189. 자율주행차 - 18. 반도체에 이어 원자재도 자율주행 기술 발전 가로막다
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글 : 채영석(charleychae@global-autonews.com)|
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승인 2022-03-15 13:22:53 |
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러시아와 우크라이나간의 충돌은 정치 경제는 물론이고 기술 발전에도 많은 영향을 미치고 있다. 자동차산업에서는 부품 공급 적체를 심화시키고 있을 뿐 아니라 반도체 수급 불균형을 더욱 악화시켜 자율주행차를 위한 ADAS 장비의 진화를 가로막을 수 있다는 진단이 등장했다. 그런 와중에 미국에서는 스티어링 휠과 브레이크 페달이 없는 자율주행차가 공공 도로에서 주행할 수 있도록 하는 정책을 발표됐다. 소프트웨어를 중심으로 한 기술적인 진화는 계속되고 법규도 마련되어 가는 상황에서 원자재 문제가 걸림돌로 부상한 상황이다. 코로나19 펜데믹 이후 자동차생산의 폭락을 가져온 반도체를 중심으로 자율주행차의 현재를 짚어 본다.
글 / 채영석 (글로벌오토뉴스 국장)
앞으로 자동차의 핵심은 엔진이 아니라 배터리와 반도체다. 특히 구현과는 관계없이 자율주행차를 위해서는 반도체 기술이 핵심이다. 기초적인 성능부터 슈퍼컴퓨터까지 자동차에 탑재되고 있다. 하지만 기술은 물론이고 그 원자재 문제까지 원만하게 해결되어야 다음 단계를 기대할 수 있다.
우리가 말하는 반도체의 원자재인 실리콘은 모래에서 추출한다. 그렇게 만들어진 반도체를 우리는 CPU(Central Processing Unit), 또는 AP(Application Processor)라고 부른다. 정확히는 IC(Integrated Circuit), 즉 직접 회로다.
이 반도체는 크게 시스템 반도체와 D 램 반도체로 나뉘고 두 개를 모두 통합한 것을 SoC(System on Chip) 라고 하며 미디어에서는 통상 이를 칩 또는 반도체라고 부르고 있다. 이는 설계를 하는 팹리스와 그것을 생산하는 파운드리 업체들이 역할 분담을 해 개발 생산하고 있다. 당연히 부가가치는 팹리스들이 장악하고 있다. 팹리스는 말 그대로 공장이 없이 설계만 하는 회사로 AMD, 엔비디아, 퀄컴, 애플 등이 대표적이다.
파운드리업체는 이들 팹리스가 설계하고 개발한 것을 위탁생산하는 업체로 2021년 2분기 기준 대만의 TSMC가 전체 시장의 52.9%가량을, 삼성전자가 17.3%를 점하고 있고 그 외 UMC, 글로벌파운드리스 등이 있다. 하지만 팹리스도 파운드리가 없으면 무용지물이라는 점에서 오늘날 그 가치를 인정받고 높은 수익도 올리고 있다.
물론 이들 설계 개발과 생산을 자체적으로 하는 종합 반도체, 즉 IDM(Integrated Device Manufacturer)으로 인텔과 삼성전자, SK 하이닉스, 텍사스 인스트루먼츠 등이 있다.
최근 반도체 수급에 문제가 생긴 것은 바로 이 파운드리의 생산 체제 변화로 인한 것이다.
반도체 산업은 2000년대부터 수평 분업이라는 개발과 생산의 분리를 추진 해왔다. 자동차의 세계화와 맞물려 유럽과 일본, 미국 등은 개발은 자국에서 하고 생산은 해외 공장으로 이전하는 형태를 취했다. 그로 인해 부상한 것이 대만의 TSMC와 한국의 삼성전자이다.
그 결과 보스턴 컨설팅 그룹에 따르면, 공장입지별 생산 능력 점유율은 2020년 기준 대만과 한국이 세계의 43%를 차지했다. 미국의 점유율은 12%로 지난 7% 감소해 15%의 중국에도 밀렸다. 중국은 2010년 대비 4% 증가했다.
이런 구조는 미국 조사회사 IC 인사이츠 자료가 잘 보여주고 있다. 2021 기준 전 세계 반도체 매출액이 사상 처음으로 전년 대비 26% 증가한 5,098억 달러에 달했다. 2022년에도 11% 증가한 5,651억 달러로 예상했다. 미국 업체들이 55%, 한국업체들이 21%를 차지했다. 하지만 2020년 기준 생산량은 첨단 반도체를 생산하는데 필요한 300mm 웨이퍼의 생산능력은 한국이 47%로 미국과 유럽, 일본을 합한 30%를 압도하고 있다. 매출액 기준으로 업체별 순위는 2021년 기준 삼성전자가 760억 달러로 1위, 다음으로 인텔 731억 달러, SK하이닉스 363억 달러, 마이크로 테크놀러지 284억 달러, 퀄컴 268억 달러 등의 순이다. (참고: 차세대 자동차 기술의 핵 ‘반도체’, 산업의 발목을 잡다.)
코로나 펜데믹으로 공급망 문제에 더해 우크라이나 원자재로 설상가상
반도체라고 하는 측면에서는 위와 같은 데이터가 의미가 있다. 하지만 자동차에 사용되는 반도체를 따로 분리하면 다른 그림이 나온다.
2020년 상반기 코로나19로 인해 자동차 생산이 급감하면서 파운드리 업체들의 공급원이 바뀐 것이다. 자동차 판매는 줄었지만, 가전제품과 PC 등의 수요는 오히려 늘어 파운드리 업체들은 공장의 구조를 바꾸어 수익을 높여갔다. 자동차에 사용되는 반도체는 14나노 이하의 중저가 제품인 데 비해 가전제품과 스마트폰, PC 등에는 그 이상의 고가 제품이 탑재되며 파운드리 업체들의 생산 시설 전환이 이루어졌다.
그런데 2020년 하반기 예상보다 빨리 자동차 시장이 회복되면서 반도체의 수요가 급증했고 그 결과 각 업체는 수요를 충당하지 못해 2020년 말부터 자동차 생산에 차질이 빚어졌다. 초기만 해도 통상적으로 3개월 정도면 해소될 것이라는 전망이 있었으나 예상을 빗나갔고 2021년 전 세계 자동차 생산 약 1,000만대 이상 감소하는 상황까지 이어졌다.
여기에 러시아 우크라이나 충돌까지 더해져 상황은 악화일로다. 반도체 생산, 즉 파운드리의 문제에 대해 원자재 문제까지 겹친 것이다. 그 배경은 러시아와 우크라이나는 반도체 생산에 없어서는 안 되는 네온가스 생산 50%를 차지하고 있으며 크립톤(Kr), 제논(Xe) 등을 러시아와 우크라이나에 의존하고 있기 때문이다. 특히 많이 언급되고 있는 네온의 경우 경제 전문가들은 2014년을 러시아의 크림반도를 합병 당시 가격이 600% 상승한 적이 있었으며, 당시 세계 네온 생산량의 70%를 차지했었다.
반도체의 원자재인 실리콘도 심각하다. 전 세계 실리콘의 60%가 중국에서 생산된다. 2021년의 경우 20만 톤의 실리콘 부족이 있었다는 보고도 있었다. 그만큼 작년 하반기 실리콘 가격은 톤당 7,700유로로 네 배 폭등했다.
이런 물량에의 대응뿐 아니라 배터리 전기차와 ADAS 장비의 채용 급증으로 반도체의 수요는 많이 증가하고 있다. 배터리 전기차는 가솔린차의 두 배, 레벨3 자율주행차는 세 배의 반도체가 필요하다. 소요와 공급에 거대한 괴리가 발생한 것이다.
자동차에 적용되는 반도체는 엔진 에어 시스템과 자가진단 장치(OBD), 자동 변속 제어 시스템 등 파워트레인 제어를 비롯해 차체 전장품, 편의장치, 램프류, 조향장치, 제동장치, 현가장치, CAN(Controller Area Network), LIN(Local Interconnect Network), MOST(Media Orient System Transport), 항법장치, 텔레매틱스, 사운드 시스템 등 수없이 많은 제어장치가 있다. 센서라는 범위로 넓히면 자동차 한 대당 300개 이상이 탑재된다. (참고 : 러시아 우크라이나 충돌, 본격적인 다극화로 자동차산업 리스크 증폭)
위에서 언급한 반도체 전체 매출액과는 별도로 차량용 반도체를 공급하는 업체는 네덜란드의 NXP세미컨덕터스가 선두를 차지하고 있고 이어서 일본의 르네사스, 독일의 인피니온, 미국의 텍사스 인스트루먼트, 스위스의 ST 일렉트로닉스, 독일의 보쉬, 미국의 온 세미컨덕터와 인텔, 마크론 테크놀러지, 일본의 도시바 등이 상위 10위에 랭크되어 있다.
당연히 이들 차량용 반도체 업계의 주가가 급등하고 있고 더불어 파운드리의 가치도 급상승하고 있다. 이들 업체의 반도체를 생산하는 세계 최대 파운드리 업체인 대만의 TSMC가 생산용량을 늘릴 수 있다면 자동차용 칩을 우선시하겠다고 했지만, 용량이 꽉 찬 상태다. 또한 수익성이 높지 않다는 이유로 투자도 적극적이지 않다.
TSMC에 이어 삼성전자도 여의치 않다. 삼성전자는 자사의 엑시노스 오토모티브 플랫폼을 비롯해 퀄컴의 스냅드래곤, 엔비디아 등의 칩을 생산하고 있는데 기존의 제품 외에 고성능 칩에 대한 수요가 증가하면서 용량을 늘려야 하는 상황이다. 고성능 반도체의 수요가 증가하는 상황에서 저가 자동차용 반도체에의 투자가 적극적일 수 없는 이유다.
무엇보다 ADAS 장비의 채용이 급증하면서 반도체 수급은 앞으로 더 심해질 것으로 보인다. 여기에 5G 이동통신이 본격화하면서 반도체 수요가 기하급수적으로 늘고 있다. 이런 상황을 반영하듯 TSMC는 올해 31조 원, 삼성전자도 10조 원이 넘는 투자를 할 것으로 알려지는 등 파운드리 업체는 가격 인상과 더불어 대대적인 투자에 나서고 있다.
하지만 IHS마킷은 아날로그 칩 생산은 증가가 예상되지만 증가하는 자동차용 반도체 수요를 충족시키기에는 충분하지 않으며 2023년 말 다시 공급이 부족해질 가능성이 있다고 분석하고 있다. 우선은 레거시 반도체(14나노 이하 고형 공정)의 생산 적체는 고성능 반도체로 통합이 이루어진다고 해도 자동차가 굴러다니는데 필요한 조건을 만족시킬 수 없기 때문에 생산 감소는 물론이고 기술 발전의 장해로 연결된다.
레거시 반도체와 첨단 반도체의 부조화
그런 한편으로 자율주행차의 대처 속도에서 중요한 요소인 5G 통신은 계속 발전하고 있다. 4G 통신의 경우 0.04~0.05초인데 5G 통신은 0.001초까지 줄어든다. 이는 보고(센서), 생각하고(연산), 이동(실행)하는 자율주행이 프로세스에 드는 시간을 말한다. 그 중 센서 부문에서 가장 중요한 것이 라이다인데 테슬라의 경우는 라이다가 없이 딥 러닝으로 해결할 수 있다는 생각이다. 하지만 그 외 대부분의 업체는 라이다가 필수라는 쪽으로 의견이 모이고 있다.
연산 부분에서는 2020년 퀄컴이 랜드로버 디펜더에 처음 채용한 스냅드래곤 오토모티브 플랫폼이 시선을 끌었다. 이 시스템은 70~130W의 저전력으로 700T OPS로 당시 가장 빠른 연산 처리 속도와 다양한 무선 업데이트 기능 등을 채용해 세간의 이목을 집중시켰다. 참고로 테슬라 모델3의 HW 3.0은 144TOPS다.
팹리스 업체인 퀄컴은 안드로이드폰의 AP에 더해 5G 통신 부문에서 독보적인 입지를 구축하고 있다. 5G통신용 모뎀은 대부분 퀄컴이 공급하고 있다. 삼성전자는 자동차용 전기 전자장비, 즉 전장 반도체 부문을 노리고 2017년 하만을 인수해 74조원을 투자하고 있다.
스마트폰용 AP 와 달리 자동차용은 가혹한 환경에서 사용되기 때문에 다른 차원의 안전성과 안정성이 요구된다. 잦은 충격과 심한 온도 차, 극심한 먼지 등 수없이 많은 장해요소가 있다. 그 때문에 열 충격실험의 경우 일반 반도체보다 두 배 이상의 안정도를 요구한다.
그 이야기는 전장 반도체 부문에서 기술력을 확보하면 시장을 장악할 수 있다고 해석할 수 있다. 이 부문에서 테슬라가 강한 존재감을 보이고 그것이 테슬라의 경쟁력의 원천이다. 그 때문에 삼성전자는 인공지능, 5G, 생명과학과 함께 전장 반도체를 4대 미래 성장 동력으로 꼽을 정도로 많은 공을 들이고 있다.
또 다른 차원에서 전기차와 자율주행차에서 가장 핫한 주제는 통합제어기와 펌웨어 OTA이다. 이에 대해 테슬라와 애플 등은 통합제어기를 자체적으로 개발하지만, 그 테슬라와 애플, 엔비디아, 삼성 엑스노스 등은 모두 영국 ARM 아키텍처를 기반으로 프로세서를 설계하고 있다. (참고 : 차량용 반도체, 통합제어기, 그리고 ARM)
어쨌거나 자가형 라이다의 개발이 늘고 있고 퀄컴과 삼성전자 등의 전장 반도체 부문에서는 상당한 발전이 진행되고 있지만, 지금은 역으로 레거시 반도체의 가격이 인상되는 기현상이 발생하고 있다.
문제는 반도체 가격 인상은 곧바로 자동차 가격의 인상으로 이어진다는 것이다. 업계에서는 차량용 반도체 가격이 10% 인상되면 자동차 생산원가는 0.18%가량 상승하고 영업이익은 1% 줄어든다고 한다. 그런데도 첨단 기술 전쟁이 불붙은 상황에서 반도체를 사용하지 않을 수 없는 것이 현실이다. 그 때문에 이들 파운드리업체는 2021년 주문량의 30%가량을 받을 수 없었다.
그 배경에는 반도체 업계의 입장에서는 자동차용 반도체의 점유율이 10%에 미치지 못한다는 점도 있다. IC 인사이츠에 따르면 자동차용 반도체 전문업체로 분류되고 있는 르네사스는 자동차용 반도체의 비중은 매출의 절반 정도이며 인피니온과 NXP 약 40%, 이탈리아 프랑스 합작 ST마이크로 일렉트로닉스는 약 30%라고 한다. TSMC는 3%에 불과하다.
이들이 증산을 위해 TSMC는 280억 달러, 삼성전자는 300억 달러를 늘리겠다고 했지만, 돈이 되며 수요가 안정적인 스마트폰과 5G용에 사용되는 7나노 이하의 비중을 늘리며 자동차용으로 쓰이는 20~45나노미터의 비중은 오히려 축소했다. 이 때문에 자동차 반도체 부족 현상은 근본적인 해결책이 없는 상황이라고 업계 전문가들은 분석하고 있다.
2021년 4월 TSMC는 중국 난징공장 증설에 나섰고 12월에는 소니와 공동으로 일본 규슈에 반도체 양산 공장 건설을 시작했다. 삼성전자도 지난해 10월 2025년까지 파운드리 설비를 2017년 대비 세 배로 늘리기로 했다. 하지만 삼성전자가 수요가 늘고 있는 레거시 반도체 생산 라인 증설도 아직은 검토 중이라고는 한 것에서 알 수 있듯이 자동차용 반도체의 본격적인 공급 정상화에는 아직은 시간이 필요한 것으로 보인다.
미국과 중국, 국가적인 차원에서 차세대 자동차 개발 지원
이런 상황에서 미국 교통부가 2022년 3월 10일, 스티어링 휠과 가속 페달, 브레이크 페달 없이 자율 주행 차량이 공공 도로에서 주행할 수 있도록 하는 규제를 발표했다. 차세대 차량을 실용화할 수 있는 길을 열어 자율 주행 분야에서 국제 개발 경쟁을 주도하기 위한 정부 차원의 대응이라고 할 수 있다.
기존의 안전 표준은 미국의 공공 도로에서 달리는 자동차의 규칙으로 스티어링 휠과 브레이크가 필요하다. 새로운 규칙은 수동 제어 없이 자율 주행 차량을 허용하고 탑승자 보호에 대한 안전 기준을 명확히 하고 있다.
이는 GM의 자율주행 기술 개발 회사인 GM 크루즈가 지난 2월 말, NHTSA에 혼다와 공동으로 개발할 스티어링 휠과 브레이크 프리 자율 주행차 오리진의 생산 및 상용화를 위한 승인을 신청한데 따른 응답이라고 할 수 있다. 미래 기술에 대해 업계와 정부가 공조해 경쟁력을 높이겠다는 것이다.
한편, 컨설팅회사 IHS Markit은 중국의 자율주행차 서비스 시장 규모가 2030년까지 1조 3천억 위안(2,035억 달러)을 넘고 상위 서비스 제공업체가 시장 점유율의 40%를 점유하리라 전망했다. 이는 2021년 11월, 바이두가 올해 3분기에 아폴로 고 플랫폼을 통해 11만 5,000번 이상의 탑승을 완료한 세계 최대의 자율 이동 서비스 제공업체였다고 밝힌 것과 궤를 같이한다.
중국 베이징이 일반 도로에서 로보택시의 유료 서비스를 제공할 수 있는 중국 최초의 도시가 되면서 이 부문에 대한 관심이 더 집중되고 있다. 베이징시는 남부 지역에 도로에서 이러한 서비스를 제공할 수 있는 로보택시 서비스 운영자에게 허가를 발급했다. 바이두가 허가를 받은 최초의 업체이며 현재 이 구역에 67대의 로봇 택시가 있다. 상업 및 주거 지역의 600개 지점에서 승객을 태우고 내릴 수 있다.
바이두의 스마트폰 앱 아폴로 고(Apollo Go) 서비스는 베이징 외에도 상하이를 포함한 5개 도시에서 이용 가능하며, 로봇 택시를 호출할 수 있다. 바이두는 2025년까지 65개 도시, 2030년까지 100개 도시에서 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 바이두는 현재 중국에서 411개의 자율주행 허가증을 보유하고 있다. 지난해 같은 기간보다 189% 증가한 1,600만km 이상의 레벨 4 테스트를 9월 말까지 마쳤다.
중국의 데이터에 대한 신뢰성 문제가 있지만 나타난 상황으로만 보면 지금 미국과 중국은 국가가 나서서 자율주행차의 개발에 많은 지원을 하고 있다.
그런 상황에서 2020년 말부터는 반도체 수급 부족이 자동차산업을 괴롭히고 있다. 배터리 전쟁에 이어 반도체 전쟁이 자동차의 전동화와 자율주행 기술의 진화에 큰 걸림돌이 되는 것이다.
