 반도체는 매출과 순익면에서 매력적인 분야가 아니다. 자동차의 두뇌 역할을 하는 MCU시장은 르네사스가 30%, NXP가26%를 점유하고 있으며, 이들은 주로 설계에 치중하고, 생산은 TSMC가 세계 물량의 75%를 담당하고 있다. 차량용 반도체 시장에서 MCU 비중은 30%로 가장 크지만 삼성전자가 막대한 투자를 단행해 뛰어들 만큼 시장이 크지 않다. 또한, 삼성전자가MCU를 생산하더라도 기존 완성차 업체들이 후발주자인 삼성전자의 차량용 반도체를 채택할지확신할 수 없다. 삼성전자 파운드리 사업부도 이미 수익성이 높은 다른 반도체를 생산하고 있어, 수익이 낮은 차량용 반도체를 위탁생산할 유인이적다. 차량용 반도체는 구형인 8인치 웨이퍼를 사용하고, 90~180nm 제조공정에 머물러 있는데 비해, 삼성전자 등 최신 파운드리에서는 12인치 웨이퍼를 사용하고, 기술 집약도가 높은 CPU·그래픽처리장치(GPU)를 생산한다. 일반 차량용 반도체는구식 기술인 반면, MCU 등 고부가가치 부품은 제조에 최신 시설이 필요해 TSMC 등 대형 파운드리업체에서만 제조할 수 있다. 이렇게 차량용 반도체는 매출 규모가 크지 않고, 자동차업체의 원가 절감 요구로 이익이 크지 않아 반도체 업체가 선호하는 품목이 아니다.

소수의 과점체제로 신규 진입이 곤란

차량용 반도체 시장은 종류가 많고 분야가 넓어압도적인 1위 기업이 존재할 수 없다. 종합 반도체업체로는 인텔과 삼성전자가 시장을 양분하고, 파운드리에서는 대만의 TSMC가 절대적인 우위를보이고 있으며, 팹리스에서는 퀄컴, 브로드컴, 엔비디아가 경쟁하고 있다. 차량용 반도체에서는 1위 기업이 네덜란드 NXP(21%)로 2위 기업인 독일인피니언(19%), 3위 일본 르네사스(15%), 4위 미국 텍사스인스트루먼트(14%), 5위 스위스 ST마이크로일렉트로닉스(13%) 등과 크게 차이나지 않고주요 5개 기업이 세계시장의82%를 점유해 시장을분점하고 있다. 차량용 반도체 업체들은 자체 기술이 적용된 반도체를 직접 생산하거나 설계만 하고, 일부는 파운드리에 위탁해 생산한다. 1위 업체인 TSMC가 생산하는차량용 반도체는 전체 매출의 3%에 불과해 증설에 한계가 있다. 차량용 반도체 시장은 제조 기술뿐만 아니라 안전성 때문에 브랜드 가치가 매우 중요하다. 그래서 수요자인 완성차업체들은 공급자인 차량용 반도체 기업들과 상호 신뢰관계를 형성하고 있다. 또한, 차량용 반도체 업체들은 모두 자동차 강국인 미국, 유럽, 일본에 위치해 있어 국가, 지역적으로도자동차 제조업체들과 계열관계를 맺고 있다. 한번 공급관계를 맺기도 어렵지만, 끊기도 쉽지 않아 신규업체가 새로운 차량용 반도체를 상용화하더라도 수요처를 확보하기가 매우 힘들다. 차량용반도체 산업은 자동차 업체별, 차종별로 서로 다르게 적용되기 때문에 규모의 경제를 실현하기가곤란해 후발 주자들이 기존 선도업체를 누르고 시장에 진입하기 힘들다. 가로×세로 2mm짜리 소형칩 하나 단가를 1센트 단위로 깎기 위한 경쟁이 전개되고 있다. 이러한 이유로 현대차 등 완성차업체들이 차량용 반도체를 자체 생산하려고 시도했으나 기술력과 시장성 때문에 모두 실패했고, 기존의 차량용 반도체 업체들과 거래관계를 지속하고 있다.

종류

• IC : 차량용 시스템 반도체 중 주요 IC로는 구동(Driver) IC와 전원(Power) IC가 있다. Driver IC(구동계 IC)는 엔진, MPDS(Motor Driven Power Steering), EPS(Electric Power Steering)등 고전류의 출력이 필요한 장치에 사용되는 반도체이다. 구동 IC는 엔진처럼 높은 출력의 전류가 필요할 경우 사용되며, 장치의 전류·전압을 관리한다. Power IC(파워 IC)는 발전장치에서 공급되는 전류를 안정적인 직류전원으로 공급하기 위한 반도체이다. 전원 IC는 발전 장치에서 생성된 전류를 각종 장치에 안정적으로 공급하기 위한 IC다. 특히, 기기 내부 열관리가 중요한 차량 시스템에서는 중요한 역할을 한다. IC 부품은 차량에 집적되는 부품이 늘어남에 따라 수요가 늘어난다. IC인사이츠(IC Insights)는 자동차 분야의 IC 시장이 지난 2018년 전체 IC 시장의 7.5%를 차지하는 것에 이어, 2021년에는 9.3%로 증가할 것으로 전망했다. 이중 아날로그 IC가 전체 차량용 IC 시장의 45%를 차지했다. 그러나 점차 복잡성이 높아지는 시스템 설계와 부품 간 상호 연결성 등은 해결해야 할 과제로 남아있다.

• Sensor : 차량의 내외부 여러 환경 특성을 감지하고 디지털화 하여, MCU가 디지털화된 데이터를 토대로 상황을 계산하고 판단을 내릴 수 있도록 도움을 주는 반도체.

• MCU : MCU는 차량 전장시스템 전반을 제어하는 반도체이다. 내연기관 차량이 자동차 모양의 틀을 쓴 컴퓨터로 변신하고 있다. 냉난방, 온도 조절, 전력 관리, 차량 내 각종 서비스 등 수많은 일을 수행하는 자동차는 작업 종류 만큼의 컴퓨터 대수를 요구한다. 이처럼 자동차에 들어가는 컴퓨터를 ECU(Electronic Control Unit)라고 하며, 이는 차량이 수집한 데이터를 연산하고 차량의 행동을 명령하는 자동차의 두뇌역할을 한다. 이 ECU의 핵심이 바로 마이크로 컴포넌트들이다. 마이크로 컴포넌트는 범용 프로세서로 MPU(Microprocessor Unit) MCU(Microcontroller unit), DSP (Digital Signal Processor) 등으로 구분된다. MCU는 전장시스템을 제어하는 시스템 반도체로, 개중에서도 주요한 역할을 맡고 있다. 일반적으로 하나의 ECU에 하나의 MCU가 탑재되나, 최근 장치에 대한 요구사항이 고도화되면서 여러개의 MCU를 집적하는 경우도 늘고 있다. 인피니언, ST마이크로일렉트로닉스, 르네사스 등이 주요 제품 공급처다. IC 인사이츠에 의하면 MCU 시장은 작년 잠깐 주춤하는 모습을 보였다가, 올해부터 다시 반등할 것으로 예상된다. 현재 전체 MCU 시장의 30%가량을 차량용 MCU가 차지하고 있다. 지난 2017년 ADAS 시스템을 적용한 차량이 다수 출시되면서 MCU 시장이 성장했으나, 참여 기업 간 경쟁이 심화되면서 ASP(평균판매가격)이 연평균 3.7% 하락하는 수치를 나타냈다. 특히, 32bit MCU 기술에서 치열한 경쟁이 일었다. 장기적으로는 자동차 내 ADAS 탑재 등으로 인해 ECU 집적 수가 늘어나면서 MCU 시장도 지속적으로 성장세를 그릴 것으로 예상된다.

해외 차량용 반도체 공급망

기존의 차량용 반도체 업체

차량용 반도체의 공급 사슬을 보면 이들 업체는내연기관용 전력·구동 반도체를 직접 생산하거나파운드리인 TSMC를 통해 위탁생산하기도 한다. 수요처로 현대기아차, 폭스바겐, BMW, 도요타, GM, 보쉬, 현대모비스, 콘티넨탈 등 자동차제조업체 및 부품·모듈업체에 공급하고 있다. 차량용 반도체는 다품종 소량생산 구조에 안전을 중시하는 특성을 반영하여 분야별로 특화되어 있다. 분야별로 보면 MCU는 NXP, 르네사스, NEC,TI, 후지쓰, 인피니언, 덴소, ST마이크로일렉트로닉스가 생산하고, ASIC /ASSP 생산업체는 ST마이크로일렉트로닉스, 인피니언, NXP, 보쉬, NXP,TI, 르네사스, ON 세미콘덕터, 도시바 등이 있다. 아날로그는 Linear Tech, NewJRC, 르네사스, 산켄, ON 세미콘덕터, 내셔널 세미콘덕터 등이 생산하며, 디스크리트는 인피니언, 보쉬, 덴소, NXP,NEC, ST마이크로일렉트로닉스, 롬(Rohm), 미쓰비시전기 등이 공급한다. AP/AI칩은 삼성전자, 퀄컴, 엔비디아, 애플, 테슬라 등이 생산하고 있다. 네덜란드의 NXP는 차량용 반도체로 ADAS·안전, 차체, 자율주행, 파워트레인, 차량 간 네트워킹, 인포테인먼트용 반도체, MCU 및 마이크로프로세서가 있고 센서로는 자기장센서, TPMS, 가속센서 등이 있다. 2015년 3월 미 프리스케일을 167억 달러에 인수해 세계 최대 차량용 반도체 기업이 되었다. 2019년 세계 차량용 반도체 시장의 21%를 차지하고 매출 절반이 차량용반도체에서 나온다. 고객으로 테슬라, 포드, 혼다,도요타, 현대, BMW 등 대다수 완성차업체를 두고있다.독일의 인피니언은 차량용 반도체 2위업체로 고전압 차량용 전력반도체 분야에서 세계 최고이다. 2019년 6월 미 사이프러스를 90억 달러에 인수했다. 차량용 반도체 매출 비중이 41%에 달하고 다양한 포트폴리오를 구비하고 있다. 다임러 벤츠,BMW, 폭스바겐, 현대차 등이 고객이다. 일본의 르네사스는 세계 3위업체로 차량용MCU, 차량정보용 SoC, 산업용 MCU를 생산하고있다. 2016년 8월 미 인터실을 3,000억 엔에 인수해 하이브리드차 및 전기차 배터리 전압제어 반도체부문을 보강했다. 2019년 9월 미 반도체 설계기업 IDT를 60억 달러에 인수해 반도체 설계·개발을 강화했다. 2021년 2월에는 영국 반도체 설계기업 다이알로그를 49억 유로에 인수했다. 도요타, 혼다, 닛산, 포드, 폭스바겐에 차량용 정보시스템반도체를 공급하고 있다. 세계 4위 업체인 텍사스 인스트루먼트(TI)는단일칩 MCU를 세계 최초로 개발했으며, 아날로그 반도체, 차량용 MCU, 차량용 인포테인먼트 시스템용 AP, 임베디드 포로세싱을 생산하고있다. 매출 중 차량 반도체 비중이 13%에 달하고있다. 5위 업체인 스위스의 ST마이크로일렉트로닉스는 가전용 주문형 반도체, 차량용 반도체, 전력반도체, 컴퓨터 주변장치용 반도체, SiC칩을 생산한다. 매출 중 차량반도체가 37%를 점유하고, 아날로그/센서가33%, MCU/디지털IC가 30%를 차지하고 있다. 보쉬, 폭스바겐, 다임러 벤츠 등을 고객으로 두고 있다.

신규 진입 업체들

차량용 반도체 시장이 커지고 자율주행과 인공지능(AI)으로 영역이 확장되자 퀄컴, 인텔, 엔비디아, 삼성전자, 애플, 테슬라 등 글로벌 IT기업들이 신규로 진입하고 있다. 이들은 스마트폰 등 모바일부문에서 축적한 애플리케이션 프로세서(AP) 및운영체제(OS) 노하우를 자동차에 적용하고, 자율주행차에 필요한 인공지능(AI) 시스템, 비전 컴퓨팅 시스템, 자동차용 데이터 통신 솔루션 등을 개발해 차량용 시스템 반도체의 새로운 시장을 개척하고 있다. 이들은 인수합병(M&A), AI 반도체 중심으로 자체 칩 개발, TSMC 등 파운드리 업체와의 위탁생산 협력을 통해 시장에 진입하고 있다. 차량용 반도체 분야 M&A의 대표적인 사례로는 2015년 3월 5위 업체인 NXP가 4위 업체인 미 프리스케일을 167억 달러에 인수해 일거에 1위업체로 도약했다. 다른 사례들로는 2015년 11월 ON 세미콘덕터의 페어차일드 인수, 2016년 8월, 르네사스의 인터실 인수, 2019년 5월마블의 아퀀시아 인수, 2019년 6월 인피니언의 사이프러스 인수, 2019년 9월 르네사스의 IDT 인수, 2021년 2월 르네사스의 다이알로그 인수 등이있다. 애플은 차량용 AP와 운영체제(OS)를 바탕으로 자율주행용 칩과 SW 개발에 뛰어들었다. 2024년 목표로 자체 설계 배터리를 탑재한 승용차 생산을 추진하고 있고, TSMC를 통해자율주행차용 AI칩을 생산할 예정이다. 퀄컴은 자동차용 AP 신제품 스냅드래곤 820A를 출시해 2017년 아우디에 탑재하였다. 2021년 1월, 4세대 스냅드래곤 오토모티브 플랫폼을 공개했는데, 운전자와 탑승자를 위한 엔터테인먼트와 상황 인식 경험 재창조를 목표로 하고 있다. 엔비디아는 주력제품인 GPU가 차량용 AI 시스템 반도체 분야에서 수요가 급증하고 있다. 2020년, ARM을 인수해 자율주행 플랫폼과 에지컴퓨팅을 강화하려고 하고 있다. SoC(System on Chip)를 기반으로 설계한 칩을 도요타, 폭스바겐 등이 활용하고있다. 테슬라는 자율주행 경쟁력을 강화하기 위해 AI이미지 처리 능력을 향상시킨 완전 자율주행(FSD:Full Self Driving) 칩을 설계하고 있다. 기존 테슬라차량에 탑재됐던 반도체를 넘는 성능을 보여주었다.

국내 차량용 반도체 공급망

차량용 반도체 시장에서 국내 업체의 점유율은2.3%에 불과하고, 소요량의 98%를 수입에 의존하고 있다. 국내 업체로 팹리스로 실리콘웍스, 텔레칩스, 혜성디에스, 넥스트칩, 픽셀플러스, VSI, 실리콘 마이터스 등이 있다. 파운드리로는 DB하이텍, SK하이닉스시스템IC 등이 있다. 부가가치가 높은 파워트레인 제어와 전장용 시장보다 인포테인먼트 분야에서 경쟁하고 있다. 또한, 국내·외 반도체 공급난으로 생산을 위탁할 파운드리를 제 때 확보하지 못해 차질을 빚고 있다. 실리콘웍스는 매출 1조 원을 돌파한 국내 최대의 팹리스업체로 LG이노텍, LG디스플레이 등과협업해 현대기아차 및 벤츠에 차량용 반도체 변위센서 IC를 공급해왔다. 텔레칩스는 차량용인포테인먼트 AP 설계와 공급에 주력하고 있다. 2021년 텔레칩스가 설계하고 삼성전자 파운드리에서 생산한 자동차용 MCU를 출시했고, 현대모비스는 국산 MCU를 사용할지 검토에 들어갔다. 혜성디에스는 반도체용 패키지 웨이퍼와 리드 프레임을 생산하고 있다. 넥스트칩은 ISP(Image Signal Processor)를 현대차에 적용하고 있고, ADAS용차량 반도체를 개발하고 있다. 픽셀플러스는 차량용 CMOS 이미지센서(CIS) 사업을 중심으로 애프터마켓 수요를 공략하고 있다. VSI는 안정성과 효율성을 갖춘 자율주행차용 이더넷 네트워크 반도체 칩을 개발했다. 실리콘 마이터스는 차량 인포테인먼트시스템 전력관리칩을 출시했다. 동부하이텍은 세계 10위 파운드리 업체로 파워트레인용 전력관리칩, 전조등·후미등 모터구동칩및 전력관리칩, 내비게이션·오디오시스템용 전력관리칩, 인포테인먼트용 반도체 등 20여 개 제품을공급하고 있다. 삼성전자는 차량용 AP 브랜드 엑시노스 오토 및 이미지센서 브랜드 아이오셀 오토를 출시했다. 자율주행차용 이미지센서 고도화로 소니와 경쟁하고있고, 테슬라와 웨이모의 자율주행차 칩을 개발했다. SK하이닉스는 자동차 티어1,2 부품업체와 협업해 차량용 메모리 반도체를 공급하고 있다.

차량용 반도체 대란

원인

차량용 반도체 대란이 전세계를 강타하고 있다. 1차적으로는 코로나19에 따른 자동차 메이커들의 생산 중단이 원인였지만 글로벌 반도체 공급망 전체가 마비되면서 피해가 확산되고 있다. 차량용 반도체 부족으로 올해 전세계적으로 122조원의 피해를 볼 것이란 전망까지 나오고 있다. 전세계를 강타하고 있는 차량용 반도체 공급 차질의 원인에 대해서 많은 전문가들은 복합적이다라고 표현한다. 그 원인을 규명할수 없다는 것이 아니고 코로나로 대표되는 자연재해, 차량용 반도체의 글로벌 공급망 문제 등이 복합적으로 작용했다는 분석이다. 이와관련 유진투자증권 아재일 연구원은 2021년 5월 31일, 모빌리티 EV 산업 2021 하반기 전망에서 “차량용 반도체 공급 차질 원인은 크게 3 가지로 나눠 볼 수 있다”고 밝혔다.

첫째, 코로나와 자연 재해로 인한 일시적 공급 차질이다. 코로나 사태로 인해 글로벌 자동차 생산이 장기간 중단됐고 전방 수요 불확실성으로 완성차 메이커는 공격적으로 재고를 줄였다. 하지만 신차 수요가 예상보다 빠르게 회복됨에 따라 부품 주문량을 늘렸지만 1차 벤더를 거쳐 2차 3차 벤더로 가는 과정에서 리드 타임이 누적될 수밖에 없었다. 가동 중단이 장기화됐던 미국 유럽 지역이 재개가 빨랐던 중국 한국 일본보다 피해 규모가 큰 이유가 바로 여기에 있다. 더욱이 예상치 못했던 자연 재해가 상황을 더욱 악화시켰다. 미국에서는 지난 2월 기록적인 한파가 닥쳐 텍사스 지역의 전력 공급이 중단되는 사태가 발생했다. 삼성전자의 오스틴 공장이 이로 인해 가동을 중단했으며 차량용 반도체 1위 업체인 인피니온의 공장도 가동이 일시 중단됐다. 일본의 르네사스도 미야기현 지진과 공장 화재로 공장 가동이 중단됐다. 특히 공장 화재로 인한 설비 소실로 가동 중단이 장기화 됐는데 4월 말에 재가동을 시작하였으나 정상화 시점은 6월이 될 것으로 보인다. 대만에서는 기록적인 가뭄이 발생했다. 대만은 56년만의 기록적인 가뭄에 시달리고 있으며 3 월부터 물 부족 적색경보를 발령한 상태다. 산업용수와 농업용수 모두 부족한 상황이기 때문에 반도체 생산도 차질을 빚고 있다. 두번째 이유는 TSMC의 MCU 생산 독점에 따른 공급망이 원인이다. 자동차에는 다양한 종류의 반도체가 사용된다. 차량용 반도체의 범위는 MCU 아날로그 반도체뿐만 아니라 ADAS 에 사용되는 메모리 칩, AI 칩 등 넓은 영역을 아우른다. 하지만 이번 반도체 수급 대란의 원인은 기본적으로 MCU 병목 현상에 기인한다. MCU는 차량의 기능을 제어하는 전자제어장치에 폭 넓게 사용되는 기초 반도체다. TSMC는 글로벌 MCU 생산량의 70%를 담당하고 있다. 차량용 MCU 공급업체로 잘 알려진 르네사스, NXP, 인피니언, TI, 마이크로칩테크, STM 등의 자체 생산 능력은 소규모에 불과하며 대부분 TSMC에 위탁 생산을 하고 있다. 다수의 파운드리가 생산하는 다른 반도체와 달리 공급처를 다변화 할 수 없기때문에 병목 현상이 장기화 되고 있다. 세번째 이유는 차량용 반도체 수요가 구조적으로 증가하고 있기 때문이다. 자동차의 편의 안전 사양이 자율주행차 커넥티드카로 진화함에 따라 자동차가 처리하는 데이터의 양과 연산 능력이 기하급수적으로 증가하고 있다. 전기차로 대표되는 전동화 추세도 반도체 수요 증가의 원인이다 전기차에 들어가는 모터 전력 제어장치 BMS 등 각종 전자 부품들 모두 반도체를 사용한다. 인피니언(Infineon)에 따르면 전기차의 반도체 수요는 동급 내연기관차의 2배에 달한다. 평균적인 내연기관차의 반도체 코스트는 434 달러 수준이지만 전기차의 총 반도체 코스트는 834 달러 수준으로 추정된다. 2020년을 기점으로 전기차 생산 판매 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며 완성차의 반도체 수요도 이에 비례해 완성차의 반도체 수요도 이에 비례해 증가하고 있다. 결국 차량용 반도체 부족 문제는 자연 재해라는 특별한 상황이나 TSMC의 독점이라는 공급망의 문제를 해결한다고 해도 기하급수적으로 커지는 수요를 공급이 따라가지 못하는 근본적인 문제를 안고 있다는 분석이다.

피해 현황

차량용 반도체 대란은 전세계적으로 자동차 생산 라인을 멈추게 하고 있다. 2020년 코로나19로 인해 세계 주요 자동차 메이커들이 생산을 중단했던 때와는 양상이 다르다. 그 당시에는 자동차 메이커들이 통제할수 있는 생산 중단였다면 이번 공장 폐쇄는 부품 부족에 따른 것이며, 좀처럼 해결 기미를 보이지 않는다는 점에서 막대한 피해를 감수 할 수밖에 없다. 시장 조사 기관들은 반도체 수급 차질로 인해 천문학적인 액수의 피해가 발생할 것으로 보고 있다. 미국의 컨설팅 회사인 앨릭스파트너스(AlixPartners)는 반도체 칩 부족으로 2021년 전세계 자동차 생산이 390만대 즐어 들 것이란 보고서를 2021년 5월 14일 발표했다. 이같은 숫자는 이 회사가 2021년 1월 예상했던 220만대의 감소 전망보다 늘어난 것이다. 차동차용 반도체 부족 현상이 1월보다 훨씬 심각해지고 있다는 반증이다. 금액으로 계산하면 2021년 자동차 업계는 1100억 달러의 매출 감소 피해를 볼 것이란 전망이다. 이같은 수치는 지난 1월말의 피해 전망치 606억 달러에 비해 81.5%가 늘어 난 것이다. 앨릭스파트너스의 자동차 책임자인 마크 웨이크필드는 “도쿄 인근 공장에서 발생한 반도체 공급업체 레네사스 화재와 자동차 공급망의 날씨 관련 문제 등 여러 요인 때문에 매출 감소 금액이 증가했다”고 말했다. 그는 "대유행으로 인한 칩 위기는 핵심 칩 제조 공장에서 발생한 화재, 텍사스의 혹독한 날씨, 대만의 가뭄 등 자동차 산업의 통상적인 사건들로 인해 악화되었다"고 덧붙였다. 업체별로는 포드 자동차와 제너럴 모터스 같은 자동차 회사들은 칩 부족 때문에 올해 수십억 달러의 매출이 감소할 것으로 예상하고 있다. 포드는 이번 사태로 2021년에는 약 25억 달러의 매출이 감소할 것이라고 밝혔다. GM은 반도체 부족이 15억 달러에서 20억 달러 정도의 매출이 줄 것으로 예상하고 있다. 글로벌 리서치 업체인 오토포어캐스트 솔루션에 따르면 현재까지 전 세계적으로 256 만대 규모의 가동 중단 계획이 발표되었으며 연말까지 총 366 만대가 생산 차질을 빚을 것으로 추정된다.

유진투자증권 아재일 연구원은 차량용 반도체 재고가 1분기 중 대부분 소진됨에 따라 2분기가 생산 차질의 피크가 될 것으로 보인다며 포드는 1분기 계획 대비 17%의 물량이 차량용 반도체 수급 차질로 생산되지 못했고, 2분기는 생산 차질 물량이 50%로 확대될 것이라고 전망했다. 스텔란티스 지엠 등 다른 북미 메이커도 2분기 감산 규모가 1분기 대비 대폭 확대될 것으로 예상했다. 다만 우리나라를 포함한 아시아 지역은 상대적으로 양호한 상태다. 도요타는 2021년 4월부터 2022년 3월까지의 2022 회계 년도 생산량으로 전년 동기 대비 13.6% 늘어난 930만대를 전망했다. 코로나 영향에서 벗어나는 것을 넘어 코로나 발생 이전인 2020 회계 년도를 상회하는 생산 물량을 준비 중이다. 도요타는 차량용 반도체 수급 차질로 인한 영향에도 불구하고 올해 정상 가동에 지장이 없을 것으로 전망했다. 2분기 현대차 기아의 글로벌 공장 가동 중단이 산발적으로 발생하고 있다 현대차는 지난 4 월 두 차례에 걸쳐 그랜저 소나타를 생산하는 아산 공장의 가동을 일시 중단했고 5월에는 울산 3공장 5공장의 가동을 중단했다 기아차는 광명 2공장과 미국 조지아 공장 가동을 5월 중 일시 중단할 예정이다. 이에따라 2분기 생산량 감소가 불가피 할것으로 보인다. 하지만 전반적으로 가동 중단 기간이 짧기 때문에 생산 차질 대수가 수십 만대에 이르는 글로벌 메이커 대비로는 미미한 수준으로 볼 수 있다.

전망

부정적 전망

국내외 전문가들은 반도체 부족에 따른 자동차 업계의 피해가 2021년 2분기에 최대치를 찍고 3분기부터는 점차 해소 국면으로 접어 들것으로 전망하고 있다. 상당수의 전문가들은 전기자동차의 확산과 자율 주행차의 확대 등으로 차량용 반도체에 대한 수요가 지속적으로 증가할 추세여서 장기적인 공급 부족을 예측하는 목소리도 많다. 글로벌 리서치 기관 가트너는 반도체 수급 불균형이 올해 2분기 가장 극심해지고 3분기까지도 상당한 차질이 지속될 것으로 보았다. 수급 균형이 정상화 되는 시점은 2022년 2분기가 될 것으로 전망했는데 균형의 원인이 반도체 공급망 전 영역에 걸쳐 있어 단기 해결이 어렵고 특히 반도체 기판 부족 현상의 장기화될 가능성이 있다고 지적했다. 인텔의 CEO 팻 겔싱거 (Pat Gelsinger)도 차량용 반도체 공급 차질이 2022년 이후로도 수 년간 지속될 것으로 예측했다. 공급이 증가하더라도 반도체에 대한 수요 증가 속도가 더 빠르기 때문에 수요 불균형이 지속될 것이라는 전망이다. 2021년 전망을 살펴보면 바이든 행정부를 비롯해 각 국 정부가 반도체 수급 공백을 해소하기 위해 적극 협력하고 있는 점은 긍정적이다. TSMC도 안정적인 공급이 가능하도록 최선을 다하고 있는 모습이다. 미국 유럽 등 선진국 생산 차질 규모가 큰 만큼 강도 높은 대응 책들이 나오고 있어 생산 차질은 5월을 피크로 점차 줄어들 전망이다. 따라서 2021년 하반기 글로벌 자동차 생산량은 큰 폭으로 증가할 것으로 예상된다. 지연됐던 신차 출시가 본격화 되는등 부족한 재고를 확충하기 위한 증산이 이루어질 전망이다. 특히 상반기 생산 차질이 컸었던 미국 유럽 지역의 증산 물량이 매우 클 것으로 예상된다.

긍정적 전망

자동차가 단순한 이동수단을 넘어 통합적인 정보통신 이동수단으로 확장되기 시작하면서 차량에 장착된 다양한 장치들을 제어할 수 있는 반도체의 역할이 커졌다. 자동차에 첨단 기술들이 사용되고 고기능화에 따른 데이터의 용량 증가로 인해 센서 등의 비메모리 반도체뿐만 아니라 DRAM, 낸드플래시 같은 메모리 반도체가 많이 요구되고 있다. 아마도 앞으로는 첨단장치 제어 부분의 기술이 더욱더 발전할 것으로 보인다. IHS 마킷과 한국산업기술평가관리원에 따르면 차량용 반도체 시장의 2021년까지 5년간 연 평균 성장률은 12.5%에 달할 것으로 전망하고 있다. 해당 수치는 동 기간 반도체 산업 전체의 성장률인 6.1%의 2배에 달하는 수치로 크다라는 것을 알 수 있다. 앞으로도 내연기관에 대한 각국 정부의 규제 강화로 전기차의 판매 비중이 지속적으로 증가 할 것이고, 맥킨지앤컴퍼니에 따르면 2030년까지 전기차의 전체 차량 중 판매 비중은 최소 35%에서 최대 50%까지 이를 것으로 전망하고 있다. 전기차의 도입은 자연스레 차량 내 반도체 등 전장부품의 확대로 이어질 것이다.

자율주행차 반도체 수요가 2030년까지 세 배 가까이 증가한다는 조사 결과가 나왔다. 내연기관차보다 10배가량 더 많은 칩이 탑재되는 자율주행차의 반도체 수요가 증가하면서 자동차 반도체 시장이 고속 성장할 것으로 전망된다. 2021년 8월 3일, 글로벌 컨설팅기업 맥킨지는 자율주행 시대를 위한 자동차 반도체(Automotive semiconductors for the autonomous age) 보고서를 통해 자율주행차 반도체 매출 규모가 2030년까지 연간 290억달러로 성장한다고 발표했다. 2019년 110억달러보다 세 배 가까운 수치다. 맥킨지는 현재 도로 위를 달리고 있는 레벨2 자율주행 기술이 칩 수요를 이끈다고 전망했다. 2019년 자동차 반도체 매출의 40%를 담당했던 레벨2 자율주행 칩 매출이 2030년까지 85%로 두 배 이상 증가한다고 보았다. 자율주행 기술 발전에 따라 2025년부터는 레벨3와 레벨4 자율주행 칩 매출도 늘어난다고 분석했다. 특히 레벨4 자율주행 칩 매출은 연간 45.1% 성장률을 보인다고 전망했다. 자율주행차에 쓰이는 반도체 중에는 도메인컨트롤유닛(DCU)과 센서 등 고성능 컴퓨팅 칩이 가장 빠른 성장세를 보인다고 예상했다. 2025년부터 2030년까지 매년 12%씩 성장하며 전체 자율주행 칩 매출의 3분의 1을 차지한다고 보았다. 전자제어유닛(ECU)과 센서용 칩은 2019년부터 2030년까지 연간 6%의 성장률을 기록한다고 전망했다. DCU와 ECU는 신경망프로세서유닛(NPU), 마이크로컨트롤러(MCU)와 함께 자율주행차의 핵심 요소로 꼽히는 첨단운전자지원시스템(ADAS)에 쓰이는 반도체다. 카메라, 레이더, 라이다 등 센서에서 감지한 정보를 판단하고 처리하는 역할을 한다. ADAS는 운전 중 발생할 수 있는 수많은 상황 가운데 일부를 차량 스스로 인지하고 상황을 판단해 기계장치를 제어하는 기술이다. 궁극적으로는 자율주행 기술을 완성하기 위해 개발됐다. 지금은 카메라, 레이더, 라이다 등 센서를 이용해 도로 교통 상황을 감지하고, 운전자의 차량 운전을 보조해주는 역할을 한다. 맥킨지는 향후 DCU, ECU 등 반도체 매출이 카메라, 레이더, 라이다 등 센서 매출보다 큰 비중을 차지한다고 전망했다. 해당 칩들의 점유율이 2019년 55%에서 2030년 70%로 증가한다고 보았다. 2025년부터는 시장에 상용화되는 자율주행 레벨이 3~4로 높아지면서 매출이 두 배 가까이 증가할 수 있다고 예상했다.

자율주행차 시장은 빠른 성장이 예상된다. 글로벌 경영전략 컨설팅 업체 보스턴컨설팅그룹(BCG)은 자율주행차 시장이 2035년까지 770억 달러 규모로 성장한다고 전망했다. 이때가 되면 자율주행차가 세계 자동차 판매량의 25%를 차지하며 완전 자율주행 자동차는 1200만 대, 부분 자율주행차는 1800만 대에 이를 것이라고 예상했다. 시장조사업체 IHS오토모티브는 2035년에 자율주행차의 판매량이 1000만 대를 넘어 자동차 시장의 약 10%를 차지한다고 보았다. 맥킨지도 2040년에는 미국 내 차량의 75% 이상이 자율주행차가 될 것이라고 예상했다. 이처럼 자율주행차 시장의 빠른 성장과 기술 발전은 차량용 반도체 시장 발전을 견인하는 역할을 할 것으로 전망된다. 레벨2 기술의 자율주행차에는 보통 2000개 이상 반도체가 탑재된다. 200~300개의 반도체가 탑재되는 내연기관차보다 약 10배 많은 양이다. 자율주행차 레벨이 3~4로 높아지면 탑재되는 반도체는 더 많아진다. 사람이 하는 일을 기계가 대신하면서 그만큼 처리해야 할 데이터가 증가하기 때문이다. 이는 앞으로 차량용 반도체 수요가 가파른 상승곡선을 그린다는 것을 방증한다. 맥킨지는 보고서를 통해 자율주행 기술에 관심을 갖는 기업이 많아지면서 이미 자동차 반도체의 수요 패턴은 변화됐다면서 반도체 회사는 변화하는 칩 수요에 대응해 필요한 기능과 제품을 개발해야 한다고 밝혔다.

같이 보기

• 반도체

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