Lithography
1992년 Intel CEO Andy Grove는 2억 달러짜리 R&D 프로젝트 고심. 그것은 EUV(Extreme Ultraviolet). 자외선을 이용해서 12.5 nanometer짜리
정교한 파동 구현이 가능한가? 반도체 성능이 높아지며 과거보다 훨씬 정교한 Lithography 필요해졌지만 이를 구현할 마땅한 기술 없었음. 자외선으로
그리는 한계가 248 또는 193 nanometer.
그럼 EUV 개발해보라고
2억 달러 어떤 Lithography 회사에 쏴줘야 하나? 미국 Lithography회사 GCA는
Noyce 불러다가 돈지랄 했는데 망했고, 그렇다고 Lithography 업계 탑인 Nikon과 Canon은 일본회사라 안 되고 남는 건 네덜란드 회사 ASML 밖에
없었음.
ASML은 1984년 Philips에서 내부 Lithography
조직 분사해서 만든 회사임.
ASML의 특장점
1. ASML은 후발주자였기
때문에 시장에서 좋은 거 이거 저거 사다가 회사 꾸렸음. 일본 회사들이 폐쇄적으로 자사 제품만 샀던
것과는 상반됨.
2. 지정학적으로 네덜란드에
위치 1980년과 1990년 미국과 일본이 무역분쟁하고, 미국이 일본 DRAM 두들겨 패고 있는 상황에서 업계 선두의 Canon과 Nikon에게 미국이 뭘 해줄리 만무했음
3. ASML은 Philips에서 분사한 회사. 앗.
그러고보니 대만의 TSMC의 대주주가 Philips네. 그래서 TSMC와 끈끈한 관계.
1989년 TSMC에서 불나서 lithography 기계
탔는데, ASML에 19개 발주하며 대형 수주하면서 ASML 일어나는데 도움 많이 줌.
Intel이나 미국정부나
Lithography하면서 걍 ASML 밀어줌. (배신자 일본 회사는 밀어줄 수 없잖아!) 미국 정부는 ASML 밀어주면서 공장은 미국에 지어라. 미국인 직원 뽑아라. 미국에다 우선 팔아라. 이런거 시킴. ASML은 울며 겨자먹기로 미국말 들어줬지만 어쨌든 ASML의 핵심
R&D는 네덜란드에서 함.
군말 없이 ASML은
미국 정부 말 들었고, 2001년 미국의 마지막 남은 Lithography회사
SVG를 ASML이 인수하게 허락해 줌. 부시 정부는 기술 유출에 대해서도 꽤 관대했음. 군사 기밀과 연관되는
특정 기술 빼고는 다 해외에서 하게 해 줌.
1992년에 Intel이 ASML에 EUV 기술
개발해보라고 2억불 박았는데 ASML은 이거 하느라 20년을 보냄. EUV는 이 시대 가장 큰 기술적 도박(the
biggest technological gamble of our time)으로 평가. 미국의
국가 연구소에서 EUV기술을 “풀 수만 있다면 무한한 돈을
벌지만, 풀 수 없는 문제”라고 말함.
2012년에 ASML이 EUV tool을 만들었다고 알려지자, TSMC, 삼성, Intel 등등 세상 반도체 업체들이 돈 싸들고와서
줄 섬. 인텔은 즉석에서 40억불 추가 투자.
EUV(Extreme Ultra
Violet) lithography란 무엇이냐.. 좀 살펴보자.
이것도 미국 과학자들이 처음에 생각해 냄. 가시광선의 파장은 수백 나노미터인데 색마다 다름. 반도체 업계는
자외선 파장을 이용해서 249과 193 나노미터까지 찍어낼
수 있었음. 그런데 반도체가 집적도가 높아지면서 이를 찍어낼 수 있는 더 정밀하고 작은 무언가가 필요했고
UV가 그 대안. 그러니깐 EUV를 자유자재로 쓸 수만 있다면 13.5 나노미터까지 찍어 낼 수
있음.
문제는 EUV가 기술적으로
다루기 거의 불가능했다는 것.
Cymer라는 레이저
전문회사가 있었음. 물론 이것도 UCLA, UCSD 나온
사람이 창업한 미국회사
이 회사의 엔지니어들이 EUV를
뽑아내는 접근법을 하나 찾아냄.
진공에서 3천만분의 1미터 크기의 주석 공을 200 마일의 속도로 쏨. 이 주석에 레이저를 2번 쏴서 첫번째 펄스로 예열. 두번째 펄스로 태양 표면보다 몇 배 뜨거운 약 50만도의 플라즈마로
폭발시킴. 이 폭발 과정을 초당 5만번 반복하면 칩을 제조하는데
필요한 만큼의 EUV를 생성할 수 있음.
2005년에 Cymer의 2명의 엔지니어가 독일의 Trumpf라는 세계 최고의 CO2 기반 레이저 회사 찾아감. 독일의 정밀 기계 이 회사 레이저로 깎음. Cymer와 Trumpf는 10년 같이 연구한 끝에 457,329개의 부품으로 이뤄진 저거 할
수 있는 초강력 레이저 쏘는 기계 만듬.
Cymer와 Trumpf는 주석을 폭발시킬만 레이저는 손에 넣었고, 다음 과제는
이 빛을 모아서 실리콘 칩에 쏠 거울을 만드는 일. 이번엔 세계 광학의 남바완 짜이즈(Zeiss)를 찾아감.
Zeiss의 최우선 도전은
EUV가 여간해서는 반사되지 않는다는 것. 13.5나노미터의
EUV는 X-ray와비슷한 파장. 따라서 물체에 반사하기보단 흡수 봬 버림. 그렇다고 Zeiss가 이거 안 하면 누가 하겠음? Zeiss도 어떻게 만드는지를
먼저 연구함. 이론적 답을 찾음 100겹 몰레브덴 실리콘
거울 개발하자. 각 레이어는 2나노미터 두께임.
인류가 이런 거울을 만들 수 있을까?
결국 이걸 Zeiss가
만들어 냄. 세계에서 가장 매끈한 물체이고, 불순물이 극도로
낮은 표면. 이 거울이 독일 만하다면, 가장 큰 티끌이 1/10 밀리미터 수준임. 또 레이저가 얼마나 정확하게 반사되냐면, 지구에서 골프공을 던져 달에 맞추는 수준.
이렇게 불가해가 풀림. 네덜란드
엔지니어와 독일 엔지니어의 환상의 랑데부.
EUV로 세상이 바뀌었다. 중요한건 ASML은 네덜란드 회사긴 하지만 미국 기술로, 인텔이 펀딩 해줬다… TSMC와 삼성이 ASML의 EUV를 갖고 놀면서 세상이 또 바뀜.
Fab
2000년대 후반 치열한
치킨게임 후에 DRAM fab은 일본의 엘피다, 미국의 마이크론, 한국의 삼성과 하이닉스 4개 회사만 남음. NAND는 삼성이 35%먹고, 하이닉스, 일본의 Kioxia, Micron, Western Digital 5개만
남음. 물론 DRAM과 NAND
모두 미국 fab의 점유율은 낮음.
AMD 창업주 Jerry Sanders는 상남자여서 Fab을 고집함. 2000년대에 미국 반도체 회사들은 Fabless로 가고 Fab을 아시아에 넘겨줌.
Fabless 혁명
원래 컴퓨터 그래픽은 반도체 start-up이
도전 할만한 니치 마켓. 설계만 잘해서 Foundry에 위탁생산하면
됨.
1) 1993년 Nvidia 창업. Nvidia는 3D
graphic과 GPU 그 생태계 구축했음. Nvidia는
반도체 생산설비 없고, 전부 TSMC에 위탁생산. Fab 직접 만들라고 했으면 애당초 창업도 불가능했음. 2006년 Nvidia는 CUBA 라는 소프트웨어를 출시. 그래픽 뿐 아니라 고속 computating도 가능해짐.
2) 정보통신 이론 교수
Irwin Jacobs는 1970년대 초반 휴대폰이 미래라고
판단. 당시 통신회사들은 무선통신 표준을 찾고 있었음. Jacobs는
무선전화를 특정 주파수에서 하는 것보다 여기저기 옮기며(frequency hopping)하는 거싱 더
유리하다고 주장. 대부분의 사람들은 Jacobs의 이론에는
동의했지만 구현하기 어렵다고 말함.
Jacobs가 통신사
설득하다 포기하고 걍 회사 차림. 이 회사의 이름은 Quality
Communication. 즉 Qualcomm. 2세대 무선통신에서 라디오 스팩트럼에서
데이터 전송과 이에 특화된 칩을 만들어 성공. 역시 Fabless로
디자인만 하고 생산은 삼성과 TSMC에 위탁
3) 1세대 아이폰은
삼성 반도체 사용. iOS를 처음 돌린 건 삼성 반도체 ㅋㅋ 잡스가 보니깐 안되겠어서, 직접 칩 만들기로 결심. PA Semi라는 칩 디자인 회사 사서, 버는 돈 다 때려 부움. 2년 후 아이폰4부터 A4 애플 자체 개발 칩 탑재.
애플 제품은 매우 부드럽게 돌아가는데, 다 이 핵심 애플 자체 칩 때문임. 덕분에 아이폰 런치 4년 후에 전세계 스마트폰이 내는 이익의 60%를 아이폰이 먹음. 잡스의 판단 정확
대만 반도체
1985년 대만의 KT Li(리궈딩)은 Morris
Chang 부름. 백지 수표 주고 조국의 반도체 사업의 부흥을 이끌어 달라고 부탁. Chang은 1980년대 TI 떠남. Chang은 TI가 극도로 효율적인 공정을 만드는데 크게 기여. Chang은 Noyce나 Moore처럼
TI의 CEO가 되고 싶었음. 그의 나이 44세 대만으로 감.
1970년대 중반 Chang은 이미 고객이 설계를 해오면 제작만 해주는 반도체 사업을 구상함. 1976년
TI 경영진에 이 아이디어 들고 갔다가 까임. 당시 Fabless 회사가 없던 땐데, Chang은 곧 그런 Fabless가 많이 생길 것이라고 경영진을 설득했으나 경영진은 지금 사업모델로 우리가 충분히 돈 많이 벌고
있는데 뭐하러 모험을 하냐하며 시큰둥
Chang은 이 아이디어를
잊지 않고, 1980년대 KT Li의 대만정부가 전폭적인
지원을 받아 실행하게 됨. 이 회사가 바로 TSMC. 대만
정부가 48% 출자. Chang은 옛 동료들이 포진해있는
TI와 Intel에 가서 투자 요청했다가 까임. 대신 네덜란드의 Philips가 5천8백만불 투자하고 지분 27.5% 받아감(지금의 TSMC X ASML 관계를 보면 대단한 복선) 그리고 나머지 지분은 대만정부가 대만 재벌들에게 강매함. 이렇게
대만반도체제작회사(TSMC) 탄생.
TSMC는 칩 디자이너들에게 reliable partner가 목표. 고객과 경쟁하지 않으며 고객의
성공을 돕는다. TSMC와 파운드리 판에서 비벼볼만한 회사는 그나마 2005년부터
파운드리 시작한 삼성이 유일. 삼성은 반도체 디자인도 하는 회사라 “고객과
경쟁하지 않는다.”라는 파운드리 업계의 불문율을 어기는 셈. 사실
삼성은 “고객과 경쟁하지 않는다.”는 정도가 아니라 스마트폰
만들지, 각종 전자기기 만들지 ㅋㅋ 고객의 핵심경쟁자 그 잡채임.
Chang은 2000년부터 후계자 찾고 2005년에 대만 반도체 산업의 아버지 living legend로 거의 국부급 추앙을 받으며 74세의 나이로
CEO 은퇴함. 종신명예회장 ㄱㄱ 했는데
은퇴하고 얼마 안가 2008년
GFC 터짐. 세계 IT 소비
급랭하고 따라서 반도체 주문도 줄줄이 취소. TSMC CEO Rick Tsai가 남들이 다 하는 것처럼
직원들 짜르고, 비용절감하고 앉았음. Chang이 답답해서
다시 나옴. Morris Chang은 산전수전 다 겪은 노인임. TSMC는
40nm에 사활 검.
이때가 더 투자해야 하고, 때
마침 나온 아이폰이 game changer라고 정확한 판단. Chang이
TSMC 고객들 주욱 불러 모음. 이건 TSMC가 고객들과 경쟁하지 않는 독특한 포지션이라서 가능했음. 고객끼리는
서로 경쟁함. Fabless, 지적재산권 팔이, silicon
wafer 등등. 쭉 밸류체인 모아보니, 12개
회사 + TSMC가 당시 반도체 제왕 Intel과 삼성을
합친 것보다 매출이 더 컸음. 그리고 이 유니버스의 중심에는 TSMC가
있었음. “야 힘들더라도 이때 더 투자해야 돼 니들 알겠지. 위기
지나간다.”
Fabless 혁명 중에도
AMD 창업자 Jerry Sanders는 상남자(macho swagger)여서 직접 반도체 설계와 생산 모두 고집.
Sanders 은퇴하고 5년 뒤에 AMD는 설게만하는
AMD와 생산만하는 Globalfoundaries로 분사. 반도체 고도화되면서 2D로 추가 회로 그릴 한계에 봉착하자 3D 트랜지스터 개발 시작. GlobalFoundries가 여기서 가능성
보여줌.
중국 반도체
공산당이 중국을 접수하지 않았다면,
아마 일본, 대만, 한국이 받았던 미국 반도체
산업의 세례를 중국이 대신 받아갔을 것. 하지만 안타깝게도 1949년
공산당이 집권한 후 서방과 담 쌓음. 중국의 엘리트들은 중국 본토로 돌아가지 않고 미국이나 대만으로
감.
마오쩌둥은 집권 후 중국의 과학기술과 반도체 산업을 엽기적으로 멸종시킴. 마오는 모든 기술을 공산당이 직접 개발하자고 독려. 교육이 미천한
사람들을 모아서 최첨단 산업을 융성하겠다는 기상천외한 목표. 마오는 해외 기술과 아이디어를 모두 배척. 미국이 대중국 반도체 설비 금수조치를 취하기는 했는데, 그 전에
마오는 중국이 미국산 반도체 장비 못 사게 이미 엠바고 때림 ㅋㅋ 심지어 마오는 전자제품은 태생적으로 반-사회주의적이라고
생각해서 탄압.
문화대혁명하면서 그나마 남아있던 한 줌의 과학기술과 과학자도 멸종시킴. 문혁을 경험한 중국 과학자들은 논물을 개재하지도 않음. Research
publication은 공치사(self-glorification)한다고 여겼기 때문. 아무튼 중국이 희대의 자해쇼해준 덕분에 일본, 대만은 물론 한국까지
순번이 돌아옴.
중국 상황이 얼마나 골때렸냐면 1979년
중국은 반도체를 생산할 아무런 장비도 없었으며, 중국 전역에 컴퓨터가 1,500대도 안 됐음.
마오가 죽고, 다음해
덩 샤오핑이 권력을 잡으며 “과학기술” “four
modernization” 하면서 뒤늦게 과학 기술과 반도체 산업 역설.
중국 정부는 반도체에 필사적이었나 결과는 다 시원찮았음. 일본 NEC와 합작사 만들어주고 각종 특혜 몰아줬는데, 깍쟁이 NEC는 중국인들에게 허드렛일만 시키고, 핵심은 일본 기술자만 시킴. 외국투자 받아 상하이에 Grace Semiconductor라는 회사도 만들었는데 망함.
Richard Chang이
중국 반도체의 아버지. 1948년 난징에서 출생. 미국 이민
후 TI에서 Jack Kilby와 일함. Fab 전문가. TI 시설 미국,
일본, 싱가폴, 이태리 돌면서 다 돌려봄. Richard Chang은 외국 도움이나 정경유착 안하고 중국의 반도체 회사 만듬.
이 회사가 SMIC(Semiconductor
Manufacturing International Corporation). 전략은 TSMC가
했던 거 똑같이 따라하기. 중국정부는 대만정부가 TSMC에게
해줬던 것 똑같이 따라함. 직원 1/3은 해외에서 수입. 2000년 후반 드디어 세계와 기술격차 2년으로 좁힘. 2004년 뉴욕증시 상장
시진핑 나와서 일대일로하면서 반도체에 국가 역량 올인. 중국은 세계에서 가장 고도화된 AI 독재 감시국가임. 이것이 가능한 것은 Nvidia와 Intel 칩. 중국은 반도체 사는데 돈을 너무 많이 씀. 당연이 원유를 뛰어넘어 중국이 가장 많이 수입하는 상품 1위. 2017년에만 2600억불어치 반도체 수입했는데, 이는 사우디가 그 해 수출한 석유나, 독일이 그 해 수출한 자동차
수출액보다도 훨씬 큰 액수.
반대로 중국이 이렇게 반도체를 사니, 한국 수출의 15%(생각보다 작다..
와 국뽕돋는다 ㅠ) 싱가폴 수출의 17%, 말련
19%, 필리핀 21%, 대만 36%가 수출에서 반도체가 차지하는 비중.
중국은 미국 실리콘밸리의 질서에 일본, 한국, 대만, 네덜란드처럼
편입되지 않고, 미국을 대체할 반도체 생태계를 만드는 것이 목표. 중국은
지금까지 다른 산업을 접수한 전략을 그대로 반도체산업에 적용함.
중국의 반도체 굴기는 2016년
해외 반도체 의존도 85%를 2025년까지 30% 수준으로 낮추고 중국제로 대체
즉 1. 미친듯 돈을
붓는다. 2. 미국에서 공부한 과학자를 귀국시킨다. 3. 해외선도업체와
J/V하고 중국시장을 열어주는 대신 기술을 빼낸다. 4. 억만금주고
해외 핵심 인재 사온다.
근데 TSMC와 삼성이
붓는 돈의 양이라는 것이 중국이 그동안 도장깨왔던 여타 산업과 비교가 되지 않을 정도였음. 중국 공산당
정부도 매우 버겁. 돈지랄을 하면, TSMC와 삼성은 그거보다
더 빠르게 더 돈지랄 시전.
소프트뱅크의 Arm, IBM, AMD
등 영미 회사들이 2010년대 경영 어려웠을 때 중국에서 JV하며 핵심 기술 누출됐다는 의혹 받고 있음.
화웨이는 지적재산권 쌩까고 공산당의 비호아래 150억불씩 R&D 쓰면서 큰 기업. 이 정도 R&D비용 쓰는 회사 전세계에 Google, Amazon, Merk, Daimler, VW 정도 밖에 없음. 아무튼
화웨이는 IBM에 1999년 1년에 컨설팅비만 5천만불 줌. 2010년말 화웨이는 HiSilicon이라는
세계에서 가장 복잡한 스마트폰용 칩을 개발하고, TSMC에서 만들게 했는데, 이거로 화웨이는 단숨에 TSCM #2 고객 됨. (아 갤럭시는 하늘나라로 ㅠㅠ)
화웨이는 5G에서 정점에
있고, 이 5G라는 것이 차기 군사기술의 핵심 of the 핵심. 미국이 굉장히 불편해 하는 부분. 그래서 미국이 화웨이 짓밟음.
AI는 빅테이터가 중요한데, 중국은 13억의 테스트 배드가 있음. 쇼핑 습관, 얼굴 인식 등ㅋㅋ 13억
마루타로 개발해서 다른 어떤 나라도 상대가 되지 못함.
중국이 반도체 패권전쟁에서 미국보다 유리한 지점이 있다면, 모든 반도체 회사에게 미국 정부보다 중국이 훨씬 더 크고 중요한 시장.
물론 아직 미국과 그 동맹들의 반도체 기술 수준은 중국과 격차가
큼. 물론 화웨이의 5G 같은 것도 있지만 중국이 solar panel에서 미국을 몰아냈던 것처럼, 미국이 허망하게 중국에게
지지는 않을 것.
미국은 반도체 전쟁에서 실기를 함.
오바바 정부 때는 중국산 철강과 패널로 싸우고, 오바마 정부 종료 6일을 남기고 반도체의 심각성을 인지함. 다시 말해 오바마 정부의 핵심
관료 중 반도체 산업을 알고 있는 참모가 없었다는 말이기도 함. 그리고 트럼프 나오고 우왕좌왕 현재ㄲ자ㅣ..
패어차일드가 반도체를 시작하고, IT가
회로기판을 만들며 세상을 바꾼 이래, 모든 반도체는 미국의 의도대로 돌아 감. 지금까지 최초의 반도체 기술의 A-Z가 다 미국에서 나왔고, 미국이 점지하는 나라는 한국처럼 부흥했으며, 미국에 찍힌 나라는
일본처럼 사그라짐.
(물론 상당한 엄살이지만) 미국과 소련이 패권전쟁을 할 때, 최초의 인공위성도 최초의 우주인도
모두 소련의 성취임. 그래서 미국이 긴장하고 있고, 미국이
칩단 미사일 쏴서 걸프전 이긴 것 처럼. 향후 전쟁은 시스템전임. 이게
무슨 터미네이터 나와 싸운 다는 것이 아니라 사물인터넷 같은 거로 드론 같은 애들이 긴밀하게 공조한다는 거임.
반도체는 미국과 중국이 또 너무 얽혀있어서 이거 풀기가 정말 만만치 않음.
하지만 미국은 답을 찾을 것이다. 언제나 그랬듯이.
끝.
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