Part2에 이어, Part3에서는 반도체 산업의 생태계와 반도체 8대 공정이 다루어진다.
내용이 길어서 본 글은 반도체 산업 생태계 먼저 정리해 보았다.
👇🏻👇🏻아래는 앞선 메모리반도체 정리 링크 ๑ᴖ◡ᴖ๑ 👇🏻👇🏻
진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업 - Part2 메모리반도체
👇👇2탄인 시스템반도체 편에 이어 이번엔 Part2의 메모리반도체 편을 정리해보았다.👇👇😉😊 진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업 - Part2 시스템반도체 진짜 하루만에 이해하는 반도체 산업
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설계 단계
1. IP기업(칩리스 기업)
특허 (IP : Intellectual Property)를 제공하고 그 대가로 로열티(사용료)를 받는 기업을 IP 기업이라고 한다. IP 기업은 설계에 대한 특허만 제공하기 때문에 자신들의 브랜드로 된 완제품이 없다. 그래서 IP 기업을 칩리스(Chipless) 기업이라고 부른다.
IP를 구매한 기업은 최적화된 IP를 활용해 전체 제품을 설계하는 데 걸리는 시간을 단축하고, 검증된 설계를 사용하기 때문에 설계 오류를 줄일 수 있다. 해당 특허가 기술의 표준이 되었을 때에는 "프랜드 (FRAND : Fair, Reasonable, And Non-Discriminatory) 선언"에 입각해 라이선싱을 하도록 독려하고 있다. 대표적인 IP기업으로는 ARM, 시놉시스, 케이던스가 있다.
ARM은 AP에 활용되는 저전력 산술 논리 유닛인 코어의 설계에 특화된 IP기업이다.
40년 가까운 업력을 가진 회사로 애플, 퀄컴, 미디어텍 등 AP를 만드는 대부분의 회사들이 ARM의 IP를 기반으로 AP를 설계하고 있다. 시놉시스와 케이던스는 반도체 칩 설계에 사용하는 전자 설계 자동화 프로그램은 EDA를 중심으로, IP라이선싱 사업도 함께 진행하는 회사이다.
2. 팹리스 기업
반도체를 설계하는 기업. 이 과정에서 IP 기업으로부터 IP를 구매하기도 하고, 자체 제작한 IP를 사용하기도 한다. 최종 설계 도면이 완성되면 제조를 전문으로 하는 파운드리 기업에 넘긴다. 이후 파운드리 기업에 넘긴다. 이후 파운드리 기업이 설계 도면을 바탕으로 반도체를 생산하면 , 해당 반도체에 자사의 브랜드를 붙여 판매한다. 이처럼 팹리스 기업은 기획(설계)하고, 판매하는(판매 및 유통) 역할만 하고, 나머지 (제조, 테스트 및 패키지)는 모두 외주로 맡겨서 진행한다.
대표적인 기업은 애플. 애플은 자사 제품에 사용할 반도체의 설계를 직접 하지만 제작은 파운드리 기업에 맡긴다. 애플 입장에서는 자사 제품에 사용할 목적 하나만으로 반도체 공장을 직접 운영하는 것이 큰 부담이기 때문이다. 팹리스 기업의 설계 역량은 매우 중요하다. IP들의 소비 전력, 발열량 등을 을고려하여 하나로 동작할 수 있도록 각 유닛들을 배치하고 전선으로 연결해 최종 설계 도면을 만들어야 한다. 팹리스 기업의 최종 설계 역량에 따라 반도체의 성능이 결정되는 것이다. 퀄컴, 미디어텍, 엔비디아, ARM, 애플 등이 있다.
3. 디자인 하우스
팹리스 기업이 설계 도면을 완성하면, 파운드리 기업이 설계 도면에 맞게 반도체를 제조한다.
이때 팹리스 기업과 파운드리 기업 사이에서 가교역할을 하는 곳이 디자인 하우스이다. 왜 중간에 필요한 것일까? 팹리스 기업이 파운드리 기업의 세부 공정 사항까지 모두 알기 어렵기 때문에 파운드리 공정 기업의 세부 공정을 잘 알고 있는 디자인 하우스가 팹리스 기업의 설계 도면을 파운드리 기업의 공정에 최적화하는 작업을 수행한다. *디자인하우스와 파운드리 기업은 기밀정보(공정 정보, 설계 자료 등)를 서로 공유한다. 이런 정보가 경쟁사에 노출되지 않도록 보통 디자인 하우스는 하나의 파운드리 기업과만 일을 한다.
팹리스 기업뿐만 아니라 파운드리 기업 입장에서도 디자인하우스가 필요하다. 파운드리 기업은 몇 개 되지 않지만, 팹리스 기업은 무수히 많다. 제조만 전문적으로 하는 파운드리 기업이 수많은 팹리스 기업의 요구 조건을 파악하고 일일이 대응하는 것은 현실적으로 어렵다. 그래서 디자인하우스가 이 역할을 대신한다. 대표적 기업은 거론할 수 없고, 개별 기업은 파트너십을 맺은 파운드리 기업의 웹페이지에서 확인이 가능하다.
제조 단계
1. 파운드리 기업
팹리스 기업은 계속해서 늘어나는 데 반해 반도체를 만들어 줄 파운드리 기업은 손에 꼽을 정도로 적다. 파운드리 기업이 반도체를 만들어주지 않으면 팹리스 기업은 원하는 반도체를 제때 출시할 수가 없다. 파운드리 기업이 주도권을 가질 수밖에 없는 환경이다. 슈퍼 을!
미세공정의 중요성. 설계 도면이 우수해도 그 설계대로 만들 수 없으면 노소용. 현재 10nm 이하의 미세 공정이 가능한 파운드리 리기업은 TSMC, 삼성전자 그리고 최근에 파운드리 사업에 뛰어든 인텔밖에 없다. 이 세 회사를 통하지 않고서는 최신 공정의 반도체를 만들기가 어렵다. 어떤 파운드리 기업과 일하느냐가 곧 경쟁력인 시대가 된 것이다.
TSMC, 삼성전자, UMC, 글로벌파운드리, SMIC, 인텔 등이 있다. TSMC가 독보적 1위 점유율 53% (2021년 기준).
2017년 시스템 LSI사업부에서 독립한 삼성전자 파운드리 사업부는 시장 점유율 18%로 2위에 올라 있다.
테스트 및 패키지 단계
1. OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test)
파운드리 기업에서 만들어진 반도체는 엄격한 테스트 과정을 거친다. 테스트를 통과한 반도체는 패키지 공정에 들어간다. 웨이퍼 위에 만들어진 반도체는 외부와 전기 신호를 주고받을 수 없고, 충격에도 취약하다. 웨이퍼 위의 반도체를 칩 단위로 자르고, 이 칩을 기판에 얹어 전기적으로 연결하고 포장재를 씌워야 비로소 우리가 아는 반도체 완제품의 모습이다. 이 과정이 바로 패키지 공정.
테스트 및 패키지를 전문적으로 하는 기업을 OSAT기업(반도체 조립 테스트 외주 업체)이라고 한다.
아무리 성능이 뛰어난 반도체라도 외부 단자와 전기적인 연결이 매끄럽지 않으면 그 성능을 온전히 발휘할 수 없다. 또, 어떤 재질의 포장재를 사용하는지에 따라 열 방출 등에서도 차이가 생긴다. 반도체의 최종 성능이 테스트와 패키지 공정으로 결정되는 것이다.
IDM이나 파운드리 기업이 테스트와 패키지 작업까지 하는 경우도 있지만, 이 기업들이 보유한 기술로는 진행이 어려운 고난도 작업들이 있다. 이런 작업들은 OSAT기업에게 외주를 맡긴다. 대표적인 기업으로는 ASE, Amkor Technology, JCET STATS CHIPPAC, SPIL, 파워텍 등이 있다.
공정 설계 키트 (PDK)
파운드리 기업은 파트너십을 맺은 디자인 하우스에게 생산 가능한 반도체의 대략적인 성능과 회로 설계 방법 등을 담은 공정 설계 키트(PDK : Process Design Kit)를 제공한다. 이 공정 설계 덕분에 디자인 하우스는 파운드리 기업의 공정 스펙을 세세하게 알 수 있다
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