미국은 어떻게 중국의 메모리 반도체 굴기를 무너뜨리는가?

스압, 맨 밑에 요약 있음

※ 이 글에선 한국 반도체 산업의 핵심인 메모리 반도체 산업과 연관된 내용에 대해서만 다룸

원 글 출처 : DC 갤럭시 갤러리 '뿌잉'님 + 일부 자체 작성 

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사전 지식) 한국 반도체 산업의 핵심인 메모리 산업은 크게 D램과 낸드플래시로 나뉨

1. 중국의 메모리 반도체 굴기 1 - 낸드플래시 산업에서의 타격

YMTC (양쯔강 메모리 테크놀로지)는 중국 최대의 낸드플래시 기업이며 중국 메모리 반도체 굴기의 최핵심 기업이다

1) YMTC의 낸드플래시에 대한 기술적 분석 - 예상보다 훨씬 위협적이다

3D 낸드의 구조는 크게 정보를 저장하는 셀(Cell)과, 셀에서 정보를 입/출력하는 배선인 회로(Peri: Perispheral)로 구성됨. 마을로 치면 주민들(=전자=정보)이 거주하는 주택이 바로 셀이고, 주택과 주택, 마을과 마을을 연결해 주는 도로가 바로 회로라고 할 수 있음. 그리고 128단이니, 176단이니 이렇게 말하는 몇 단은 바로 셀이 몇개 층(Layer)로 쌓였는지를 의미하는 것임.

그런 관점에서 3D 낸드 성능의 발전은 크게 '얼마나 집을 더 높게 쌓을 것인가?(=낸드 단수 증가)'와 '도로 배치를 어떻게 하면 더 최적화할 수 있을 것인가?(=회로 면적 최소화)', 두 가지 측면에서 진행되어 왔음. 128단, 176단, 그리고 싱글 스택, 더블 스택 등 낸드 단수 증가에 대해서는 어차피 다들 잘 알 것이고, 회로 배치에서도 업체들 간 기술 경쟁이 매우 치열함.

우선 초창기 셀과 회로 배치는 위 그림에서 Conventional Peri라고 해서 셀과 회로가 서로 옆으로 배치(side by side)되어 있었음. 예컨대 주택과 도로가 모두 지상에 있는 구조임. 이 구조는 만들기 간단하지만 크게 두 가지 측면에서 문제가 있음. 우선 칩 면적 상당 부분을 셀이 아니라 회로가 차지하다 보니 셀 밀도가 낮음. 셀 밀도가 낮다는 것은 웨이퍼 당 칩 개수가 감소한다는 것이고, 이건 칩 원가의 상승을 가져옴.

또 칩 면적이 커지다 보니 모바일 등 소형화가 매우 중요한 Device에 장착하기가 적합하지 않음. 스마트폰이 계속 작고 얇아진 것에서 알 수 있듯 모바일 제조사들은 반도체 칩 메이커들에게 '보다 작지만, 보다 용량이 많은 칩'을 지속적으로 요구해 왔었음. 예컨대 PC, 서버용 모듈처럼 옆으로가 아니라 모바일 디램과 낸드를 위/아래로 쌓아서 하나로 패키지하는 eMCP도 이러한 요구를 만족시키기 위한 일환임. 그런데 Conventional Peri 구조로는 어느 순간부터 이 요구를 충족시키기가 매우 힘들어졌음.



바로 여기에서부터 기존 메이저 업체들(삼전, 하닉, 마이크론, 키옥시아/WD)와 YMTC의 선택이 달라졌음. 위 그림을 보면 기존 메이저 업체들이 선택한 게 바로 CuA(CMOS under Array) 구조임. CMOS는 회로, Array는 셀이라고 생각하면 됨. 회로를 셀 지하에 묻어 버린 것임. 한 마디로 마을의 도로를 지하화 시켜버린 것임. 이렇게 되면 당연히 기존 구조에서 문제가 되었던 칩 원가 상승과 칩 사이즈 소형화 문제를 같이 해결할 수 있음. 이 구조를 하이닉스는 가장 먼저 96단부터(4D 낸드, PuC: Peri under Cell이라고 말하는 게 이것임), 그리고 삼전은 가장 늦게 176단부터 이 구조(삼전에서는 CoP: Cell on Peri라고 지칭함)를 적용했음.

그런데 장점이 있으면 단점이 있듯 이 구조 역시 적지 않은 문제가 있음. 우선 웨이퍼 표면 지하에 공정을 진행하는 것이다 보니 공정 난이도가 엄청나게 높음. 지하에 도로를 만들다가 툭하면 지반이 무너지기 일쑤임. 뿐만 아니라 첨부 2에서 노란색으로 표시한 thermal(열) budget, thermal stress가 크게 문제가 됨. 아까 말했듯 셀에서 정보를 입/출력하는 "배선"이 바로 회로이기에, 회로는 주로 금속(Metal) 물질로 만들어 짐. 그런데 금속은 열팽창 계수가 높다는 게 반도체 공정의 가장 큰 문제임.

우선 CuA 구조에서는 셀 지하에 묻어야 하는 회로 제작 공정은 가장 먼저 진행이 됨. 회로를 지하에 다 묻은 다음에 셀을 만들기 시작하는데, 셀 단수가 높아 지면서 이제 채널 홀을 뚫어서 셀을 만드는 식각 공정(HARC Etch)에 RIE 같은 초고온, 초고압의 플라즈마가 더더욱 많이 사용되기 시작했음. 뿐만 아니라 Oxide, Nitride 층 역시 전부 다 고열을 가해서 증착을 함.

이렇게 되니 셀 제작 과정에서의 발생하는 고열이 지하에 묻은 회로 부분에도 영향(thermal stress)을 주게 되면서 회로 부분의 금속이 열로 팽창하거나, 녹거나, 균열이 가게 됨. 앞서 말했듯 금속은 열팽창 계수가 높다 보니 변형이 크게 발생하게 되고, 또 회로가 셀 바로 밑 부분에 묻히다 보니 변형된 회로가 셀에 영항을 주기 훨씬 더 쉬워졌고, 결정적으로 회로가 지하에 묻혔다 보니 공정 진행 중에 발견하기가 더더욱 어려워졌음.

그러다 보니 제작 공정이 다 끝나고 Test 단계에서나 회로 부분의 불량을 발견할 수 있게 되는데, 그렇게 되면 때는 이미 너무 늦게 됨. 제작 공정이 다 끝나서 원가가 비싸진 제품을 통째로 파기해야만 하기 때문임.




 

그런데 YMTC는 메이저 업체들이 선택한 CuA 구조 대신 혼자만 CoA(CMOS over Array) 구조, 속칭 Xtacking을 선택했음. 위 그림에서 나왔듯 셀과 회로 부분을 각각 다른 웨이퍼에서 만든 다음에 회로는 위에서, 셀은 아래에서 합치는 것임. 그 당시 YMTC가 이 기술을 선택한 이유는 메이저 업체들 대비 기술력이 부족했기 때문임. 간단히 말해서 지하에 도로를 건설할 수 있는 토목 기술이 없었던 것임.

특히 이 구조는 크게 두 가지 문제점이 있음. 우선 웨이퍼 두 장을 합쳐야지 하나의 제품을 만들 수 있어서 웨이퍼 비용이 두 배로 들어감. 또한 서로 다른 두 웨이퍼를 합치는 공정(Wafer Bonding)을 추가로 더 진행해야 하고, Bonding 과정에서 수율 Loss가 크게 발생함. 즉, 원가가 너무 비싸진다는 뜻임.

그래서 초창기에는 원가 경쟁력에서 YMTC가 메이저 업체들에 상대가 안 될 수밖에 없었음. 그런데 전화위복이라고, 시간이 지나고 보니 결과적으로 YMTC가 선택한 방향이 더 높은 단수의 낸드를 만드는 데 더 적합한 것으로 드러나고 있음.

그 이유는 크게 세 가지임.

첫 번째로 앞서 말한 thermal stress 문제가 낸드 단수가 올라갈수록 더더욱 심해지고 있음. 단수가 높아진다는 건 더 깊게 파야 한다는 뜻이고, 이를 위해서는 더 고온, 고압의 장비를 써야만 한다는 뜻임. 당연히 회로 부분에 더 많은 열이 가해질 수밖에 없음.

두 번째로 단수가 올라갈수록 공정 수가 늘어나고, 그렇기 때문에 Test 공정에서 불량을 발견하기까지 걸리는 시간이 너무 길어지고 있음. 예를 들어 예전까지는 3D 낸드를 만드는 데 두 달이 걸렸다면, 앞으로는 대여섯 달 씩 걸리게 되는데, Test 공정도 그만큼 늦어지고, 불량 발견 역시 늦어지게 되면서 그로 인한 기회 비용이 너무 커지게 됨.

그런데 CoA 구조는 셀과 회로를 각각 다른 웨이퍼에서 만들고 Test한 다음에 합치기 때문에 셀 부분에 대한 thermal stress도 없고, 회로 부분에 문제가 생겨도 회로 웨이퍼만 파기하면 되기 때문에 기회 비용 역시 훨씬 작음.

마지막으로 Wafer Bonding 공정 기술이 안정화되면서 수율 역시 많이 높아졌고, 또 낸드 원가에서 웨이퍼가 차지하는 비중이 단수가 높아지면서 계속 하락하고 있음. 예를 들어 웨이퍼 한 장당 원가가 대충 10만 원 쯤 되는데, 64단 낸드를 만들 때는 제품 웨이퍼 한 장당 제조원가가 한 200만 원 정도 되었음. 그러면 CoA 구조를 선택해서 웨이퍼 한 장이 더 들어가면, 원가가 5%(=10만 원/200만 원) 올라감. 그런데 한 300단 정도 되면 낸드 장당 제조원가가 400만 원 정도 되는데, 웨이퍼 한 장이 더 들어가도 원가는 겨우 2.5%(=10만 원/400만 원)만 올라감.

결국 낸드 단수가 더 높아지면 CuA 구조가 CoA 구조 대비 나은 점이 하나도 없게 됨. 때문에 기존 낸드 플레이어들 거의 전부가 장기적으로 400단 이상 낸드에서는 전부 CoA 구조로 바꿀 것으로 예상하고 있음. 그런데 이런 상황에서는 이미 YMTC가 먼저 CoA 구조를 선택해서 얻은 경험과 노하우가 있기 때문에, 기존 업체들 대비 유리한 점이 꽤 많이 있을 것임. 실제로 지금 낸드 CoA 구조에 대한 특허 상당수가 바로 YMTC 것임.

그리고 이 CoA 구조를 선택했기 때문에 YMTC는 생각보다 괜찮은 성능의 낸드를 뽑아낼 수 있음. 앞서 말한 thermal stress가 적기 때문에 낸드 셀 특성 자체가 잘 나올 수밖에 없음. 또 지하의 회로를 지상의 셀과 연결해 주는 추가적인 배선(첨부 2의 빨간색 표시)이 필요한 CuA와 달리, CoA는 회로와 셀이 위/아래로 추가적인 배선(Contact) 없이 바로 붙기 때문에 칩 사이즈 역시 줄어듬.

최근 테크인사이츠의 리버스 엔지니어링 리포트에서 YMTC의 셀 밀도가 타사 대비 높은 것으로 나와서 화제가 되었는데, 그건 방금 말한 CoA 구조의 장점 때문인 거지 YMTC의 기술력이 더 좋아서 때문이라고 보기는 힘듬. 위 그림에서 녹색으로 표시한 Area Ratio서도 CoA가 CuA 대비 회로(Peri)의 면적 비중이 더 작은 것을 확인할 수 있고, 실제로도 삼성 내부에서 연구용으로 만든 CoA 구조 낸드가 동 테크 대비 CuA 구조보다 셀 밀도가 더 높게 나옴.

하지만 이러한 장점들에도 불구하고 아직까지는 CoA 구조의 한계 때문에 YMTC의 낸드 제조원가가 기존 업체들 대비 상당히 높긴 하지만, 이것도 장기적으로 모든 업체들이 CoA 구조로 전환하게 되면 그 원가 격차도 상당히 많이 줄어들 확률이 매우 높음.

즉, 처음에는 기술력 부족으로 어쩔 수 없이 선택했던 CoA 구조가 결과적으로 YMTC에 전화위복으로 돌아오게 된 상황임. (여담으로 YMTC가 이 모든 빅 픽쳐를 다 내다보고 CoA 구조를 선택했던 것인지 정말로 궁금함)

따라서 만약에 그 어떠한 규제가 없었더라면 YMTC는 중국 정부의 지원을 받아서 대폭 CAPEX를 늘리고, 또 떨어지는 낸드 컨트롤러 및 솔루션 기술은 애플을 통해 개선해 나가면서 기존 업체들, 특히 캐시 카우인 디램이 없는 키옥시아/WD에 엄청나게 큰 위협이 되었을 확률이 매우 높음.

(22년 10월 기사)

특히 YMTC의 설립배경을 보면 중국 최고의 공대인 칭화대에서 세운 칭화유니그룹 소속이고(파산신청 후 중국 정부가 인수함), 또 중국 중앙정부에서 지원해주고 있거든. 그에 비해 디램 기업 CXMT는 허베이성 지방정부에서 세운 기업이라 투자금, 인력Pool 역시 YMTC와 비교가 안 됨.

그렇다고 해서 YMTC가 낸드 기업이라고 해서 디램이 언제까지나 안전한 건 아님. 나중에 3D 디램으로 넘어가면 EUV는 거의 필요 없어지고 (현재 3D 낸드에서 가장 중요한) 식각 공정이 디램에서도 가장 중요해지거든. 3D 디램으로 가면서 거의 필요 없어지고 극히 일부만 남은 EUV 공정은 중국 대표 파운드리 기업 SMIC이 7나노 파운드리 공정에서 갈고 닦은 극한의 Non-EUV(Arf 쿼드패터닝) 공정 기술로 대응하면 사실상 YMTC가 그대로 디램으로 진입 가능해 짐.

그렇게 보면 중국 애들이 난 (극혐하는 것과는 별개로) 진짜로 무섭다고 느끼는 게 반도체 기술의 미래를 내다보고 그에 맞는 의사결정을 정확히 내린다는 느낌을 정말 많이 받았거든. 괜히 세계 2위 경제 대국이 되어 패권전쟁을 건 게 아님.

즉 한국 / 미국 메모리 기업을 넘어서기 위한 중국 정부의 중장기 메모리 반도체 굴기 계획은 다음과 같음 

1. 디램은 3자 독과점 체계가 공고해서 진입장벽이 높은데 낸드는 춘추전국시대라 진입장벽이 낮다. 중국 역사에서도 오랑캐들이 중원을 넘본 건 중국 대륙이 분열되었을 때임. 따라서 시장이 공고한 D램 대신 플레이어들이 많아 상대적으로 취약한 낸드 시장을 먼저 노린다.

2. 낸드는 디램과는 달리 떨어지는 단품 성능을 펌웨어와 솔루션으로도 일부 극복 가능하니 중국 시장에 크게 의존하는 애플을 압박해서 애플의 우수한 소프트웨어 기술력으로 떨어지는 낸드 단품 성능을 커버친다. 그렇게 해서 애플을 통해 메이저 시장에 진입하고 업력을 쌓는다.

3. (17년 기준으로) 어차피 장기적으로는 Wafer Bonding 기술이 메이저 업체들이 선택한 CuA(CMOS under Array: 삼전은 CoP, 하닉은 PuC라고 함) 기술보다 경쟁력이 높다. 진작부터 Wafer Bonding 기술력을 쌓아서 그 시기가 오면 결국 기술 선도 업체가 된다.

=> 이 예상대로 지금 메이저 낸드 업체들도 장기적으로는 300단 이상부터는 전부 다 Wafer Bonding 기술로 넘어갈 예정이고, 심지어 키옥시아/WDC는 200단부터 Wafer Bonding 기술로 넘어갈 예정임.

4. (앞서 말했듯) 어차피 디램도 장기적으로는 3D 낸드처럼 식각 공정이 중요한 3D 디램으로 넘어갈 예정이다. 낸드에서 업력을 쌓아서 그때 디램으로도 진출한다. 일부 극소수 필요한 EUV 공정은 SMIC이 갈고 닦은 Arf 쿼드패터닝 기술을 이용해 대응한다.

그래서 삼성 내부에서 생각한 최악의 시나리오가 "YMTC는 연 50% 이상 낸드 공급(빗그로스)이 성장하고 YMTC가 중국 정부의 보조금을 기반으로 낸드에서 치킨게임을 걸어서 (디램 3사는 버틸 수 있겠지만) 자본력이 떨어지는 키옥시아/WDC를 도태시키고 2030년대에 낸드에서 그 자리를 차지한 후, 3D 디램으로 전환되는 시기에 디램에까지 진입한다" 바로 이것이었음. 엄청 무섭지 않음? 이게 상당히 유력한 미래였음. 이 말이 거짓말 같다면 메모리 반도체 빼고 모든 산업이 중국에 대체당해서 대중 무역흑자가 아니라 대규모 적자가 나는 지금 현실을 보면 됨.

2-1) 미국의 대중 반도체 장비 규제로 크게 흔들리는 YMTC - 생산의 핵심인 식각(에칭) 장비를 못구한다

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미국 정부의 대중국 반도체 장비 규제 시작

낸드플래시 반도체 분야에서의 장비 반입 규제 범위

< 128단 이상 생산 공정에 투입되는 생산장비 >

※ 신규 장비 반입은 물론 기존 장비의 유지보수까지 싹 다 금지

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(미국의 대중 반도체 규제와 미국의 요청으로 그에 합류하여 발맞추는 일본)

그런데 그 모든 것이 미국의 대중 반도체 규제로 끝장남. 낸드 단수가 높아지면서 성능이 좋은 식각(=에칭) 장비는 낸드 기술 경쟁에서 더더욱 중요해지게 되었고, 그런 관점에서 LAM, AMAT, TEL 3사가 독점한 HARC Etcher 장비들은 낸드 업체들에게 그 무엇보다도 중요함. 특히 건식 식각에서도 금속이나 게이트를 식각하는 전도체 식각이 아니라 Oxide-Nitride 구조의 Poly 층을 식각해서 채널 홀을 만드는 유전체 식각은 다른 장비 업체들은 접근조차 불가능한 거의 99% 메이저 3사만의 시장임. 훨씬 더 고난도의 기술을 필요로 함.

선단공정 장비 대부분을 장악하는 반도체 장비 빅 5

Applied Materials (= AMAT) (미국) 

ASML (네덜란드)

Lam Research (= LAM) (미국)

Tokyo Electron (= TEL) (일본)

KLA (미국)

예컨대 유전체 식각 장비는 메이저 3사 가 거의 99% 독점하고 있는데, 전도체 식각은 90% 미만임. 삼전에서 키우고 있는 세메스(삼전 자회사)가 전도체 식각에서는 한 자리 차지하고 있는데 그 세메스도 유전체 식각은 거의 범접조차 못하고 있음. 중국 반도체 업체들도 상황은 비슷함. 그나마 전도체 식각은 비벼볼 수라도 있는데 유전체 식각은 아직도 접근조차 못하고 있음.

LAM의 식각장비

그래서 YMTC가 메이저 3사의 식각 장비를 못 구한다면, 남들은 300단 이상도 더블 스택으로 두 번만에 뚫는데 중국만 64단*5 해서 펜타 스택으로 뚫어야 하는 경우가 발생할 확률이 매우 높음. 삼전이 128단 이하에서 타사 대비 압도적인 원가 경쟁력을 가졌던 것도 128단을 싱글 스택으로 뚫었다는 것이었는데 남들은 2번 만에 뚫을 때 다섯 번, 여섯 번을 뚫어야 한다면 원가 격차는 거의 비교할 수 없을 안드로메다 수준으로 벌어지게 됨. EUV와는 다르게 메이저 3사의 장비가 없어도 스택만 수십 번 반복하면 훨씬 높은 단수의 낸드를 만들 수가 있긴 한데, 그게 대체 무슨 의미가 있냐는 거지.

그래서 YMTC의 232단 낸드 양산은 사실상 대량 양산 장비를 확보하지 못해서 의미가 없고, 삼전 내부적으로는 내년 말에도 232단 낸드는 시장점유율 0%를 벗어나지 못할 것으로 전망하고 있음. 왜 지금 같은 시기에 YMTC가 저런 발표를 했냐면 고객사들을 안심시키기 위한 일종의 허풍 및 언플로 생각하고 있음. 우리 아직 죽지 않았다는 거지. 걱정하지 마시라고.

그리고 기존 장비들도 부품을 구하지 못해 장비 부품 재고가 다 떨어질 올해말 이후의 비즈니스 계획이 상당히 불투명하고, 지금 YMTC는 원래 116단*2 해서 더블 스택으로 만들려던 232단 구조를 완전히 뜯어 고쳐서 64단*4 이런 식으로 미국의 반도체 장비 규제를 회피하려는 시도를 하는 것으로 알고 있는데, 위 기사에서 본 내부 회의내용에서도 나왔듯 얘네들도 내심 예상했던 것보다 훨씬 더 강한 수준의 규제를 뚜들겨 맞아서 완전히 멘붕해서 갈팡질팡하는 상황으로 보임. 그냥 멘탈이 좀 나간 것 같음.

2-2) 무시무시했던 YMTC의 낸드플래시 공장 증설 계획 - 미국 정부에 의해 컷

중국의 거센 추격으로 인해 낸드 시장의 경쟁 심화가 우려되고 있다.

삼성전자의 설비투자(CAPEX)는 올해 79억달러에서 내년 83억달러로, SK하이닉스는 25억달러 수준을 유지할 계획이지만 YMTC는 같은 기간 39억달러에서 65억달러로, 약 2배 증가할 것으로 예상되고 있다.

이미혜 한국수출입은행 해외경제연구소 선임연구원은 "YMTC가 수율 안정화, 생산능력 확대 등에 성공한다면 중국을 중심으로 중장기적으로 의미있는 시장점유율을 확보할 가능성이 있다"며 "이에 따른 낸드 시장 내 경쟁이 심화될 것"이라고 전망했다. (이하 중략)

- 이데일리 2020년 8월 10일자 기사

이제 보충해서 중국 정부의 보조금을 등에 엎은 YMTC의 증설계획을 설명하자면 19년 대비해서 4년 만에 12인치 웨이퍼 CAPA가 6배로 증가할 예정이었음. 특히 YMTC 낸드의 경우 23년부터 본격적으로 2년마다 10만 장/월 씩 신규 CAPA가 증가할 예정이었는데, 이는 현재 마이크론 전체 낸드 CAPA(18.5만 장/월)의 절반보다도 많은 어마어마한 수준임. 매 4년마다 마이크론만한 신규 플레이어가 낸드 시장에 새로 진입하는 꼴임.  

(23년 1월기사, 미국의 장비 공급문제로 연기되는 YMTC의 증설)

근데 미국 정부가 장비 반입을 못하게 규제하자 YMTC는 기존의 증설계획을 수행하지 못하고 계속 연기되고 있음. 

추가로 지금 중국 YMTC와 CXMT 상황이 어떻냐 하면 신규 장비 수입뿐만 아니라 기존 보유 장비들의 유지보수마저 싸그리 막혀 버렸기에 위 기사에 나온 것처럼 쟤네들 지금 장비 수리할 부품마저 없어서 장비가 고장나면 해체해서 다른 장비 부품으로 땜빵하는 동류 전용(Cannibalization)까지 하는 개막장 상황임. 또한 장비 수리해 주는 장비사 전문 인력(CS 엔지니어)들마저도 전부 철수해서 어떻게든 자기 혼자서 고쳐 볼려고 눈물의 똥꼬쇼를 하는 중임.

칩메이커라고 해도 반도체 제조 장비의 모든 걸 다 알 수 없음. 장비는 장비 만든 애들이 제일 잘 아니까. 그러다 보니 중국애들 장비 가동률이 현재 바닥을 기는 상황임. 정상적인 공장 운영이 사실상 불가능함. 중국 정부가 보조금 죽어라 퍼주니 버티는 거지 정상적인 경우라면 회사 샷다 진작에 내렸어야 하는 절망적인 상황임.

여튼 결론적으로 정리하자면

1. YMTC와 중국정부의 기술력 및 장기 경영 전략은 생각보다 훨씬 위협적이다.
2. 따라서 미국의 규제가 없었다면 장기적으로 메이저 업체들에 큰 위협이 될 확률이 높았다.
3. 하지만 미국의 초고강도 규제를 뚜들겨 맞아서 아마 한참 동안은 낸드 시장에 별 위협이 안될 것이다.
4. 장기적으로 중국의 반도체 장비 자립이 가능해야 YMTC도 성장이 가능할 텐데, 그게 가능할까?

+

Yole Group (유럽 최대의 IT 시장조사기관)의 추정에 따르면 지난 2022년 8월 , YMTC는 2027년까지 전 세계 칩 생산량 점유율을 13%로 3배 늘리겠다는 목표를 세우고 미국 기반의 마이크론 테크놀로지와 같은 기존 칩 업체들에 도전장을 내밀었습니다. 두 번째 공장 건설에 어려움을 겪고 있는 이 중국 메모리 칩 제조업체의 생산량은 감소하여 2027년에는 시장의 3%에 불과할 것으로 예상됩니다.

3) 미국 정부의 YMTC에 대한 블랙리스트 등극

대중 반도체 규제가 본격적으로 시작되고 YMTC는 미 상무부의 블랙리스트에 올랐음. 올해(23년) 말쯤엔 비축해 둔 부품, 소재가 전부 바닥날 것으로 추정되는데 이때부터 본격적인 위기가 닥칠것으로 보임

참고로 미국이 화웨이를 조졌을 때 적용한 규정이 바로 '해외직접생산품규칙(Foreign Direct Product Rule; FDPR)'임. 간단히 말해서 어느 나라의 제품이건 간에 미국의 기술, 소프트웨어를 사용해 생산되었다면 미국 상무부의 허가를 받아야 특정 국가나 기업에 수출할 수 있다는 규정임.
  
이 규정은 순전히 화웨이라는 회사 하나를 조지기 위해 2020년에 처음으로 만들어졌음. 화웨이는 중국 공산당 및 군부가 경영에 깊숙히 관여하는 기업이기에 이 회사의 성장은 미국 안보에 위협이 된다는 논리임.

화웨이 다음에 FDPR의 타겟이 된 게 바로 SMIC임. SMIC이 화웨이에 반도체 칩을 공급하던 게 걸려서 이제는 EUV뿐만 아니라 14나노 공정에 쓰이는 범용 반도체 장비들도 SMIC에 수출을 규제함

그리고 이 규정의 세번째 타자가 바로 YMTC임. YMTC의 낸드 칩이 화웨이의 폴더블 스마트폰 ‘메이트Xs2’에 탑재되었다는 미 의회의 첩보에 의한 것임. 화웨이와 YMTC는 일단 아니라고 부정하고 있는데, FT에서 인용한 전문가 의견에 따르면 폴더블 맞춤형 칩을 공급받기 위해서 화웨이가 YMTC와 직접 거래했을 가능성이 매우 높다고 함.

그 후 미국에서 화웨이 스마트폰 까서 리버스 엔지니어링 해 보니 YMTC의 낸드가 들어갔다는 사실을 '확인'했음. YMTC가 머리를 쓴 게 화웨이에 납품할 때 로트 번호나 제품 번호나 메이커 정보를 지우고 넘겼음. 그런데 리버스 엔지니어링에서 뽀록이 났지. YMTC는 절대 아니라고 필사적으로 부정했지만 이미 빼박으로 증거가 나와서 찍 소리도 못하고 규제 쳐맞아서 박살나게 생김. 화웨이랑 엮인 게 확인된 이상, YMTC가 블랙리스트에서 빠져나갈 수 있는 방법은 애초부터 없었음.

(22년 11월 기사)

추가로 YMTC의 낸드플래시의 경우 중국정부의 보조금 도움을 받아 타 경쟁사에 비해 20% 저렴하게 납품이 가능했음. 따라서 애플은 자사물량의 40%를 YMTC의 낸드플래시로 채울 계획이었으나

미정부와 의회는 YMTC를 블랙리스트 명단에 올리고 YMTC의 제품을 사용하려는 애플에 압박을 가함

그러자 애플은 YMTC의 낸드플래시 채택을 포기, 올해부터 이를 삼성의 낸드플래시로 대체함

따라서 애플을 이용해 낸드플래시 컨트롤러 및 솔루션의 기술력을 쌓고 메이저 시장에 진입하겠다는 YMTC의 계획은 좌절됨

4)  중국 반도체 산업에 종사하는 미국인들에게도 압박을 가하는 미국 - 중국회사 그만둘래? 아니면 미국 시민권 버릴래?

(중국 최대의 식각장비 회사 AMEC)

미국의 반도체 규제는 생각했던 것 이상으로 치밀하고 정교한데, 다시 YMTC의 예를 들어 보면 3D 낸드에서 가장 중요한 게 HARC Etch(고종횡비 식각) 장비인데, 이건 미국(AMAT, LAM)과 일본 장비 회사(TEL)가 독점중임. 따라서 YMTC가 3D 낸드 사업을 지속하려면 이 장비들을 확보해야 하는데, 현재 중국의 식각 장비 1등 회사가 바로 AMEC임.

그런데 AMEC의 창립자이자 현 CEO, 그리고 핵심 엔지니어들 대다수가 중국계 미국인이고, 미국은 이들에게 국적 포기 및 국가안보법 위반을 무기로 협박하여 AMEC에서 퇴사 후 귀국을 강요함. 더불어 AMEC은 장비 제작에 필요한 Tool, 부품 대다수를 수입에 의존하고 있는데 이 역시 미국에서 규제를 때려버림. 따라서 YMTC가 3D 낸드 사업을 지속하려면 AMEC이 HARC Etch 장비를 국산화해야 하고, 이를 위해서는 먼저 장비 관련 핵심 엔지니어들과 부품, 제작 도구들을 전부 국산화해야 한다는 기가 막힌 결론에 도달하게 됨.

(2023년 3월 관련 기사)

(주요 내용 번역)

미국이 '미국인'의 중국 칩 산업 지원을 금지한 지 몇 달 만에 미국 여권 소지자 2명을 포함한 중국 반도체 장비 공급업체 AMEC(Advanced Micro-Fabrication Equipment)의 이사 3명이 회사 이사회에서 사임했습니다.

AMEC의 이사 두 지유와 이사 황 칭은 중국에서 태어나 수십 년 전 유학을 위해 미국으로 이주한 귀화 미국 시민권자입니다. 중국 시민권자인 판 샤오닝도 이사직을 사임했습니다.

두와 황은 모두 "개인적인 이유"로 사임한다고 말했습니다. AMEC가 발표한 성명에 따르면 두는 부총경리 겸 핵심 기술 직원으로 계속 근무할 예정이지만 황은 더 이상 회사에서 어떤 직책도 맡지 않을 것이라고 합니다.

(중략)

이번 사임은 중국 반도체 산업에 대한 미국의 규제가 강화되면서 미국 인력이 중국 칩 회사에서 물러난 가장 최근 사례로 꼽힙니다. 10월에는 미국이 중국 칩 산업의 "미국인의 개발 또는 생산 지원 능력을 제한"하는 명령을 내렸을 때 상황이 크게 확대되었습니다.

수십 명의 미국인 임원과 과학자들이 AmLogic, 3Peak, 스타파워 반도체, ACM 리서치, 헤일로 마이크로일렉트로닉스 등 중국 칩 회사에서 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 10월의 행정명령으로 인해 업계에서 시민권과 직업 중 하나를 선택해야 하는 상황에 처한 사람도 있는 것으로 보입니다.

미국의 명령이 내려진 같은 달, 중국 최대 메모리 칩 생산업체인 양쯔 메모리 테크놀로지스(Yangtze Memory Technologies Co, YMTC)의 CEO가 사임했습니다. 미국인 엔지니어인 사이먼 양은 2016년 칭화유니그룹에서 분사한 이후 이 회사를 이끌고 있었습니다.

2021년 재무 보고서에 따르면 설립자 제럴드 인 지야오를 포함한 AMEC의 최고 경영진 중 최소 8명이 미국 시민권자입니다. 베이징에서 태어난 인은 미국 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교를 졸업한 후 인텔과 어플라이드 머티어리얼즈에서 근무했습니다. 이후 중국으로 돌아와 2004년 AMEC를 설립했습니다.

또한 회사는 화요일 성명에서 회사의 사외 이사인 첸 다통이 "개인적인 이유"로 사임했다고 밝혔다. 미국에 본사를 둔 벤처 캐피탈 회사 월든 인터내셔널의 파트너인 장 유가 새로운 후보로 지명되었습니다. 두 사람 모두 중국인입니다..

2. 중국의 메모리 반도체 굴기 2 - 디램 산업에서의 타격

CXMT (창신 메모리 테크놀로지)는 중국 최대의 디램 기업이며 YMTC 다음으로 중국 메모리 반도체 굴기의 핵심 기업이다

YMTC에 비해서는 여러모로 밀리지만 CXMT는 그에 다음가는 중국의 메모리 반도체 기업임. 얘네들은 과거 치킨게임으로 파산한 독일 키몬다社를 인수하여 거기에서 입수한 디램, 플래시, 제조 공정, 노광, 후공정, 메모리 인터페이스 상관 기술을 흡수하여 발전했음. 근데 키몬다가 디램시장에서 그렇게 대단한 기술을 가지고 있는 기업은 아니었고 여전히 D램은 워낙 시장이 공고한만큼 삼성-하이닉스-마이크론 3사와의 기술격차는 수 년 이상 나지만 그래도 중국에 위치한 디램 기업중엔 가장 인상적인 결과를 내고 있었던 기업임.  위 기사에서도 보듯이 22년도 2분기에는 17나노 수준의 DDR5 시생산까지 시도하며 중국정부의 무한 보조금하에 야금야금 성장해오고 있었음.

 

물론 3사에 비해서는 경쟁력이 훨씬 뒤쳐지기에 (디램 시장에서 공정이 뒤쳐진다는건 성능은 더 낮은데 가격은 더 비싸다는 의) 시장 점유율은 거의 없었음

 

 

2) 미국의 대중 반도체 장비 규제로 크게 흔들리는 CXMT - 20nm대로의 강제적인 기술 로드맵 후퇴

 

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미국 정부의 대중국 반도체 장비 규제 시작

 

디램 반도체 분야에서의 장비 반입 규제 범위

 

< 18나노(대략 1xnm급) 이하 생산 공정에 투입되는 생산장비 >

 

※ 신규 장비 반입은 물론 기존 장비의 유지보수까지 싹 다 금지

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이건 작년 (2022년 5월 경) Yole 측 Status of the Memory industry report에서 가져온 디램 기업별 추후 기술 로드맵을 나타낸 표인데 마지막에 CXMT의 기술로드맵과 작년에 발표된 미국의 장비 규제 범위를 보면 의미심장함. 2023년부터 CXMT 측은 1xnm 이하의 공정진입을 계획해두고 있었는데 작년에 미국 정부에서 딱 그 기술 범위 이상의 메모리 칩을 제조할수 있는 장비들을 규제해버림

 

CXMT 측에서는 미칠 노릇임. 가뜩이나 디램시장은 워낙 공고해서 중국 지원금 보조금 잔뜩 처먹으면서 죽어라 달려도 3사를 따라잡을까 말까 한데 이젠 미국이라는 외생변수에 의해서 생산에 필요한 장비 수입도 안되고 있음

CXMT의 19나노이하 공정진입에 필요했던 ASML의 장비 NXT 1980i

기존대로라면 CXMT가 본격 진입할 공정이었던 1xnm급은 위 ASML의 장비가 필요함. 근데 미국 정부의 규제 시작과 네덜란드 정부의 규제 협조로 위 장비가 중국기업에 반입이 안되고 있음. 원래대로라면 올해 중국공장에 반입될 Arfi 장비가 100대가 넘는데 그게 전부 캔슬났음. 현재 반입이 가능한 장비는 NXT: 1950i 장비인데 이건 22나노 공정에 최적화되어 있는 장비임. 

그래서 결국엔 올해 20나노대 공정으로 강제 회귀해버렸음. 지금도 3사랑 기술격차가 수년 이상 나는데 그게 미국 규제맞아서 강제로 또 몇 년 이상이 추가로 뒤쳐져 버리게 된 것임. 문제는 이 규제가 풀릴 기미가 없고 언제 어떻게 추가로 확대될지 모른다는게 중국 반도체 기업 입장에선 환장할 노릇

그래서 CXMT 역시도 YMTC처럼 미국의 반도체 장비 규제로 공장 건설과 R&D 센터건립이 지연중임. 채용 중단이 되었으며 사업부에 따라 감원도 실시중

 

3) 최근 승인된 CXMT의 미국 장비 반입

최근 FT에서 CXMT에 대한 미국 반도체 장비(LAM, KLA 등으로 추정)의 공급을 미국 정부가 승인하였는데 이게 국내에 소개되었음

그래서 '미국 얘네들. 우리보고는 중국에 팔지 말라고 하면서 본인들은 중국에 팔아먹네? 이거 우리나라 뒤통수 치는거 아니야?'라는 반응이 있었는데 위 기사에 나왔듯이 저사양 칩 생산 제조 장비 (20나노대) 의 장비수출이 승인된 것임. 

이는 현재 18나노이하의 미국 장비 수출 규제범위에 포함이 되지 않아서 수출하는데 문제가 없음. 사실 중국 반도체 기업에 반도체 장비를 수출하는 국내 장비기업들도 있는데 이들도 현재 문제없이 수출하고 있음. (사실 애초 미국이 한국에게 반도체 장비 수출하지말라고 아직 요구한 적이 없음)

중국 반도체 기업에 수출하는 국내 장비사들

 

 

3. 그럼에도 포기하지 않는 중국의 반도체 굴기

FT(파이낸셜타임즈)의 보도에 따르면 YMTC가 이르면 24년 하반기부터 신규 낸드 공장을 가동할 예정임. 중국 장비사 종합 1등 NAURA(베이팡화창), 중국 식각장비 1등 업체 AMEC(중웨이반도체), 그리고 ASML 구형 장비들을 통해 3D 낸드 시험 생산에 성공했다고 함.

그렇게 보면 사실 3D 낸드는 EUV는커녕 ArF 장비도 별로 필요 없음. ArF 장비는 노광 공정 일부에만 들어가고, 거의 대부분의 노광 공정이 Word-Line을 만드는 Staircase(계단) 공정 제작 용도인 KrF(ArF 이전 모델) 장비로 진행됨. 그래서 ASML의 구형 장비로도 충분히 대부분의 노광 공정을 커버 가능함. 일부 노광 공정에 필요한 ArF 장비는 ASML 구형 장비를 중국 1등 노광장비 업체 SMEE(상하이마이크로일렉트로닉스)가 마개조한 버전으로 대체한다거나, 아니면 SMEE가 국산화했다고 주장하는 28나노급 이하의 ArF 장비로 커버하려는 것 같음.

그리고 3D 낸드에서 가장 중요한 게 Channel Hole Etching 공정이고, 이를 위해서는 LAM/AMAT/TEL 메이저 3사들이 독점한 HARC(High Aspect Ratio Coupling: 고종횡비) Etcher 장비가 필요함. 그런데 이론적으로는 저 3사의 최신형 HARC Etcher 장비가 없어도 높은 단수의 3D 낸드를 제작할 수 있음. 예컨대 저 3사의 최신형 식각 장비를 사용하면 236단 낸드의 Channel Hole을 118단씩 2번만에 뚫어서(더블 스택) 제작할 수 있음. 그런데 저 최신 장비들이 없어도 구형 버전의 장비로 예컨대 59단씩 4번 구멍을 뚫어서(쿼드 스택) 진행하는 방식으로 236단 낸드를 만들 수는 있음. 그런데 그러는 순간 제조원가는 안드로메다로 날아감. 저 Channel Hole을 만드는 공정이 제일 원가가 비싼데, 삼전이 128단 낸드에서 독보적인 원가 경쟁력을 가졌던 것도 남들은 64단씩 2번 뚫었다면 삼전만 128단을 한 번에 뚫어서 그랬던 것이거든. 내가 앞에서 메이저 3사의 최신 HARC Etcher 장비가 없어도 이론적으로 가능은 하다라고 표현한 게 바로 이 때문임. 말 그대로 실용성은 전혀 없이 이론적으로만 가능은 함.

경쟁사들은 200단 수준의 낸드를 2번만에 Channel Hole을 뚫어서 만드는 동안 YMTC는 자국산 허접한 식각 장비로 4~5번 구멍을 뚫어서 만들어야 하니 원가경쟁력 열위는 정말로 비교할 수 없을 정도로까지 벌어짐. 그런데 중국은 이런 말도 안 되는 악조건 속에서도 어떻게든 낸드를 계속 양산하려고 할 것임. 반도체 자급자족은 이제 중국에 가장 중요한 국가안보 문제가 되었거든. 돈이 얼마나 들던 반도체를 최대한 자급자족 하는 게 중국에는 가장 중요함. 돈 문제가 아님. 

그렇게 보면 중국이 낸드 생산을 재개한다고 해서 미국의 대중국 반도체 장비 규제가 전혀 의미 없어진 게 아님. 아니 반대로 의미가 엄청남. 미국이 중국에 말도 안 되는 수준의 페널티를 가했는데도 (정상적인 국가라면 진작에 포기했을 텐데도) 반도체 자급자족을 향한 중국의 열망이 너무나도 강력해서 낸드 양산을 밀어 붙이는 것이기 때문임. 비유하자면 다리가 부러져서 휠체어를 타야하는데도 어떻게든 경주를 계속하겠다고 이를 악물고 기어가기라도 하는게 현재 중국 반도체와 YMTC의 상황임.


그래서 중요한 게 이제는 낸드도 디램처럼 3자 독과점 체제를 구축해야만 함.  계속 말하지만 디램은 3자 독과점 체제가 공고해서 진입 장벽이 높은 반면, 낸드는 춘추전국시대라서 진입 장벽이 낮음. 중국 역사에서도 오랑캐들이 중원을 넘보던 건 거의 대부분 중국 대륙이 분열되었을 때임. YMTC가 공장을 다시 가동하기까지 한 1년 반 이상의 시간이 남아 있기 때문에 그동안 최대한 키옥시아/WDC를 치킨게임으로 무너뜨리고 마이크론에 매각되게 만들어 버려야 함. 이는 여러 전문 기관들, 예컨대 위에 나온 낸드 시장의 'End-Game Consolidation Scenario'를 제시한 Yole Development도 제안하는 내용임 (The market would be in a m.uch better position to withstand the likely emergence of YMTC from China.)

차기 첨단산업에서 메모리 반도체의 중요성을 인식하고 있는 미국

더불어 미국 정부도 중국의 위협에 맞서기 위해서는 낸드도 (자본력이 탄탄한 디램 3사 위주의) 독과점 체제 구축이 반드시 필요하다는 사실을 매우 잘 알고 있을 것이기 때문에, 이러한 업계 교통정리를 환영하는 것 뿐만이 아니라 오히려 적극적으로 유도할 것 같음. 예컨대 일본 정부를 압박해서 키옥시아를 매각하게 만드는 것처럼. 그래서 위 삼성증권 리포트에서도 이제는 지정학적 요인(미중 패권전쟁) 때문에 낸드에서 Consolidation이 발생할 확률이 높다고 언급한 것임.

물론 중국도 미국 정부의 이러한 의도를 매우 잘 알 것이기 때문에 나중에 마이크론이 키옥시아/WDC를 인수할 때 반독점법 심사에서 결사반대할 확률이 거의 100%라고 생각함. 때문에 마이크론이 중국 정부의 반대를 쌩까고 키옥시아/WDC를 인수하고, 그 보복으로 마이크론이 중국 시장에서 완전히 퇴출당할 확률이 매우 높음. 최근 중국 정부에서 마이크론에 대해 보안 검사를 빌미로 본격적인 때리기에 들어갔는데, 이러한 점들을 고려하면 앞으로 마이크론과 중국과의 결별은 더더욱 가속화될 것으로 보임.

쿠키소식 : 2023년 5월 대중국 반도체 추가 규제를 준비중인 미국

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요약 (도 기네)

 

1.한국의 반도체 산업의 핵심인 메모리 반도체 산업은 크게 디램과 낸드플래시로 나뉨

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2-1 낸드플래시의 경우 :

 

1) 중국의 YMTC는 중국 정부의 무한 보조금을 등에 엎은 중국 최대의 낸드플래시 기업이자 메모리 반도체의 최핵심 기업임

 

2) 이 YMTC를 포함한 낸드플래시 기업들은 기술 개발 중 중간에 분기점이 생김. 여기에서 메이저 5사 (삼성, 하이닉스, 키옥시아, 웨스턴디지털, 마이크론)는 A (CuA)라는 당시로서는 정석적인 방법을, 이들과는 달리 기술 경쟁력이 훨씬 뒤쳐지던 YMTC는 그보다 열등해보이는 B (CoA)라는 방법을 택했음

 

3) 그런데 시간이 흐르면서 YMTC가 택한 B라는 방법이 결과적으로 옳은 방식이었고 처음부터 B라는 방법을 연구해온 YMTC는 해당 분야에서 특허를 가장 많이 취득하여 기술적으로 유리한 지점에 서있는 기업이 되어있었음

 

4) 여기에 더해 체급으로는 많이 후달리지만 중국 정부의 무한 보조금을 등에 엎은 YMTC는 2023년 이후로 막대한 공장 증설을 통해 낸드플래시 치킨게임을 벌여 골골대던 WDC / 키옥시아를 퇴출시키고 낸드시장에서 자리를 차지하려는 계획을 세움

 

5) 추가로 22년 중국 정부의 보조금으로 인한 경쟁사 대비 더 저렴한 납품가라는 장점을 바탕으로 YMTC는 애플의 낸드플래시 공급의 40%를 따내었음.  애플과의 거래를 통해 열등한 컨트롤러 및 솔루션 기술력을 개선하고 메이저 시장 진출 코앞까지 옴

 

6) 그리고 내부적으로 미래에 진행될 D램의 기술 전환기 (3D D램)에 SMIC 등의 도움을 받아 D램 시장에도 진출하려는 중장기 계획을 진행중이었음

 

7) 위 시나리오는 삼성 내부에서도 매우 크게 우려하고 있었던 상황

 

8) 하지만 미국 정부의 장비 수출 규제로 이 모든게 수포로 돌아감. 생산에 가장 중요한 첨단 식각장비 반입이 안되기 시작. 공장의 증설까지 올 스탑되며 가동률도 바닥까지 떨어짐

 

9) 그리고 YMTC를 블랙리스트에 등극한 미국 정부는 의회와 함께 애플을 압박함. 결국 애플은 YMTC의 낸드 사용계획을 취소하고 삼성의 낸드플래시로 대체. 애플을 이용하려던 계획도 좌절됨

 

10) 중국의 반도체 산업에서 종사하는 미국인(특히 중국계 미국인)에게도 중국회사에서 일할꺼면 시민권 포기하라며 강도높은 압박을 가하는 중, 이를 통해 중국의 반도체 장비 자립도 끊어버리는 중

11) 올해 말, 본격적으로 기존 재고 부품마저 동나면 위기가 본격화될 것으로 시작

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2-2 디램의 경우 :

 

1) CXMT는 YMTC만큼 위협적이지도 않고 메이저 3사 (삼성-하이닉스-마이크론)보다 수년이상 기술이 뒤쳐진 기업이지만 그래도 중국에서 가장 큰 D램 기업임

 

2) 기존 계획 대로라면 올해부터 1xnm나노급 (18-19 나노급)의 D램 생산을 계획중이었음

 

3) 근데 작년부터 미국이 18나노급 이하 생산 장비 반입 금지라는, 마치 CXMT를 대놓고 노린것 같은 규제를 시행

 

4) 덕분에 CXMT의 기존 계획은 하염없이 밀려서 로드맵을 대거 수정, 올해 22나노급 생산으로 계획이 강제 수정됨

 

5) 공장 증설 계획이 또한 기존보다 대폭 늦어짐. 감원또한 진행중

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3. 그럼에도 중국 반도체 굴기는 계속 진행될 예정. 규제로 인해 생산성이 박살났지만 그래도 꾸역꾸역 생산할려는 움직임이 보이는 중

 

4. 하지만 그럼에도 당초 계획에 수년 이상 차질이 생긴건 분명함. 한국과 미국 (마이크론) 메모리 산업이 한숨돌릴 틈이 생김

 

5. 따라서 YMTC가 규제여파로 골골대는 상황을 틈타 낸드플래시 시장에서 3사(삼성-하이닉스-마이크론)로 통폐합을 진행하여 5사로 분열되어 상대적으로 낮았던 낸드 시장의 진입장벽을 D램처럼 훨씬 높이는게 중요함

 

6. 이 점은 미국 정부도 잘 알고 있어서 앞으로 낸드 시장 통폐합은 단순히 기업간의 문제가 아닌 미국 정부와 중국 정부가 개입할 가능성이 있음.

 

예시) 마이크론-키옥시아-WD 3사 통폐합을 유도하는 미국 정부 VS 미국 정부의 의도를 알고 이들의 인수합병을 결사 반대하는 중국