(산업정리) 반도체 산업1

엔비디아, 삼성전자, SK하이닉스, TSMC 등등 주식관련 뉴스를 보면 가장 많이 나오는 얘기가 반도체 아닐까 싶다

DRAM은 뭐고 NAND는 뭐고 GPU는 뭐고, 용어부터 어지러운데 이해하기 쉽게 정리해보았다.

반도체 산업을 시작으로 산업별로 쉽게 정리하는 콘텐츠를 올려볼까 한다

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1. 반도체가 무엇이지?

 

반도체산업이라는 단어부터 사실 이질감이 느껴진다. 도체, 부도체 그리고 반도체할 때의 반도체인데 이게 어떻게 산업이라는 거지? 라는 생각이 든다.

물질의 성질이 어떻게 산업을 나타내게 되었을까?

 

 - '반도체(Semiconductor)"는 반(Semi)과 도체(Conductor, 전기가 통하는 물질)의 합성어이다

 - 즉 전기가 완전히 통하는 도체(ex 구리)도 아니고, 

 - 아예 전기가 통하지 않는 부도체(ex 고무, 유리)도 아닌 그 중간 쯤에 있는 물질이다

 - 상황에 따라서 전기를 통하게도 하고, 차단하게도 할 수 있는 물질이다.

 - 그러한 물질을 어떻게 만들까?

 - 실리콘에 불순물을 섞어서 전기의 흐름을 조절할 수 있는 반도체를 만들어 낼 수 있다.

 

2. 전기의 흐름을 통제하는 게 무슨 의미인데?

 

 - 이러한 성질은 전기가 흐를 경우 "1", 흐르지 않을 경우 "0"으로 두가지 상태를 표시할 수 있게 해준다

 - 우리 앞에 전구가 2개 있다고 생각해보자. 이 전구를 껐다 켬으로써 총 4가지의 싸인을 만들 수 있다.

 

예를 들면, 둘다 off면 "배불러", 왼쪽 1개만 on이면 "아침먹자", 오른쪽 1개만 on이면 "점심먹자", 둘다 on이면 "저녁먹자" 와 같은 약속을 만들어낼 수 있는 것이다.

 

 - 즉 반도체 성질을 가진 트랜지스터(위 예시에서 전구)라는 것을 통해, 0과 1로 이루어진 이진법을 사용하여 우리는 어떠한 정보를 나타내고 저장할 수 있게 된다 (ex A라는 알파벳을 01000001 로 기억하게 해두고, 0100001이라는 신호를 주면 A가 표시되게 만듦)

 - 트랜지스터에 "저장"한다는게 도대체 무엇일까? 0 또는 1이 1비트(bit)라는 용량단위로 표시하며, 위 0100001 신호는 총 8bit = 1바이트(byte)의 용량을 차지한다고 표현한다. 이게 쌓여서 메가바이트(MB), 기가바이트(GB) 등이 되는 것이다. 저장의 종류는 전기가 들어올때만 저장했다가 전기가 사라지면 지워버리는 것이 RAM과 같은 것이고, 전원이 꺼져도 계속 저장되는 것이 플래시메모리라고 보면 된다.

 

 - 저장에서 더 나아가 연산까지 할 수 있다. 일종의 논리(알고리즘)을 주는 것이다. 

 

예를 들면, 숫자 1(이진법 01) + 2(이진법 10) = 3(이진법 11)이라는 연산을 위해서, 오른쪽 부터 컴퓨터에세 규칙을 정해주는 것이다.

오른쪽 첫번째 자리에서 숫자가 동일하면 0을, 다르면 1을 출력해 (위 예시에서 1과 0이니 결과 값으로 1이 출력)

오른쪽 두번째 자리에서 숫자가 동일하면 0을 산출(올림 1도 산출), 다르면 1을 출력해(위 예시는 0과 1이니 1이 출력)

결과적으로 11이 나와서 숫자 3으로 인식

 

 - 이러한 반도체물질(트랜지스터)의 응용력으로 저장 및 연산이 가능해졌음

 - 실리콘 같은 물질을 통해 아주 작고 복잡하게도 만들 수 있기 때문에

 - 트랜지스터를 수십억개 응축해 쌓아 올린 "칩"이 현대 전자기기의 핵심부품이 되었음

 - 즉, 반도체 성질을 가진 "칩"의 설계 제조산업과 이를 지원하는 소재 장비산업을 통틀어서 '반도체'산업이라고 불리게 됨

 - 흔히 삼성반도체, 인텔반도체라고 부르면, 과학시간에서 언급하는 '반도체물질'을 의미하는 것이 아니라 그 성질를 이용해 만든 '고성능 칩'을 의미하는 것

 

 

3. 트랜지스터는 무엇인가

 

 - 트랜지스터는 3가지 부분으로 구성됨

 - 전자가 들어오는 수도꼭지 역할의 "소스"

 - 전자가 나가는 배수구 역할의 "드레인"

 - 전자의 흐름을 조절해주는 밸브역할 같은 "게이트"

 

 - 애국가 영상을 볼 때마다 나오는 동그라미 모양의 반짝반짝 빛나는 판을 본 적이 있을 것이다

   (이게 웨이퍼인데, 이 얇은 판위에 수십억개의 트랜지스터를 새긴다)

 - 우선 순도 높은 실리콘을 얇고 둥글게 잘라서 웨이퍼를 만든다

 - 트랜지스터를 아주 작게 만들기 위해서 빛에 반응하는 화학물질(포토레지스트)를 바르고 그 위에 마스크(설계도)를 통해 자외선을 쏴서 패턴을 찍는다. 이를 통해 소스, 드레인, 게이트의 위치를 정확히 잡아둔다고 생각하면 된다(식각 과정)

 - 그 위에 불순물을 주입한다(도핑 과정)

 - 붕소(B)를 넣어서 양공(양전하)이 많아지게, 인(P)을 넣어서 전자(음전하)가 많아지게 만든다

 - 즉 소스와 드레인을 N혹은 P로 도핑해서 전자가 이동하도록 만든다

 - 트랜지스터를 층층이 쌓고 배선으로 연결, 그 후 칩 단위로 잘라서 패키징한다

 

(위 순서는 제품에 따라 다르게 구성될 수 있다고 한다. 제조공정은 업이 아니라서 지식범위 밖이므로 자세한 사항은 주변 삼성전자나 SK하이닉스 친구에게 물어보면 좋을 듯 하다)

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4. 산업 분류, 제품군, 주요 기업

 

이번 콘텐츠에서는 반도체산업 중 소재장비와 같은 지원산업은 제외하고 보겠다

 

반도체산업의 주요제품은 크게 3가지 메모리칩, 프로세싱(로직)칩,  기타(아날로그 등)로 분류할 수 있다. 이 중 프로세싱과 메모리가 전체 시장에서 65%를 차지한다.

빨간글씨가 중요한 제품군이며, 괄호안은 전체 반도체제품군 대비 차지비중을 의미(SIA보고서 24년말 기준)

반도체 제품군 (24년말)	메모리 반도체	약 26% 비중 (1.7천억달러)	휘발성 - DRAM(15%), SRAM
			비휘발성 - NAND Flash(10%), NOR Flash
	프로세싱(로직) 반도체	약 39% 비중 (2.5천억달러)	CPU(20%)
			GPU(10%, 성장중)
			DSP
			ASIC
	기타	약 35% 비중 (2.1천억달러)	아날로그 칩(15%)
			혼합/기타 - SoC(10%), 센서칩 등
	총합	총 6.3천억 달러규모 (한화 880조원)

 

쉽게 비유하자면, DRAM은 책상에 펼쳐놓은 책, NAND는 책장에 꽂아둔 책, CPU는 책을 읽고 계산하는 뇌, GPU는 그림을 빠르게 그리는 화가, 아날로그는 소리와 빛을 느끼는 감각기관, SoC는 뇌+화가+노트를 하나로 합친 로봇

 

1) DRAM (Dynamic Random Access Memory)

 - 동적으로 새로고치며 어디든 빠르게 접근 가능한 메모리

 - 컴퓨터, 스마트폰 등이 실행중인 프로그램과 데이터를 임시로 저장하는 휘발성 메모리 (전원 꺼지면 사라짐)

 - 빠른 읽기/쓰기로 작업메모리에 필수, 전력소모 큼

 - AI, 데이터센터 수요로 HBM과 같은 고성능 DRAM이 각광받는 중

 - 세부 분류(괄호 안의 숫자는 DRAM에서 차지히는 시장비중)

DDR (Double Data Rate) (40%)	아이폰1,2 처럼 세대를 거듭할 수록 성능이 향상되듯이, DRAM에도 세대개념이 존재한다 DDR1(2000년)을 시작으로 현재는 DDR4, DD5가 주로 사용되고 있다. 세대가 올라갈수록 속도/효율/대역폭이 개선된다 DDR4 : 일반 PC, 노트북용  DDR5 : 최신 고성능 PC, 서버용
LPDDR (Low Power DDR) (35%)	저전력 DDR 스마트폰, 태블릿, 웨어러블기기 등 소형 가전에 사용됨 LPDDR1(2000년)을 시작으로 LPDDR4, LPDDR5가 사용되고 있다
HBM (High Bandwidth Memory) (15%, 고속성장중)	DRAM을 적층하여 만든 고대역폭 메모리(왕복 16차선 고속도로를 생각하면 된다) 고속으로 대용량의 데이터를 전송할 수 있어 AI 및 딥러닝 등에 사용된다 HBM3와 이를 개선한 HBM3E가 주력이며, 현재 HBM4가 개발되고 있다
GDDR (Graphics DDR) (10%)	GPU, 게임콘솔, AI가속기 등에  사용되는 DRAM, 영상 및 그래픽 처리에 최적화 GDDR6, GDDR7이 주로 사용됨

 

 

2) NAND Flash

 - 논리 게이트의 "Not AND"에서 따옴. 메모리 셀 구조가 NAND게이트처럼 연결되어 있어서 붙은 이름

 - Flash는 데이터를 빠르게 지우고 쓸수 있는 방식이라는 뜻

 - SSD, USB, 온디바이스 저장장치처럼 데이터를 비휘발성으로 오래보관(전원 꺼저도 유지)

 - 대용량저장, DRAM보다 느리고 저렴

 -  세부 분류 (괄호 안은 NAND에서 차지하는 시장비중)

SLC (Single-Level Cell) (1%)	셀당 1비트 가장 높은 성능, 높은 내구성, 가장 비쌈, 가장 낮은 저장밀도 산업, 의료기기, 항공에 사용
MLC (Multi-Level Cell) (5%)	셀당 2비트 SLC보단 낮은 성능 및 낮은 내구성, 저렴, 저장밀도 낮음 디지털카메라, PMP
TLC (Triple-Level Cell) (55%)	셀당 3비트 더 낮은 내구성, 더 저럼, 저장밀도 높음 SSD, 스마트폰, 노트북
QLC (Quad-Level Cell) (35%, 성장중)	셀당 4비트 가장 낮은 내구성, 가장 저렴, 저장밀도 제일 높음 데이터센터, 쿨라우드, AI 등 고속 성장중

참고로, 2D NAND, 3D NAND 용어는 공정과 관련된 것으로 다음 포스팅에 기재하겠다

 

 

3) CPU (Central Processing Unit)

 - 컴퓨터, 스마트폰, 서버의 "두뇌"

 - 명령을 받아 연산하고, 프로그램을 실행하고, 시스템을 제어함

 - 범용연산에 강력, 복합한 명령어 순차적처리

 - 세부 분류 (제품군이 아닌 사용군에 따른 분류)

데스크탑/노트북 CPU	인텔 Core i9 / AMD 라이젠9 등
서버/데이터센터 CPU	인텔 제온 / AMD 에픽 등
모바일 CPU	애플 A17프로 / 퀄컴 스냅드래곤 등
임베디드 CPU	소형 기기용 저전력 CPU

 

 

4) GPU (Graphics Processing Unit)

 - 그래픽 처리를 전문으로 하는 장치

 - 그래픽 렌더링(게임,영화), 병렬 연산(AI, 암호화폐)

 - 수천개의 코어로 병렬작업, CPU보다 특정연산은 더 빠름

 - AI학습과 추론, 고성능 컴퓨팅에 핵심 역할

 - 세부 분류 (제품군이 아닌 사용군에 따른 분류)

소비자용(게이머용) GPU	게임, 멀티미디어 랜더링 엔비디아 RTX / AMD 라데온 등
전문가용 GPU	3D모델링, CAD, 비디오 편집 엔비디아 쿼드로 / AMD 인스팅트 등
데이터센터 GPU	AI, 머신러닝, 과학 엔디비아 H100, 블랙웰 / AMD MI300 등
통합 GPU	CPU내장 경량작업용 인텔 Iris 등

 

 

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쓰다보니 너무 길어져서, 공정에 따른 분류 / 주요 제품별 플레이어 / 상기에서 언급되지 않은 아날로그, SoC 등은 다음 포스팅에 다시 분석해보도록 하겠다