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칩은 모든 것에 들어가는데, 작년 팬데믹이 시작된 지 몇 달 만에 공급 부족 현상이 발생했습니다. 자동차부터 PS5까지 모든 것을 구매하기 어려웠던 이유도 바로 이 때문입니다. 알고 보니 전 세계 칩의 24%, 그리고 가장 첨단 칩의 90% 이상을 생산하는 회사가 하나 있었습니다. 오늘날 아이폰, 슈퍼컴퓨터, 자동차 AI에 사용되는 가장 작고 빠른 칩들이 바로 그 회사 제품입니다. 심지어 지난번 화성 탐사선에 실려 화성 사진을 찍는 장비도 이 회사의 것입니다. 대만 반도체 제조 회사(TSMC)는 일반인에게는 잘 알려지지 않은 이름 이지만, 모든 최신 아이폰, 미군 전투기, 최고급 프로세서 등에 사용되는 칩을 조용히 생산하고 있습니다.
현재 TSMC는 공급 부족 사태 속에서 생산량을 늘리기 위해 향후 3년간 1,000억 달러를 투자하고 있습니다. TSMC의 연간 생산량은 1,200만 개 이상의 웨이퍼에 달 하지만, 전 세계가 TSMC에 크게 의존하고 있다는 점은 지진, 가뭄, 그리고 중국과의 지정학적 긴장과 같은 자연재해로 인해 글로벌 칩 공급망이 취약해질 수 있음을 의미합니다. TSMC는 첨단 기술 분야와 모든 제조 시설에서 거의 독점적인 지위를 누리고 있습니다. 대부분의 생산이 대만에서 이루어지고 있다는 점은 미국뿐만 아니라 서방 세계 전체에 국가적으로 중요한 문제로 대두되었습니다.
TSMC는 지금까지 미국 촬영팀의 접근을 거의 차단해 왔지만, 이번 2월에 공개된 총 생산 시설 면적은 약 230만 평방피트에 달합니다. 미국은 첨단 실리콘의 발상지였지만, 수십 년 동안 아시아에 시장 점유율을 빼앗겨 현재 반도체 생산의 75%가 아시아에서 이루어지고 있습니다. 이제 TSMC는 애리조나 사막 한가운데에 120억 달러 규모의 반도체 제조 공장(팹)을 건설하여 세계에서 가장 앞선 반도체 제조 기술을 미국으로 되돌려 놓으려 합니다. 2024년 생산이 시작되면 이 공장에서 생산되는 반도체는 미국에서 제조되는 가장 첨단 기술이 될 것입니다.
저희는 북부 피닉스에 위치한 팹 현장을 독점적으로 방문하여 이 비밀스러운 대만 기업의 실상과 세계 최대 반도체 위탁 제조업체가 최첨단 반도체 제조 기술을 미국으로 다시 가져오는 이유를 알아봤습니다. 중국에서 태어나 하버드에서 교육받은 포레스트 뮤직은 1980년대 중반에 TSMC 설립 아이디어를 처음 제안했지만, 당시 투자자들은 회의적이었습니다. MIT와 스탠퍼드 출신인 모리스 창은 텍사스 인스트루먼트에서 25년간 근무한 후 대만으로 이주했습니다. 대만 정부는 그에게 세계적인 반도체 기업을 설립해 달라고 요청했고, 그의 아이디어는 현재 순수 파운드리로 알려진 제조 방식에만 집중하는 것이었습니다.
한 가지에만 집중하면 그 일을 정말 잘하게 됩니다. 릭 캐시디는 TSMC 미국 지사의 최고 경영자로 23년간 회사에 재직했습니다. " 우리가 분사시킨 사업부는 바로 그 사업이며, 우리는 모든 자원을 그 한 가지 일에 쏟아붓고 있습니다." 창은 1987년 TSMC를 설립했을 당시에는 존재하지 않았던 수요에 큰 비중을 두었습니다. 인텔과 텍사스 인스트루먼트 같은 거대 기업들은 자체 칩을 설계하고 제조하는 데 자부심을 가지고 있었고, 당시 업계에서는 " 진정한 남자는 팹을 소유해야 한다"는 말이 있었습니다. 모리스가 자금 조달을 위해 여러 유명 기업을 찾아갔지만, 그들은 "모리스, 당신의 아이디어는 성공할 수 없습니다.
설령 성공하더라도 확장할 수 없습니다."라고 말했습니다. 하지만 칩이 점점 더 복잡해지면서 제조는 엄청난 규모의 사업이 되었고, 오늘날 팹을 건설하는 데는 막대한 비용이 소요됩니다. 최소 2년 동안 100억 달러가 투자된 지금, 인텔, 엔비디아, 브로드컴, 퀄컴, AMD 같은 거대 칩 회사들조차 모든 것을 자체적으로 처리하고 최첨단 기술을 따라잡는 것은 거의 불가능해졌습니다. 예를 들어 인텔은 여전히 자체적으로 칩을 설계하고 생산하지만, 최근 몇 년 동안 삼성과 TSMC에 뒤처지면서 일부 칩 생산을 TSMC에 의존하고 있습니다.
따라서 뛰어난 설계자라면 수십억 달러를 일시적인 유행에 투자할 필요가 없어졌습니다. TSMC의 긴급 출범으로 이제 칩 제조의 주요 단계들이 각기 다른 회사에서 담당하게 되었습니다. ARM과 MIPS처럼 IP와 아키텍처에 집중하여 칩 설계의 핵심 구성 요소를 제공하는 회사도 있고, Cadence와 Synopsis 같은 EDA(전자 설계 자동화) 회사는 칩 설계에 사용되는 소프트웨어를 개발합니다. ASML은 최첨단 칩에 설계를 새기는 데 필요한 1억 8 천만 달러짜리 극자외선(EUV) 장비를 제작하는 유일한 회사입니다. 그리고 물론 애플, 퀄컴, 엔비디아 등 엄청난 성공을 거둔 칩 설계 회사들도 있습니다.
이러한 성공적인 기업들이 성장하면서 TSMC도 그 뒤를 따르게 되었습니다. 점점 더 많은 세계 칩을 생산하는 플라이휠 과 같은 역할을 하는 TSMC는 인텔을 따라잡는 것을 넘어, 제 생각에는 인텔을 능가하여 세계 최고의 제조 기술 기업으로 성장했으며, 시가총액 기준으로 세계에서 가장 가치 있는 10대 기업 중 하나가 되었습니다. TSMC는 1994년 대만 증권거래소에 상장되었고, 1997년에는 대만 기업 최초로 뉴욕 증권거래소에 상장되었습니다. 2000년대에 들어서면서 당시 가장 앞선 칩을 만들던 20여 개 기업들을 따라잡았고, 기술이 계속 발전함에 따라 더 많은 기업들이 뒤처지게 되었습니다.
오늘날 가장 앞선 5나노미터 칩을 만들 수 있는 제조업체는 TSMC와 삼성, 단 두 곳만 남았습니다. 2013년 애플은 아이폰용 A 시리즈 칩 생산을 위해 삼성에 대한 의존도를 줄이고 TSMC에 의존하기 시작했습니다. 현재 시중에 판매되는 모든 아이폰에는 TSMC 칩이 탑재되어 있으며, 애플은 인텔과의 계약도 종료하고 대부분의 맥북에 TSMC 칩을 사용하고 있습니다. 애플이 새 휴대폰을 출시하면 모든 찬사를 독차지하는 것처럼, TSMC는 제품 자체로 승부를 보여주며, 제품의 성공이 우리가 바라는 모든 사업 기회를 가져다줍니다. TSMC가 지금까지 미국 언론의 취재를 허용하지 않은 이유는 비밀 유지와 관련이 있는데, 지적 재산권( IP) 보호 때문일 수도 있습니다.
IP 보호는 이 업계에서 매우 중요하며, TSMC뿐만 아니라 업계의 다른 회사들에게도 마찬가지입니다. 2018년 86세의 나이로 6세의 장창 회장은 TSMC 회장직에서 은퇴했습니다. 그의 혁신적인 순수 파운드리( Pure Play Foundry) 아이디어는 대만에 새로운 공장을 설립하는 것으로 결실을 맺고 있습니다. TSMC는 인텔과 함께 세계 최초의 3나노 미터 칩 개발 경쟁을 벌이고 있으며, 인텔은 2025년까지 3나노미터 칩을 개발할 계획입니다. TSMC는 최첨단 3나노미터 및 5 나노미터 칩 외에도 자동차부터 커피 메이커까지 다양한 제품에 사용되는 훨씬 더 큰 칩도 생산합니다.
다양한 종류의 칩과 나노미터가 중요한 이유를 이해하기 위해 칩의 제조 과정을 살펴보겠습니다. 실리콘은 암석 과 모래에서 흔히 발견되는 풍부한 원소 입니다. 정제 및 용융 과정을 거쳐 원형 웨이퍼로 절단됩니다. 이 웨이퍼는 칩이 격자 형태로 배열되는 표면입니다. 웨이퍼 위의 각 칩은 수백 개의 미세한 층으로 구성되며, 각 층은 트랜지스터와 전기 회로로 이루어져 칩의 기능을 결정합니다. 이 미세한 회로는 리소그래피라는 매우 정밀한 광선을 사용하여 각 층에 인쇄됩니다. 트랜지스터 게이트의 폭이 5나노미터, 3나노미터 정도로 작을수록 주어진 공간에 더 많은 처리 능력을 담을 수 있고 필요한 전력은 줄어듭니다.
가장 작은 트랜지스터는 사람 머리카락보다 1만 배 이상 가늘습니다. 대부분 의 칩은 아마도 제 엄지손톱 크기 정도일 것입니다. 칩에는 500억 개 이상의 트랜지스터가 있을 수 있으며, 이 모든 트랜지스터가 작동해야 합니다. 이러한 부품은 CPU, GPU, iPu 등 다양한 곳에 사용됩니다. 스마트폰에 사용되고, 더 큰 칩은 TV 리모컨이나 전기 칫솔과 같은 대부분의 가정용 기기에 사용됩니다. 자동차에는 종종 더 작고 정교한 28~40나노미터 칩이 사용됩니다. 모든 종류의 칩이 칩 부족 사태의 영향을 받았으며, GM과 같은 자동차 제조업체들이 그 영향을 받았습니다.
도요타는 일부 공장의 생산을 중단했고, 애플은 아이폰 13의 2021년 생산 목표를 하향 조정했습니다. 아이폰 13 프로 맥스 주문 배송이 한 달 이상 지연된 가운데, 현재 미국 내 어떤 공장도 5나노미터 칩을 생산할 수 없지만, TSMC는 F-35 전투기부터 이러한 소비자 제품에 이르기까지 생산 방식을 바꾸고 있습니다. TSMC의 고객 기반은 매우 광범위하며, 미국 내 500개 이상의 기업을 고객으로 두고 있습니다. 따라서 언젠가는 미국에 진출해야 할 것이라는 것을 예상할 수 있었습니다. 피닉스 경제 위원회의 크리스 카마초는 이 프로젝트를 애리조나로 유치하는 협상을 진행하는 5년 동안 TSMC의 대만 공장을 방문했습니다.
로봇 공학, 자동화, 기계화가 눈앞에서 펼쳐지는 것을 보면서 이러한 프로젝트가 얼마나 자본 집약적일 뿐만 아니라 생산량 또한 얼마나 큰지 알 수 있었습니다. TSMC는 피닉스 외곽에 2024년부터 월 2만 개의 웨이퍼를 생산할 수 있는 대규모 5나노미터 공장 건설을 시작한 지 6개월이 지났습니다. 이 웨이퍼에서 생산된 칩은 아이폰의 고급 프로세서 등에 사용되는 반도체를 생산하는 애리조나 프로젝트 리더 토니 첸은 TSMC에서 23년간 근무하며 17개의 팹 건설 프로젝트를 이끌었습니다. 에코 릴리스 접근 방식은 5나노미터 팹에 맞춰 설계되었으며, 바로 인근 대만에 있는 팹에서 복제한 방식을 사용하고 있습니다.
인텔은 200억 달러를 투자하여 두 개의 새로운 팹을 건설 중입니다. 이 거대한 건물들은 미세한 칩을 생산하는 데 사용되며, 세계 최대 규모의 장비들을 애리조나로 가져왔습니다. 이것은 맨투워크에서 제작하는 가장 큰 크레인으로, 전 세계에 단 두 대만 존재하며 2,300톤급입니다. 공사가 시작된 이후 토공사업체들은 373만 1천 입방야드 이상의 흙을 옮겼습니다. 또한 2억 6천만 갤런 이상의 물을 사용했습니다. 애리조나의 주요 수원지는 지하수이지만, 대규모 농장의 깊은 우물에서 지하수가 자연적으로 보충되는 속도보다 빠르게 고갈되고 있습니다.
생산을 지원하기 위해서는 하루 약 470만 미니갤런의 물이 필요합니다. TSMC는 물 부족에 익숙합니다. 대만은... 애리조나주는 56년 만에 최악의 가뭄에 직면해 있지만, TSMC는 이러한 상황이 애리조나 공장의 생산에 영향을 미치지 않았다고 밝혔습니다. TSMC는 현장 수처리 센터에서 공장에서 사용되는 물의 최대 90%를 재활용하고, 역 삼투압 및 기타 기술 솔루션을 적용한 후, 최종적으로 피닉스시와 협력하여 지하수층으로 재주입할 계획입니다. 현재 전문가들은 모두 아시아에 있으며, TSMC 최고의 엔지니어들은 현재 대만에 있습니다.
이들은 앞으로도 대만에 남을 가능성이 높습니다. 최첨단 연구 개발(RMD)은 이 문제를 해결하기 위해 대만에서 진행될 것입니다. 채용 담당자 록산나 베가는 TSMC가 대만에서 최고의 전문가들을 데려오고 있으며, 이들은 해당 분야의 전문가로서 TSMC 공장에서 수행하는 업무를 담당할 것이라고 말했습니다. 근무 기간은 2~ 3년 정도 소요될 수 있습니다. TSMC는 이미 약 300명의 신규 미국 직원을 12~18개월 동안 대만으로 파견하여 업무에 적응하고, 대만의 5나노미터 기가팹에서 훈련받을 수 있는 기회를 제공했습니다. 이는 직원들에게 현장에 대한 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 것입니다.
애리조나에 들어설 우리의 최첨단 장비와 도구는 엄청날 것입니다. 대만은 아날로그 반도체 설계 분야에서 그다지 뛰어나지 않습니다. 미국으로 이전함으로써 훨씬 더 많은 아날로그 설계 인력을 확보할 수 있습니다. 이러한 다각화는 TSMC가 첨단 제조 시설을 미국으로 이전하는 주요 이유입니다. 또한 애플, 엔비디아, 퀄컴과 같은 미국 내 거대 고객사와의 근접성도 중요한 이점입니다. 생산 능력을 늘리려면 더 많은 팹을 건설해야 하는데, 이것이 바로 우리가 미국으로 이전하는 이유 중 하나입니다. 고객사들이 미국에 있기를 원하고, 미국 정부도 우리가 여기에 있기를 바랍니다.
고객사의 60% 이상이 여전히 미국 기업이기 때문에 애플과 같은 기업들은 만일의 사태에 대비해 공급업체가 자사 근처에 있기를 바란다는 뜻을 내비쳤습니다. TSMC는 대만과 중국에 거의 모두 위치한 12개의 팹을 보유하고 있으며, 전 세계 파운드리 매출의 약 54%를 차지합니다. 이처럼 대만의 TSMC에 대한 높은 의존도는 지진이나 현재의 가뭄과 같은 재해로 인한 잠재적 경기 침체에 세계를 취약하게 만듭니다. 미국, 중국, 대만을 둘러싼 지정학적 긴장감도 있지만, 어떤 이들은 TSMC를 대만의 '실리콘 실드'라고 부릅니다. 실리콘 실드 역할을 하는 TSMC는 매우 중요하며, 많은 사람들이 우리에게 의존하고 있습니다.
언론은 이 상황을 매우 암울하게 묘사하지만, 저는 오히려 훨씬 더 낙관적입니다. 부분적으로는 바로 이 '반도체 실드' 덕분입니다. 현재 중국은 첨단 기술 제조를 위해 대만산 반도체에 크게 의존하고 있으며, 미국 또한 대만에서 생산되는 칩에 크게 의존하고 있습니다. 미국 정부가 TSMC를 유치하기 위해 노력한 것도 바로 이 때문입니다. 앞으로는 지정 학적 갈등이나 또 다른 대규모 팬데믹을 걱정할 필요가 없을 것입니다. 미국 내에 이러한 제조 역량을 갖추게 될 것입니다. 현재 전 세계 반도체 생산량의 12%만이 미국에서 생산되고 있는데, 이는 1990년 37%에서 크게 감소한 수치입니다.
벨 연구소 시절, 실리콘 밸리 초창기에는 아마도 100%에 달했을 것입니다. 주 정부와 연방 정부 모두 TSMC를 유치하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다. TSMC는 첨단 실리콘 기술을 처음 선보였던 미국으로 다시 가져오기 위해 노력하고 있습니다. 애리조나주는 적격 시설 세액 공제와 양질의 일자리 세액 공제를 포함한 다양한 프로그램을 통해 기업 운영 비용을 절감할 수 있도록 지원하고 있습니다. 또한 피닉스시는 TSMC가 필요한 용수 및 기타 기반 시설에 접근할 수 있도록 2억 달러 규모의 인프라 패키지를 마련했습니다. 바이든 행정부는 TSMC와 같은 반도체 기업들이 미국 내에서 생산할 수 있도록 520억 달러의 보조금을 제안했는데, 이를 ' 칩 법안'이라고 부릅니다.
이는 인프라 구축에 관한 것입니다. 우리는 과거의 인프라를 보수하는 것이 아니라 현재의 인프라를 구축해야 합니다. 칩 법안과 같은 정책은 미국이 경쟁력을 유지하고 이러한 기업들을 미국으로 유치하는 데 매우 중요합니다. 그렇지 않으면 우리는 평생 반도체를 수입해야 할 것입니다. 지난 20~30년 동안 이러한 추세가 서서히 확산되어 왔습니다. 특히 다른 국가들의 생산 비용이 감소함에 따라 미국 기업들은 미국 외 지역에서 반도체를 생산하는 것이 20~25% 더 저렴해졌습니다. TSMC의 릭 캐시디는 반도체법 제정에 기여한 논의에 참여했습니다.
우리는 공정한 경쟁 환경을 조성하여 미국에서 반도체를 생산하는 비용이 다른 지역보다 더 비싸지지 않도록 하는 것 외에는 아무것도 바라지 않습니다. 업계 보고서에 따르면 미국 정부의 500억 달러 투자로 향후 10년 동안 미국에 19개의 새로운 반도체 공장(Fab)이 건설되어 국내 반도체 제조 능력이 두 배 이상 증가할 것으로 예상됩니다. 반도체 부족 현상이 지속되는 가운데, 이와 유사한 투자가 전 세계적으로 이루어지고 있습니다. 반도체 산업 협회는 2024년까지 72개의 새로운 공장이 가동되거나 대규모 확장이 이루어질 것으로 예상하며, 그중 10개는 북미와 남미에 위치할 것이라고 밝혔습니다.
저는 지난 2~3년 동안 평생 동안 들었던 것보다 더 많은 투자 발표를 접했습니다. 한국은 향후 10년 동안 4,500억 달러를 투자할 계획이며, EU는 약 1,500억 달러 규모의 투자를 발표했습니다. 이러한 투자를 바탕으로 내년 말쯤에는 반도체 부족 현상이 다소 완화될 것으로 예상합니다. 하지만 수요가 계속 증가함에 따라 비용 증가는 결국 소비자 가전 제품 가격에까지 영향을 미칠 수 있습니다. TSMC는 필요할 경우 프리미엄 가격을 책정할 수 있었고, 대부분의 고객은 그럴 만한 이유가 있다면 기꺼이 비용을 지불할 의향이 있다는 것을 알고 있습니다.
한편, TSMC는 미국을 포함한 여러 국가에서 생산 능력 확대를 위한 투자를 지속할 것입니다. 특히 애리조나에 있는 1,100에이커 규모의 부지는 2단계 개발을 위한 충분한 여유가 있습니다. 즉, 우리는 넓은 부지를 보유하고 있으며 더 많은 투자를 할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 시간이 걸리겠지만, 이는 단순히 칩과 파운드리뿐만 아니라 전체 공급망에 걸쳐 이루어질 것입니다. 포장 회사, 제조 공정에 필요한 화학 물질과 가스를 생산하는 회사까지 모두 포함됩니다. 저는 이것이 미국 반도체 산업 전체의 변화라고 생각합니다. 보시다시피 모든 것이 한 지역에만 집중되면 많은 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 미국이 지난 수십 년간 겪어온 하락세를 반전시키는 것은 큰 성과가 될 것입니다. [ 음악]
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