내로라하는 세계 디지털 대기업들이 반도체칩 개발 경쟁에 뛰어들었다. 클라우드서비스 시장을 선점한 미국 아마존과 중국 알리바바는 2021년 말 최신 5나노 공정의 서버 프로세서를 내놓아 반도체칩의 대명사인 인텔의 간담을 서늘하게 했다. 반도체에 제품 성능을 절대적으로 의존하는 스마트폰과 스마트 기기로 바뀌어가는 자동차로도 개발 열풍이 번졌다. 특히 미국의 제재에 부닥쳐 ‘반도체 독립’에 나선 중국에선 ‘실탄’이 넉넉한 대기업은 물론 스타트업의 개발 움직임이 활발하다. _편집자

장얼츠 張而弛 자이사오후이 翟少煇 <차이신주간> 기자

▲ 2021년 6월 애덤 셀립스키 아마존웹서비스 최고경영자가 스페인 바르셀로나 ‘모바일 월드 콩그레스’(MWC)에서 연설하고 있다. 아마존웹서비스는 2021년 12월 자체개발한 3세대 Arm 아키텍처 기반 서버 프로세서 그래비톤3를 공개했다. REUTERS

2021년 12월1일 아마존웹서비스(AWS)는 연례행사에서 자체 개발한 3세대 Arm 아키텍처 기반 서버 프로세서 그래비톤(Graviton)3를 공개했다. 5나노 공정을 적용한 제품이다. 애덤 셀립스키 최고경영자는 아마존의 반도체 자체 개발이 “클라우드컴퓨팅 업계의 게임 규칙을 바꿨다”고 말했다. 아마존보다 한 달 보름 앞서 중국 최대 클라우드서비스 기업 알리바바클라우드가 Arm 기반 서버 프로세서 이톈(倚天)710을 개발했다. 역시 5나노 공정을 적용했다.
아마존과 알리바바만 반도체 개발에 뛰어든 것이 아니다. 2021년 11월3일 텐센트는 우한에서 개최한 ‘2021 텐센트 디지털 생태계 서밋’에서 반도체칩 3종의 개발 현황을 공개했다. 그 가운데 인공지능(AI) 프로세서는 설계를 끝내고 시험생산을 진행할 수 있는 테이프아웃(Tape-out) 단계에 도달했다고 밝혔다. 12월2일에는 바이트댄스가 상하이에서 클라우드컴퓨팅 시장 진출을 선언하고 “자체 개발한 AI 반도체칩 설계가 곧 끝날 것”이라고 밝혔다. 이로써 중국의 3대 인터넷기업이 모두 반도체칩 개발에 뛰어들었다.
스마트폰 제조사의 반도체 개발 경쟁은 이미 과열 상태다. 애플, 화웨이, 삼성은 몇 년 전부터 자체 개발한 반도체칩으로 고급형 스마트폰 시장을 점령했다. 2021년 3월 샤오미가 이미지 프로세서 펑파이(澎湃)C1을 발표했다. 9월에는 비보(vivo)가 이와 비슷한 V1을 발표했다. 10월 구글이 공개한 신형 스마트폰 픽셀은 처음으로 퀄컴의 프로세서를 버리고 자체 개발한 5나노 공정 모바일 프로세서 ‘텐서’(Tensor)를 탑재했다.

▲ 아마존웹서비스 추격에 나선 알리바바클라우드가 2021년 10월 5나노 공정을 적용해 개발한 Arm 기반 서버 프로세서 이톈710. 알리바바클라우드 누리집

개발 열풍
12월14일 오포(OPPO)는 대만 반도체 위탁제조사(파운드리업체) TSMC (臺積電)의 6나노 공정을 적용한 AI 반도체칩 마리실리콘(Marisilicon)X를 공개했다. “하드웨어 제조 분야의 기술 수준과 경험은 결국 반도체칩 형태로 나타난다.” 레이쥔 샤오미 창업자는 “샤오미가 한 걸음 앞으로 나아가고 세계적인 기술 선도 기업이 되려면 반도체칩 개발 경쟁을 피할 수 없다”고 말했다.
다음 세대 스마트 단말기로 평가받는 자동차 분야에서도 반도체칩 개발 경쟁이 치열하다. 2019년 테슬라는 엔비디아를 버리고 자율주행 반도체칩을 개발했다. 중국 전기차 제조사 샤오펑(小鹏)과 웨이라이(蔚来, NIO)도 자율주행 반도체칩 개발에 들어갔다. 2021년 12월7일 시장조사업체 가트너는 2025년이면 세계 상위 10개 자동차업체 가운데 절반이 반도체칩을 개발할 것으로 예상했다. 사흘 뒤 지리자동차(吉利, GEELY)가 간접투자한 신칭커지(芯擎科技)가 우한에서 첫 스마트 콕핏(조종석) 반도체칩 룽잉(龍鷹) 1호를 공개했다. 7나노 공정을 적용했고, 7나노 공정 퀄컴 8155에 대항하는 제품이다.
리수푸 지리자동차 회장은 “지금은 자동차산업의 경계가 달라졌다”며 “자동차 경쟁의 핵심이 스마트화와 전동화이며, 그 핵심은 반도체와 운영체제”라고 강조했다. 지리자동차연구원 부원장을 지낸 선즈위 신칭커지 회장은 “애플과 화웨이의 성과가 증명하듯 직접 개발한 반도체가 있어야 세계 각국에서 잘 팔리고 비싸게 팔리는 제품을 만들 수 있다”고 말했다.
어느새 세계 과학기술 기업들이 모두 반도체칩 개발 경쟁에 합류했다. 반도체칩을 개발하지 않으면 기술 경쟁에서 밀리는 상황이 됐다. 가장 강력한 반도체칩 설계 능력을 보유한 미국이 이 흐름에 앞서 있다. 미-중 기술 경쟁에서 시스템 제조사를 더 많이 확보한 중국이 반도체칩 개발 열풍의 주요 무대가 됐다.
인공지능 성장도 반도체칩 개발 열풍을 이끌었다. 2018년을 전후해 기술기업들은 구글이 2016년에 출시한 오픈소스 소프트웨어 라이브러리 텐서프로세싱유닛(TPU)을 모방해 자사 인공지능 애플리케이션을 위한 맞춤형 클라우드 AI 반도체칩을 개발했다. 바이두는 2018년 쿤룬(昆仑)을 발표했고, 알리바바는 2019년 한광(含光) 800을 공개했다.
지금은 전용 AI 반도체칩 개발을 시도하는 수준에서 만족하지 않고 컴퓨터, 스마트폰, 서버, 자동차 등 다양한 단말기를 겨냥한 범용 반도체칩으로 확장하고 있다. 지금까지 의존했던 전통 반도체 제조사 인텔, 퀄컴, 엔비디아를 대체하려 한다. 외부 구매를 중단하고 자체 개발로 돌아선 기업은 무엇을 봤을까? 시스템과 단말기 제조사가 직접 반도체를 만들면 전통 반도체 제조사는 어디로 갈까? 지난 몇 년 동안 급증한 반도체 스타트업(초기 기술기업)이 시장에서 성장할 가능성은 얼마나 될까?

클라우드 경쟁
2021년 7월 말 알리바바가 대외비를 유지하며 1년 넘게 개발한 Arm 기반 서버용 프로세서 이톈710이 첫 테이프아웃을 끝냈다. 그 결과를 확인한 알리바바는 흥분에 휩싸였다. 10월 장젠펑 알리바바클라우드 스마트 사업부 사장 겸 다모위안(達摩院) 원장은 말했다. “이런 프로세서는 보통 두 차례 이상 테이프아웃을 진행해야 한다. 그러나 첫 작업 결과를 확인하고는 두 번째 시도가 필요 없다고 판단했다. 예상을 뛰어넘은 성과였다.”
알리바바가 Arm 기반 프로세서 개발을 결정한 것은 2019년이다. 알리바바 관계자는 “아마존을 의식했다”고 말했다. “AWS가 그래비톤을 만든 뒤 알리바바클라우드로선 ‘경쟁사엔 있는데 우리에겐 없는’ 난처한 상황이 됐다. 이는 고객사가 알리바바의 경쟁력이 약하다고 판단하도록 만들었다.”
2018년 11월 아마존은 첫 Arm 아키텍처 기반 서버 프로세서 그래비톤을 발표하며 가성비를 강조했다. 아마존은 당시 주류이던 인텔 x86 아키텍처의 CPU(중앙처리장치)보다 그래비톤에 기반한 클라우드서비스는 간단한 작업 처리 비용을 최대 45%까지 줄일 수 있다고 주장했다. 2019년 12월 아마존은 2세대 그래비톤2를 출시했고 16나노에서 7나노로 공정 수준을 끌어올렸다. 성능은 7배 더 나아져 다양하고 복잡한 작업을 처리할 수 있다. 중국에선 화웨이가 2019년 1월 Arm 기반 서버 프로세서 쿤펑(鯤鵬) 920을 출시했다. 중국 국내 12개 제조사와 함께 쿤펑 생태계를 육성하기 시작했다.
알리바바의 반도체칩 개발에는 강력한 자체 수요도 작용했다. 장젠펑 사장은 “고객이 클라우드컴퓨팅을 이용할 때 다중작업처리(Multi Thread)와 여러 작업을 동시에 하는 높은 병행성(High Concurrency)을 원하는 것으로 파악됐다”고 말했다. 하지만 시중의 서버용 프로세서는 클라우드용으로 설계하지 않았고, 동시 처리가 불가능한 단일 코어의 성능을 강조했다. 알리바바가 설계한 이톈 프로세서는 128코어를 탑재했다. 2022년 출시될 사파이어 래피즈(인텔)와 제노아(AMD)는 각각 최대 56코어, 96코어를 탑재할 수 있다. 아마존 그래비톤은 64코어를 탑재했다.
이톈이 처음부터 아마존 제품과 같은 출발선에서 경쟁할 수 있도록 알리바바는 과감하게 TSMC의 최신 공정을 적용했다. 장젠펑 사장은 “현재 5나노가 반도체 제조 분야에서 대규모 양산이 가능한 가장 앞선 공정”이라고 말했다. 인텔의 서버용 프로세서도 10나노 수준에 머물러 있고, AMD는 2022년 TSMC의 5나노 공정을 채택할 계획이다. 반도체업계에서 나노 숫자가 작을수록 선진 공정을 의미한다. 더 성능이 우수한 제품을 설계할 수 있다는 뜻이다.

▲ 2021년 6월 미국 뉴욕 시내 구글 제품 매장에 퀄컴 프로세서 대신 자체 개발한 5나노 공정 모바일 프로세서 텐서를 탑재한 신형 스마트폰 픽셀이 전시돼 있다. REUTERS

중국의 추격
아마존은 2015년 이스라엘 반도체칩 설계 업체 안나푸르나랩스를 인수하면서 반도체칩 사업을 시작했다. 알리바바는 2001년 설립된 항저우 반도체칩 설계 업체 중톈웨이(中天微)를 2018년 인수했다. 내부 사업과 통합해 핑터우거(平頭哥)반도체유한공사를 설립했다. 이후 AI 추론 반도체칩 한광, 리스크파이브(RISC-V) 아키텍처의 CPU 쉬안톄(玄鐵), 전자태그(RFID) 반도체칩 위전(羽陣)을 발표했다. 클라우드에서 단말기까지 모든 분야의 제품을 개발한 것이다. 알리바바는 2017년 출시한 선룽(神龍) 클라우드 서버의 스마트 네트워크 인터페이스 카드(NIC) 반도체 X드래곤을 설계했다. 최근 시장에서 관심받는 DPU(데이터처리장치)다.
범용 반도체칩을 개발하려면 많은 인력이 필요하다. 알리바바는 이톈710 개발을 위해 여러 반도체 제조사에서 인력을 영입해 시행착오에 드는 비용을 줄였다. 첫 테이프아웃을 끝낸 이톈710은 내부 시험 적용을 거친 뒤 TSMC를 통해 양산에 들어갈 예정이다. 상업화까지 몇 개월 걸릴 전망이다. 장젠펑 사장은 “인텔, AMD, 엔비디아 등 기존 반도체칩 공급사와 계속 협력하길 바란다”며 “앞으로 상당 기간 자체 개발한 프로세서를 외부에 판매하지 않고 클라우드서비스 형태로 지원만 할 계획”이라고 말했다.
텐센트와 바이트댄스의 반도체칩 개발은 아직 초기 단계다. 대략 알리바바의 2019년 수준이다. 주로 AI와 DPU 등의 전용 반도체칩을 공략하고 있다. 텐센트는 2020년 반도체칩 개발에 주력하는 펑라이(蓬萊)실험실을 설립해 세 가지 제품을 개발한다. AI 추론 반도체칩 쯔샤오(紫霄)는 시각 데이터를 분석하는 컴퓨터 비전 가속기와 동영상을 부호화하고 재생하는 코덱 가속기를 내장했다. 주로 이미지와 동영상 처리 용도로 사용된다. 테이프아웃과 시험을 거쳐 양산에 들어갈 예정이다. 실시간 비디오 재생을 위한 트랜스코딩 반도체칩 창하이(滄海)와 스마트 NIC 쉬안링(玄靈)은 개발 중인 것으로 보인다.
탕다오성 텐센트클라우드 스마트 사업군 최고경영자는 “텐센트의 반도체칩 분야 투자는 수요가 견인한 것이며, 텐센트가 직면한 문제를 해결하기 위해서”라고 말했다. 예를 들어 텐센트와 고객사에서 의료, 교육, 인터넷 생방송 등의 오디오·비디오 처리 비중이 늘어나 많은 컴퓨팅 자원을 사용한다. 텐센트는 창하이를 개발해 오디오와 비디오의 압축·재생 작업을 효율적으로 지원하길 기대했다.
텐센트보다 늦게 움직인 바이트댄스는 2021년 개발팀을 구성해 AI 칩과 DPU에 집중했다. AI 칩은 곧 테이프아웃 단계를 마칠 것으로 알려졌다. 기술 개발을 책임진 양전위안 바이트댄스 부사장은 “인터넷업체가 반도체칩 개발을 시작한 것은 모든 분야가 급변하고, 반도체 제조사보다 인터넷업체가 신규 수요를 빨리 파악하기 때문”이라고 말했다.
알리바바, 텐센트, 바이트댄스 모두 DPU를 개발하는 것은 급변하는 시장 상황을 설명해준다. 개별 서버는 CPU를 중심으로 작업을 처리한다. 하지만 클라우드서비스 업체의 대규모 데이터센터에서는 데이터가 각 서버를 넘나들어야 한다. 네트워크 인터페이스를 DPU로 바꾸면 데이터가 이동하기 전에 처리할 수 있다. 회사 입구에 안내데스크를 마련하는 것과 같다. CPU의 부담을 덜어주고 더욱 중요한 작업을 처리하도록 돕는다. 양전위안 부사장은 “하드웨어 변화 속도가 빠른 분야와 애플리케이션에 대한 투자를 늘릴 것”이라고 말했다.
외부 반도체 제조사와의 분업에 대해 양전위안 부사장은 “어떤 기술의 수요 파악이 중요하다면 애플리케이션 업체가 통합 처리하는 것이 효율적이지만, 범용성이 강하고 규모의 효과가 크다면 외부 반도체 제조사가 맡는 것이 적합하다”고 말했다. “인터넷업체가 반도체를 개발하는 것은 경쟁력과 가성비를 단계적으로 높이기 위해서다. 기술이 일정 단계까지 발전하면 점차 플랫폼으로 바뀌어 인터넷업체가 외부 반도체 공급 업체를 포용할 수도 있다.”

▲ 2021년 11월 중국 우한에서 제3회 텐센트 디지털 생태계 서밋(DES 2021)이 열렸다. 텐센트는 2020년 펑라이실험실을 설립해 AI 추론 반도체칩 등 세 가지 제품을 개발한다. 텐센트 누리집

스마트폰 칩
클라우드서비스 기업이 반도체칩을 개발하는 것은 클라우드컴퓨팅이 전통 컴퓨팅 시스템을 바꾸고 있기 때문이다. 반면 스마트폰 업계의 반도체칩 개발 열풍은 치열한 시장경쟁에서 비롯했다. 시장조사업체 IDC 자료에 따르면 2021년 3분기 부품 공급 부족 사태의 영향으로 세계 휴대전화 출하량이 전년 동기 대비 6.7% 줄었다. 중국정보통신연구원 자료를 보면 중국 국내 휴대전화 출하량도 2021년 4월부터 하락세를 보였다. 7월, 10월, 11월에만 늘었다. 휴대전화 업계는 성장 정체 상태에서 경쟁이 과열되는 단계로 진입했다.
다른 변수는 화웨이다. 2020년 하반기부터 미국이 화웨이에 대한 5세대(5G) 반도체칩 공급을 중단하자 한때 중국 시장의 절반을 차지했던 화웨이의 시장점유율이 크게 떨어졌다. 샤오미·오포·비보가 화웨이가 떠난 자리, 특히 고급형 스마트폰 시장에 눈독을 들였다. 그러나 1년이 지난 뒤 고급형 스마트폰 수요는 대부분 애플이 가져갔다. 중국 브랜드의 수확은 많지 않았다.
애플은 스마트폰 시대를 견인하는 기준이 됐다. 자체 개발한 반도체와 운영체제를 통해 경쟁사보다 뛰어난 사용자 경험을 제공했다. 화웨이는 2006년부터 모바일 프로세서를 개발했다. 2009년 110나노 공정을 적용한 1세대 애플리케이션 프로세서(AP) K3V1을 출시했다. 여러 해 동안 세대교체를 거쳐 2014년 출시한 치린(麒麟)이 업계의 인정을 받았다. 이후 화웨이는 자체 개발한 모바일 프로세서를 앞세워 세계시장을 공략했다. 한때 시장점유율이 삼성을 넘어 세계 1위를 차지하기도 했다.
구미 지역 고급형 스마트폰 시장에서 화웨이의 빈자리를 차지하기 위해 구글은 스마트폰 투자를 늘렸다. 2021년 10월19일 구글이 발표한 픽셀6 시리즈 스마트폰은 자체 개발한 시스템온칩(SoC·한 개의 칩에 완전 구동이 가능한 제품과 시스템이 들어 있는 것) ‘텐서’를 장착했다. 텐서는 5나노 공정을 적용했다. CPU, GPU, 구글 맞춤형으로 제작한 TPU 등이 내장돼 AI 알고리즘 처리를 담당한다.
반도체칩 업계 관계자는 “스마트폰 제조사가 반도체칩 개발에 주력하는 이유는 제품 경쟁력을 높이려면 핵심 기술의 뒷받침이 필요하기 때문”이라고 말했다. 스마트폰에선 시스템 엔지니어링의 핵심인 SoC를 확보한 뒤 외부에서 구매한 다른 부품을 사용하면 생태계를 안정적으로 유지하고 차별화된 경쟁력을 확보할 수 있다. 자체 개발한 SoC가 있으면 스마트폰 제조사가 퀄컴, 미디어텍 등 외부 기업에서 반도체칩을 구매할 때 가격협상력을 갖는 데도 도움이 된다.
그러나 모바일 SoC 개발은 쉽지 않다. 반도체칩 업계 관계자는 “몇 세대 이상 검증과 개선 과정을 거쳐야 모바일 프로세서가 성숙한 수준에 오를 수 있다”고 지적했다. 특히 최근에는 업계 기술이 5나노와 4나노의 교차점에 있어 공법의 연계가 중요해졌다.
자체 개발은 특허 문제를 낳을 수도 있다. 특히 통신단말기의 아날로그 신호를 변조 없이 전달하는 기저대역(베이스밴드) 프로세서 분야에서 두드러진다. “베이스밴드 기술은 이미 성숙한 수준이다. 특허 포트폴리오를 구축한 상태다.” 업계 관계자는 “기술을 개발하려면 특허 문제를 피할 수 없다”며 “인수나 합병 없이 맨손으로 시작하려면 매우 힘들 것”이라고 말했다.

ⓒ 財新週刊 2022년 제2호
芯片混戰
번역 유인영 위원