산업부, 시스템반도체 산업 경쟁력 강화방안 발표

산업부는 4차 산업혁명의 도래로 기술(공급)·시장(수요)·생태계 측면에서 반도체 산업의 경쟁요인이 급속히 변화함에 따라, 시스템반도체 산업 선도국으로 도약하기 위해 ▲ 저전력·초경량·초고속 반도체 설계기술 확보 ▲ 반도체 수요·공급 협력 ▲ 반도체 설계·생산 컨소시엄 구성 등을 위한 정책과제를 제시했다.

4차산업혁명에 따른 반도체산업 ‘맑음’

2015년 세계 반도체산업은 3,473억 달러 규모로 PC, 스마트폰 등 수요산업의 성장에 맞춰 메모리, 시스템반도체로 분화돼 발전했다. 분야별로 메모리는 807억 달러, 시스템반도체는 2,050억 달러, 개별소자는 615억 달러 규모를 형성했다. 

정보를 저장하는 반도체인 메모리의 경우, 우리나라가 57.7%를 점유하고 있으며, 주력제품인 D램은 2000년대 치킨게임을 거쳐 시장이 독과점 체계로 정착됐다. 

시스템반도체는 정보연산, 신호증폭 등의 기능을 가진 반도체로, 미국이 세계시장의 68.8%를 점유하고 있다. 상위 10개 기업이 전체 시장의 60%를 점유하고 있으나 시장규모가 크고 다양한 제품 및 복잡성으로 절대강자가 없는 구조다. 자동차는 NXP(네덜란드), 인피니언(독일), ST마이크로(스위스), AP는 퀄컴(미국) 삼성전자(한국), 미디어텍(대만), 전력은 TI(미국), 미쓰비시(일본) 등이 강세를 보이고 있다. 

이러한 반도체산업은 글로벌 경기상황, PC, 스마트폰 등 수요시장의 트렌드에 따라 업황이 좌우된다. 일례로, PC, 스마트폰의 핵심반도체인 메모리는 2000년대 중반 PC 성장시기, 2010년대 초반 스마트폰 성장시기에 고성장률을 기록했다. 

4차 산업혁명으로 반도체 산업은 IoT, 빅데이터, AI 수요중심으로 성장하고 있으며, 반도체 기술의 발전으로 시스템·메모리의 경계도 희석되고 있다. 

IoT 분야에서 웨어러블 디바이스 등 모든 사물의 연결을 위한 초경량 통신용 시스템반도체 및 센서 수요기 증가하고 있다. 가트너에 따르면, IoT 반도체 시장규모는 2015년 129억 달러에서 2020년 434억 달러로 연평균 29%씩 성장할 것으로 예측되고 있다. 

빅데이터를 보면, 데이터의 절대량 증가로 메모리 고효율이 강조되면서, 메모리 주요 수요처는 스마트폰에서 빅데이터(SSD)로 이동하고 있다. 가트너는 빅데이터 반도체 시장을 2015년 333억 달러에서 2020년 609억 달러로 연평균 13%씩 성장할 것으로 전망했다.

인공지능은 IoT, 빅데이터로 연결된 데이터를 처리하는 핵심분야다. 최근 메모리·시스템(연산)이 통합된 병렬처리 방식의 두뇌 모방형 반도체가 등장하고 있다. 가트너는 인공지능 반도체 시장도 2015년 74억 달러에서 2020년 182억 달러로 연평균 20%씩 성장할 것으로 예측했다. 

IC Insight는 앞으로 반도체 시장은 IoT, 빅데이터, AI 분야 시스템반도체를 중심으로 2015년 3,473억 달러에서 2020년 4,465억 달러로 연평균 5%씩 성장할 것으로 내다봤다. 

▲ 그림 1. 세계 반도체 산업 현황

시스템반도체 ‘기술, 시장, 생태계’ 大변혁 

최근들어 글로벌 시장을 보면 시스템반도체 산업의 3대 핵심 경쟁요인이 변화하고 있다. 

기술에서 두뇌모방형칩 등 신개념의 반도체가 등장하고 있다. 현재 발열 및 간섭문제 등으로 무어의 법칩이 따른 발전에 한계가 도달했다는 것이 업계의 중론이다. 즉, 데이터 용량과 처리속도가 늘어나면서 전력소모량이 최대 난제다. 

이에따라 저전력을 목표로 ▲초고속 두뇌모방형 반도체 개발 ▲초경량 설계 기술 고도화 ▲신소재 상용화 등으로 핵심 기술이 변화되고 있다. 

초고속을 실현하고 위해 집적화 기반의 컴퓨팅 구조의 한계를 극복하고 인공지능 알고리즘 구현에 적합한 두뇌 모방형(뉴로모픽) 반도체가 등장했다. 초경량을 위해 시스템반도체·메모리·센서 등을 하나의 칩으로 통합(One-Chip) 할 수 있는 설계기술을 고도화하고 있다. 기존 실리콘 기반 전력 반도체에서 나타나는 에너지 손실을 최소화 할 수 있는 SiC, GaN 등 신소재 반도체의 상용화에도 힘을 쏟고 있다. 

시장은 기존의 PC, 스마트폰에서 새롭게 수요 창출 능력이 높은 IoT, 자율주행차로 이동하고 있다. 현재는 스마트폰 시장을 선점한 기업이 세계시장을 주도하고, 소수품목 의존도가 높아 경기상황에 따라 업황에 좌우되는 상황이다. 

앞으로는 IoT, 빅데이터, AI 활용 新수요 창출능력이 중요 경쟁력으로 작용할 전망이다. IoT 영역에서 웨어러블 디바이스, 스마트가전, 스마트공장 등 모든 사물에 응용 가능한 플랫폼(반도체+센서+통신)형태의 반도체가 등장하고 있다. 미래자동차의 경우, IoT, 인공지능 기술의 결정체인 자율주행 및 에너지효율을 극대화한 파워반도체 등 자동차 분야 반도체 시장이 성장하고 있다. IHS에 따르면, 차량용 반도체 시장은 2015년 300억 달러에서 2020년 433억 달러로 연평균 7.6%씩 성장할 전망이다. 

기술, 시장에 이어 생태계 역시 소품종 대량생산에서 다품종 소량생산으로 서비스 산업화가 이뤄지고 있다. 현재 반도체 산업 생태계는 투자비용 절감 등을 위해 설계(팹리스),생산(파운드리) 분업화, 대량생산 구조의 형태를 띄고 있다. 설계 는 퀄컴이 생산은 TSMC가 담당하는 구조다.

앞으로는 응용분야 확대로 다품종·소량생산 물량의 증가, 지금의 대량 생산구조에 소량 생산을 매칭시킬 서비스 시장이 성장할 전망이다. 설계 서비스 전문회사인 디자인하우스는 설계기업의 다품종·소규모 물량을 취합하여 생산 전문기업의 대량생산체계에 적용하는 구조다. 디자인하우스는 반도체 생산을 위한 설계재배치 등 설계지원서비스 전문회사를 말한다. 

▲ 그림 2. 반도체 시장 변화

▲ 그림 3. 시스템반도체 산업의 3대 핵심 경쟁요인의 변화

▲ 그림 4. 반도체 응용범위와 발전단계

국내 메모리 경쟁력 ‘최고’ 시스템반도체 ‘미흡’

국내 반도체산업은 공급기업과 수요기업 간의 미스매치로 반도체산업의 성장 정체기를 보내고 있다. 이에따라 장기 투자 및 높은 신뢰도가 요구되는 자동차 분야 등은 반도체 대기업과 완성차업계 간 융합 얼라이언스 구축이 필요하다. 또한, 시장변화가 빠른 IoT 분야는 중·소 설계기업이 중국, 인도 등 유망시장을 중심으로 외연 확대가 필요하다.  

국내 반도체 기술은 세계 최고 공정기술을 보유하고 있지만, 설계기술은 미흡하다. 메모리는 공정기술의 핵심으로 국내기업이 세계시장의 57.7%를 점유하고 있다. D램은 세계시장의 73%를 점유하고 있으며, 월등한 공정기술, 생산능력으로 타국가와 기술 및 점유율 격차를 확대하고 있다. 낸드는 D램과는 달리 과점체계로, 빅데이터(SSD) 수요확대에 따른 폭발적 성장이 예상되고, 기업 주도의 대규모 투자를 통해 점유율 경쟁중이다. 낸드는 삼성전자, SK하이닉스, 도시바, 샌디스크, 마이크론, 인텔 등 6개사가 경쟁중이다.

국내 시스템반도체는 저전력, 초경량 등 유망기술에 대한 설계기업 경쟁력은 미흡하다. 기초기술은 해외에서 이미 개발된 반도체 설계도면(IP)을 조합하여 반도체를 설계하고 있다. 설계인력의 절대적 부족과 대기업 치중으로 중·소 설계기업의 구인난은 지속되고 있는 상황이다. 반도체산업협회에 따르면, 반도체 연구개발 종사자 3만 8,000명 중 59%인 2만명이 대기업에 근무하고 있다.

시스템반도체 산업에서 국내기업의 이 시장 점유율은 4.3% 수준에 불과하다. 대기업 제외시 1% 미만이다. 2000년대 휴대폰 산업과 더불어 급격히 성장하던 국내 시스템반도체 산업은 스마트폰 시장 전환 실패로 성장은 정체돼 있는 상황이다. 가전, 스마트폰 분야 핵심기술을 기반으로 대기업과 협력한 일부 설계기업만 생존해 있다. 

수요기업의 경우, 국내에는 글로벌 수요기업인 가전·완성차업체 등이 있으나 대부분 외국산을 사용하고 있으며, 국내 반도체 산업과의 연계는 미흡하다. 특히, 자동차 반도체는 메모리를 제외하고 대부분 수입에 의존하고 있어 자율차 등 미래차 경쟁력 확보를 위해 반도체 기업과 연계가 필요하다. 

생태계 측면에서 국내 반도체산업은 설계/생산의 미스매치 및 창업단절로 요약할 수 있다. 국내 설계기업이 국내 전문 생산기업 이용률은 43%에 불과하다. 반도체 생산을 위한 공용 부품에 대한 설계도면(IP)은 글로벌 기업의 1/30 수준에 불과하다. 보유 IP수는 TSMC 3,175개, SMIC 532개, A사 120개, B사 30개 등이다. 종합반도체기업은 최고 수준의 설비를 보유하고, 글로벌 기업의 대량 수요에 집중하고 있으나. 중소 설계기업의 소규모 물량 지원에는 한계가 있다. 90년대 말 정부의 벤처기업 육성책에 따라 2000년까지 설계기업 창업이 급증하였으나 2010년 이후 감소 추세에 있다. 초기 개발비(8억 원 이상)에 대한 부담 및 위험증가로 창의적 아이디어의 실현에 한계에 봉착해 있다.

▲ 그림 5. 글로벌 네트워킹 시리즈

[정책 1] 저전력·초경량·초고속 시스템반도체 경쟁력 확보

이렇듯 글로벌 시스템반도체 산업은 기술, 시장, 생태계 등에서 다양한 변화가 일어나고 있기 때문에 열악한 국내 시스템반도체 업계 역시 이러한 변화에 적합한 경쟁력을 갖춰나가야 한다. 정부는 열악한 시스템 반도체산업의 경쟁력을 강화하기 위한 정책을 내놨다. 

기본 방향은 크게 3가지로, 4차 산업혁명에 따른 시스템반도체 분야 기술개발 총력지원, 메모리는 민간주도의 설비투자를 통해 시장점유율 확대, 설계·생산 협력체계 구축과 창업·성장 생태계 강화 등으로 요약된다. 

그럼 정부가 내놓은 시스템 반도체산업의 경쟁력 강화를 위해 내놓은 정책을 하나하나 들여다보자. 먼저 기술 부문에서 정부는 저전력·초경량·초고속 시스템반도체의 경쟁력을 확보한다는 전략이다. 4차 산업혁명에 따른 유망분야 집중지원으로 기술 경쟁력을 확보하겠다는 것. 

이를 위해 ▲설계 ▲인력양성 ▲소재·공정 분야에 민관 합동으로 2,598억 원을 투자할 계획이다. 세부적으로 설계 부문에서 우리의 강점인 자동차, 스마트폰, 메모리 기술을 활용하여 미래 유망시장에 필요한 低전력·超경량·超고속 반도체 개발에 힘을 쏟을 방침이다. 저전력 구현을 위해 신소재 기반 파워반도체 원천기술개발 및 자동차 업계 등 수요기업과 연계를 통한 상용화를 추진할 계획으로, 올해 70억 원, 2013년까지 약 837억 원의 예산을 편성했다. 여기서 말하는 신소재의 경우, SiC 등 화합물 반도체는 기존 Si 대비 에너지손실(스위칭손실)을 최대 90% 감소하는 것으로 알려지고 있다. 

다음으로 초경량 구현을 위해 웨어러블 디바이스 등 IoT 기기에 공통 활용 가능한 공용 설계(IP) 미세화 및 경량 SoC 개발이 추진된다. 올해 293억 원이 투입되며, 2021년까지 총 1,326억 원을 쏟아부을 예정이다. 

초고속 구현을 위해서는 두뇌 모방형칩 초기단계인 메모리·프로세서 통합설계 등 초고속 반도체 설계기술 확보를 추진할 계획으로, 올해 47억 원의 예산이 투입된다. 

정부는 인력양성에도 초점을 맞추고 있다. 2020년까지 시스템반도체 개발 전문인력 총 2,880명을 양성할 계획으로, 올해 130억 원이 투입되는 지능형반도체, 임베디드 S/W 등 인력양성사업이 추진된다. 그리고, 대학·설계기업이 컨소시엄 구성하여 차량용 반도체 교육과정 신설 등 지능형 반도체 석사과정도 운영된다. 석·박사급 전문설계인력 양성을 위해 회로 설계부터 칩 제작까지 필요한 전주기적 실습교육도 지원한다는 계획이다. 아울러 전자, 의료기기 등 반도체 응용 산업분야 고용연계형 임베디드 S/W 전문인력 양성에도 주력할 방침이다.

정부는 정부·기업 공동투자(한국형 SRC)로 차세대 반도체 소재·공정 원천기술 개발에 올해  258억 원을 책정했다. SRC(Semiconductor Research Corporation)는 미국 정부와 기업이 공동으로 펀드를 조성, 대학에 반도체 관련 R&D를 지원하는 협의체를 말한다. 정부와 기업이 1:1 매칭으로 사업비 마련하고, 대학을 통해 소재·공정·장비 관련 주도적인 기술 확보 후 수요기업을 통해 사업화를 연계하도록 한다는 것이다. 

[정책 2] NAND 메모리 투자를 통한 공급능력 확대

정부는 NAND 수요 증가에 대응한 민간부문의 선제적 투자를 지원하고 규제를 완화한다는 방침이다. 우선 증가하는 낸드 수요에 대응하여 민간주도로 낸드 기술을 확보하고 대규모 투자를 통한 공급능력을 강화하도록 할 계획이다. 적기에 투자가 이행될 수 있도록 정부와 유관기관 합동 지원반이 운영된다. 산업부 산업기반실장을 반장으로, 한전·LH공사·도로공사·지자체 등 유관기관이 참여하는 형태다. 

[정책 3] IoT, 미래차 新수요 창출 위한 협업프로젝트 추진

IoT 개발 플랫폼 확산 및 자동차·반도체 융합을 통한 신시장 창출을 위해 협업프로젝트가 추진된다. IoT 산·학·연 협업프로젝트 및 글로벌 수요기업 초정 네트워킹 시리즈가 출범된다. 먼저 IoT의 경우, IoT 플랫폼 확산을 위한 산·학·연 협업프로젝트가 추진되는데, 삼성전자의 IoT 반도체 개발 플랫폼(아틱)을 교육기관에 개방해 국내 스마트융합제품 개발을 촉진할 방침이다. 플랫폼 공유 지원센터인 ‘전자 IoT 협업센터’를 중심으로 참여기업 수를 2017년에 300개로 확대할 계획이다. 

미래차 분야에서는 반도체·자동차 업계 간 협업을 통한 미래차 신수요 창출에 주력할 예정이다. 국내 ‘자동차 융합 얼라이언스’ 반도체 분과가 신설된다. 완성차, 부품사, 전자·전기, 통신 S/W전문기업 등 총 150여개 기업 참여하게 되며, 반도체·자동차 협업 프로젝트 발굴에서부터 기술개발 및 상용화 지원까지 담당하게 된다. 

해외의 경우, 자동차·가전 등 글로벌 수요 기업과 기술·구매 협력하는 전자부품 ‘글로벌 네트워킹 시리즈’가 출범했다. 지난 3월 자동차(BMW)를 시작으로 연 4회 가전, 헬스케어 등 글로벌 수요 기업을 초청해 국내 전자부품 기업·기술 소개의 장이 마련된다. 

[정책 4] 중국-인도 등 新시장 진출 지원

정부는 수요 연계형 R&D 등을 통한 중국, 인도 등 유망 시장 진출을 적극 돕겠다는 계획이다.  중국 수요 연계 기술개발 지원, 인도 시장개척단 파견 등에 47억 원의 예산을 책정했다. 

중국의 경우, 한·중 시스템 IC 협력 연구원(중국 심천)을 활용해 중국 수요 연계형 R&D, 공동 마케팅 지원 등을 추진하기로 했다. 올해 약 47억 원의 예산이 투입된다. 

이와함께 중국 스마트폰·가전 수요를 발굴해 국내 설계기업과 매칭 R&D를 지원하는 방안도 추진된다. 일례로, 국내 설계기업 J社는 중국 스마트폰 카메라 드라이버 및 터치 컨트롤러 개발하여 Lenovo, TCL 등에 납품 중국 시장 年 매출 200억 원을 달성했다. 

통신, 센서, 터치, 파워 등 국내 설계기업 제품들을 조합하여 양산이 가능한 레퍼런스 디자인을 구성해  중국 수요기업 대상 공동 마케팅도 이뤄질 예정이다. 대만의 미디어텍은 AP 및 통신칩 공급을 위해 양산이 가능한 스마트폰 레퍼런스 디자인을 설계, 스마트폰 제조기업에 제공하고 있으며, 세계 2위 AP·통신칩 기업으로 성장했다. 

인도에 진출하는 기업들에게는 차기 유망시장 선제적 진출을 위한 민간 협의채널 구축 및 기업 네트워킹을 지원키로 했다. 인도반도체협회에 따르면, 인도 반도체 시장은 2020년 528억 달러로 증가할 전망이다. 이 시장을 공략하기 위해 지난 4월 인도 시장개척단을 파견했고, 올 하반기 반도체 협회를 통해 기술 교류회가 추진된다. 

그리고 정부는 ‘수출 인규베이팅 사업’ 등 현지 진출 사업과 연계해 지원하기로 했다. 이는 수출지원기관(KOTRA) 등을 통해 사무공간 제공, 법인 설립 컨설팅 등을 지원하는 것이다. 

[정책 5] 설계·생산 서비스 체계 구축

정부는 속도감 있는 시장대응을 위한 디자인하우스를 활용한 반도체 생산 서비스 플랫폼을 구축키로 했다. 지난 3월말 다품종·소량생산 수요 대응을 위해 디자인하우스를 중심으로 설계·생산기업 컨소시엄(Virtual Fab)이 구성됐다. 디자인하우스는 여러 설계기업 소량생산 수요를 취합하여, 생산기업 공정 기술별 대량생산 체계에 적용하는 중간 매개체 역할을 수행하게 된다. 컨소시엄 정착을 위해 설계기업의 생산계획, 생산기업의 시제품 제작 일정, 공정기술, 보유IP 등 DB화가 지원된다. 

이와함께 정부는 반도체 설계·생산에 필요한 IP를 선별, 국내 생산기업에 보급키로 했다. 대기업 보유 유휴 IP(100개) 등을 KIPEX에 등록해 활용도가 높은 IP 선별하고 시제작 프로그램을 활용하여 생산기업에 연 2회 보급한다는 계획이다. KIPEX는 반도체산업협회 내 IP 유통지원센터로 現 672개의 IP가 등록돼 있다. 

[정책 6] 설계기업 성장의 연결고리 강화 

정부는 시스템반도체 성장 생태계 조성을 위해 창업·투자 인프라도 구축키로 했다. 설계 공용 LAB 구축, 반도체 성장 펀드 2,000억 원 투자 개시, M&A 지원단 운영이 핵심이다. 

반도체 창업기업을 위한 공간, 설계툴 등 총력 지원된다. 연 1억 원 이상 설계 툴 등 창업 비용 절감을 위해 설계 공용 LAB이 구축된다. 창업 공간과 설계 프로그램, MPW 등 시제품 제작을 정례화하기로 했다. 

기업 성장에 맞춰 ① Start-up 컨퍼런스 → ②시제품 제작지원 → ③투자로드쇼 → ④ 해외진출 지원 등 단계별 맞춤 지원이 시행된다. 마케팅 지원은 한중 시스템 IC 협력연구원과 연계한 중국, 인도 등 해외 진출이 지원된다.

성장의 측면에서 수요 대기업 및 정책금융기관과 협력하여 약 2,000억 규모의  ‘반도체 성장 펀드’를 출범했고, 이를 통해 반도체 설계 기업 성장 지원에 만전을 기할 방침이다. 이 펀드는 삼성전자 500억 원, SK하이닉스 250억 원, 벤처캐피탈 매칭 등 1,250억 원 내외로 조성돼 있다. 

펀드는 창업, 기술·제품 개발 등 기업 성장단계에 맞춰 투자하게 되며, IoT, 자율차, AR/VR 등 반도체 응용 신성장분야에도 투자가 진행될 예정이다. 

유망 설계기업의 再투자 및 유망분야 신속 진출을 위한  ‘M&A 지원단’ 운영 및 M&A 자금 지원도 추진된다. 반도체펀드 사무국 내에 창투사 임원 등으로 지원단을 구성하여, 중개기관 정보제공, M&A 절차 등을 안내받을 수 있도록 할 예정이다. 

반도체 성장 펀드 중 약 400억 원을 M&A 분야에 투자, 중소 설계 기업의 대형화 지원에 쓰일 예정이다. 

▲ 그림 6. 한중시스템IC협력연구원의 역할

김진희 기자 (jjang@hellot.net)