[기민한 전자이야기]작고 섬세한 전자업계 '큰형님' 반도체 1편

메모리·비메모리(시스템), 휘발성·비휘발성…구조·기능·쓰임새마다 세분화
지난해 4분기 글로벌 메모리 반도체 매출액 기준 시장 점유율…삼성전자·SK하이닉스가 72.7%
삼성·SK, 메모리 반도체보다 2배 큰 시스템 반도체 시장 석권 위해 도전 중

[아시아경제 이기민 기자] ‘기민한 전자이야기’는 전자·기계제품, 장치의 소소한 정보를 기민하게 살펴보는 코너 입니다. 광고, 뉴스에 자주 등장하는 따끈한 신상품, 이제는 추억이 된 제품, 아리송한 제품·업계 용어와 소식까지 초심자의 마음으로 친절하게 다뤄드리겠습니다.

신종 코로나바이러스감염증(코로나19) 사태가 전 세계를 강타하면서 세계보건기구(WHO)가 11일(현지시간) 세계적대유행(팬데믹)을 선언했습니다.

이 때문에 전세계 증시가 요동치고 산업계에도 폭풍이 몰아치고 있습니다. 산업과 제품들에 대한 전망도 전반적으로 불안한 상황입니다. 이 와중에도 강(强)보합세를 유지할 것이라는 전망이 나오는 품목이 있는데요. 바로 대한민국 수출 효자품목이자, 전자업계의 큰형님 반도체입니다.

이번주 ‘기민한 전자이야기’ 에서는 반도체 종류와 국내기업의 현 위치를 간단히 알아보고, 다음주에는 최신 반도체 기술 동향과 업계 전망에 대해 살펴보겠습니다.

반도체, 너는 누구니?

반도체는 전기가 잘 통하는 도체와 전기가 잘 통하지 않는 부도체(절연체)의 중간적인 성질을 띄고 있는 물질을 뜻합니다. 반도체 물질에는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등이 있는데요. 반도체 물질과 트랜지스터, 다이오드, 회로 등 전자부품 결합하는 공정을 통해 전기를 데이터나 전자 신호로 바꾸는 각종 반도체 제품이 만들어집니다.

쉽게 설명했지만 반도체 제품 하나를 만들기 위해서는 수십가지의 공정과정을 거칩니다. 이는 크게 전(前)공정과 후(後)공정으로 나뉘는데요. 회로 설계와 설계된 회로를 층별로 나눠 유리 마스크에 그리는 마스크 제작, 실리콘기판(웨이퍼)제조, 웨이퍼 가공 등을 전(前)공정, 웨이퍼에 만들어진 칩을 개별로 잘라서 프레임에 조립하는 패키징(packaging), 완제품 작동 검사인 테스트(Test) 등 후(後)공정으로 분류합니다. 웨이퍼 제조부터 가공하는 각 단계인 산화, 포토, 식각, 박막, 금속배선, EDS(Electrical Die Sorting)과 패키징을 8대 공정으로 부르기도 합니다.

반도체라고 다 같은 게 아니야…메모리(Memory)와 비(非)메모리(Non-Memory)

삼성전자의 세계최초 64메가 D램

반도체 제품은 메모리와 비메모리로 나뉩니다. 우선 메모리 반도체는 데이터를 저장하는 역할을 하는데요. 메모리 반도체는 데이터를 처리한 후 날아가는지, 데이터를 저장하는지를 두고 휘발성 메모리(RAM, Random-Access Memory)와 비휘발성 메모리(ROM, Read-Only Memory)로 분류됩니다.

비휘발성 메모리에는 전력을 차단하지 않으면 메모리가 지워지지 않는 S램(Static RAM)과 전력을 공급해도 시간이 지나면서 이전 데이터가 지워지는 D램(Dynamic RAM)이 있습니다. S램은 기억단위의 소자수가 커지면 구조가 복잡해지고 1비트당 제조비용도 D램보다 비쌉니다. 국내 반도체 업계를 대표하는 제품은 ‘D램(Dynamic Ram)’인데요. 저렴한 가격 빠른 속도 때문에 서버와 컴퓨터뿐만 아니라 모바일기기에도 사용되고 있습니다. D램은 CPU의 데이터를 보관하거나 전송하는 형식의 컴퓨팅 메모리를 비롯해 모바일 D램, 그래픽 D램 등으로 나뉩니다.

비휘발성 메모리는 플래시(Flash)메모리로도 불립니다. 플래시 메모리를 저장 매체로 사용하는 장치가 이동식저장장치(USB), SD카드, SSD입니다. 플래시 메모리는 낸드(NAND) 플래시 메모리와 노어(NOR) 플래시 메모리로 나뉩니다. 코드 저장식인 노어 플래시 메모리는 데이터를 저장하는 셀을 병렬로 배열하는 구조이기 때문에 데이터를 빨리 찾을 수 있어 낸드 플래시보다 읽기속도가 빠르고, 데이터의 안전성이 우수합니다. 그러나 다만 데이터 저장식인 플래시 메모리보다 쓰기 속도가 느리고 구조상 대용량화하기 어렵다는 단점이 있습니다. 이 때문에 플래시 메모리 시장에서는 낸드 플래시가 이끌고 있습니다.

삼성전자 이미지센서 '아이소셀 슬림 3T2'(사진=삼성전자)

시스템 반도체로도 비메모리 반도체는 주로 연산, 제어 등 데이터를 처리하는 기능을 하는데요. 공식명칭은 로직 칩(Logic Chip)입니다. 컴퓨터 CPU, 휴대폰 애플리케이션 프로세서(AP), 이미지센서로 쓰이는 광학 반도체 등이 대표적인 비메모리 반도체 제품으로 꼽힙니다.

비메모리 반도체는 설계부터 공정까지 한 업체가 담당하는 메모리 반도체와는 달리 회로 설계를 따로 하고, 생산을 다른 업체에 맡기는 구조를 보입니다. 회로 설계만 하는 회사를 팹리스(Fabless), 위탁받아 생산 하는 업체를 파운드리(foundry)라고 합니다.

시스템 반도체는 IT·자동차·에너지·의료·환경 등 다양한 분야와의 융합·응용되고 있습니다. 특히 인공지능, 사물인터넷, 자율주행차 등의 핵심 부품으로 향후 지속적 성장이 전망된다.

메모리 1위·비메모리 분야 석권에도 박차…국내기업의 현 위치

메모리반도체, 비메모리반도체 파운드리가 있는 삼성전자 화성사업장 전경. [이미지출처=연합뉴스]

실제로 비메모리 반도체의 시장규모는 메모리 반도체 시장규모보다 2배가량 큽니다. 세계반도체무역통계기구(WSTS)가 집계한 2018년 비메모리 시장은 3108억달러 규모이고, 메모리 분야는 1658억달러입니다.

국내기업은 글로벌 메모리 반도체 분야, 특히 D램과 낸드플래시 시장에서 높은 매출 점유율을 보이고 있습니다. 반도체 전문 시장조사업체 D램익스체인지에 따르면 삼성전자의 지난해 4분기 D램 매출액은 67억6100만달러로 매출 기준 시장 점유율은 43.5%입니다. 또한 SK하이닉스는 같은 분기 45억3700만달러로 29.2%를 차지한 것으로 조사됐습니다. 삼성전자와 SK하이닉스의 매출 점유율을 더하면 72.7%인 겁니다. 낸드플래시 분야도 견조한 수준을 보이고 있습니다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 지난해 4분기 삼성전자의 낸드플래시 매출액이 44억5100만달러로 매출 기준 시장 점유율은 35.5%로 세계 1위를 유지하고 있습니다. SK하이닉스는 같은 기간 매출액 12억7400만달러, 점유율은 9.6%로 6위를 기록했습니다.

메모리 반도체 시장 점유율과는 달리 비메모리 분야에서 압도적인 1위는 대만의 TSMC입니다. 트렌드포스에 따르면 지난해 4분기 파운드리 시장에서 TSMC의 점유율은 52.7%를 차지했습니다. 삼성전자의 점유율은 17.8%로 나타났습니다. 삼성전자는 지난해 4월 2030년까지 글로벌 시스템반도체 시장 1위 달성을 목표로 반도체 ‘비전 2030’을 세우고 연구개발과 시설투자에 133조원을 들인다고 발표한 바 있습니다. SK하이닉스도 시장경쟁력 확보를 위해 메모리 분야는 물론이고 파운드리 분야에도 투자를 늘린다는 방침입니다. 이에 대한 일환으로 SK하이닉스는 2028년까지 120조원을 투자해 경기 용인시에 반도체 클러스터를 만든다는 계획입니다.

이기민 기자 victor.lee@asiae.co.kr