반도체를 둘러싼 각국의 기술, 돈, 인재 경쟁
진짜 전쟁이다

강대국들의 반도체 패권 다툼이 격화되고 있다. 반도체가 ‘전략물자’로 급부상하며 기업 간 경쟁에서 국가 대항전으로 성격이 달라졌다. 반도체가 경제뿐 아니라 세계 정치 질서에 영향을 끼칠 수 있고, 나아가 국가 존망까지 가를 수 있다는 점에서 전 세계가 사활을 걸었다. 반도체 산업은 4차 산업혁명의 핵심으로 AI, 빅데이터, 6G, 로봇, 항공우주, 양자컴퓨터를 포함한 슈퍼컴퓨터 활용 및 대륙간 탄도 미사일 등 방위산업의 근간이다. 반도체 기반의 첨단 기술은 민·군 모두 중요하며, 경제와 국가 안보에 큰 영향을 미친다. 이런 이유로 미중 반도체 패권 경쟁은 시간이 갈수록 격해질 것이다. 반도체 산업은 그동안 세계화에 맞추어서 철저한 분업화가 이루어졌지만, 이제 미국은 자국 내 반도체 직접 생산을 통한 글로벌 반도체 공급망의 새로운 질서를 주도하고 있다. 미국은 칩스법(반도체 산업 육성법)과 칩4 동맹(미국, 한국, 일본, 대만)으로 중국에 대응한다. 이 방안은 미국에 반도체 공장을 충분히 지어서 미국의 제조 역량을 구축하는데 목적이 있으며, 중국이 10나노 아래 초미세공정 기술 개발을 하지 못하도록 견제하고 있다.

그러나 중국도 만만치 않다. 중국은 미국의 제재를 피해서 구형 공정(레거시) 장비에 투자하고 있는데, 실제로 많은 성과를 내고 있다. 실제 반도체 산업에서 10나노 아래의 하이테크 공정을 사용하는 비중은 크지 않기 때문이다. 중국 1위, 세계 5위 파운드리 기업인 SMIC는 2023년에 7나노 첨단 공정으로 만든 반도체를 화웨이에 공급했다. 현재 최신 아이폰이나 갤럭시 같은 최신 스마트폰에 탑재된 3~4나노 칩보다는 떨어지지만, 미국의 전방위적 압박 속에서도 기술 진보를 이룬 것이다. 또한 중국은 시스템반도체 설계에서 우리나라보다 훨씬 우위에 있다. 미국과의 반도체 패권 경쟁을 목적으로 별도의 반도체 펀드를 마련하고 있으며, 세 번째로 조성된 이번 펀드는 사상 최대 규모다. 중국도 앞으로 AI 반도체 개발에 많은 투자를 할 것으로 예상된다.

향후 미국의 대중 규제는 전선이 넓어지면서 더욱 강화될 가능성이 크지만, 중국은 중국 정부의 강력한 지원 하에 반도체 국산화 전략이 지속될 것이다. 특히 장비·소재 분야에 대한 투자가 공격적으로 이뤄질 것으로 보인다. 이로 인해 한국에 미칠 영향은 매우 크다. 파운드리, 낸드플래시, D램, 화합물 반도체 등 모든 분야에서 한국 기업과 경쟁이 심화할 것으로 보인다. 우리도 정부와 기업이 긴밀히 협조하여, 중국이 우리에게 미치는 영향을 예의 주시하고 종합적인 대책 마련이 시급하다.

시장 전환을 이끄는 게임 체인저
왜 AI 반도체가 중요한가?

반도체는 흔히 ‘산업의 쌀’로 비유된다. 산업에서도 사람의 생명을 지키는 쌀 만큼이나 반도체의 중요성이 크기 때문이다. 컴퓨터, TV, 냉장고 등 대부분의 가전제품은 물론이고 자동차, 항공기 등 운송 수단, CCTV와 신호등 및 교통 안내 시스템 등 전기·전자 제품에 사용된다. 반도체는 크게 메모리반도체와 시스템반도체(비메모리)로 나뉜다. 메모리반도체는 정보를 저장하고 기억하는 용도로 활용되며, D램과 낸드플래시 등이 이에 속한다. 시스템반도체는 데이터의 연산, 제어 등 정보처리 역할을 담당한다는 측면에서 인간의 두뇌에 해당한다고 볼 수 있는데, 컴퓨터와 스마트폰의 AP(응용프로세서), 자동차의 제어장치에 활용되는 것이 대표적이다.

스마트폰의 AP는 대표적인 시스템반도체다. AP는 CPU, GPU, NPU 등 세 가지가 기본 코어로 구성된다. CPU(중앙처리장치)는 운영체제를 실행해 웹브라우징이나 게임 등 스마트폰의 핵심 기능을 수행한다. GPU(그래픽처리장치)의 역할은 그래픽과 영상 데이터를 화면에 표시해 주거나 게임의 3D 그래픽을 처리하는 것이다. NPU(신경망처리장치)는 인공지능 전용 코어로, 인공지능의 알고리즘을 효율적으로 처리해 내며, 대용량 정보의 동시다발적 연산이 가능하다.

AI가 가능하게 된 것은 AI 반도체 덕분이다. AI는 수많은 데이터를 학습하고 이를 통해 추론한 결과를 도출하는데, 학습 데이터를 단시간에 받아들이고 처리 연산에 최적화된 역할을 하는 것이 바로 ‘AI 반도체’다. 인간의 뇌를 모방한 AI 기술은 1960년대부터 연구된 분야였지만, 오랜 시간 침체기를 겪었다. 그러나 이후 학습에 필요한 많은 계산량을 GPU 반도체로 해결하면서 딥러닝 기반 AI 기술이 사업에 활용되기 시작했다. 반도체 기술의 발전 덕분에 학습과 추론의 복잡한 연산이 가능해지면서 생긴 변화이다. AI가 똑똑해지려면 방대한 양의 데이터를 학습해야 하므로 많은 연산량과 고속 데이터 처리 속도가 필수적이다. 그래서 AI의 성능이 향상될수록 기존 반도체의 성능과 연산 방식을 뛰어넘는 반도체가 필요하다. 반대로 말하면, 반도체 기술과 산업의 발전 없이는 향후 AI 발전도 없다는 의미다.

현재 챗GPT 등 생성형 AI 열풍으로 딥러닝 기반 클라우드 서버 중심의 고성능 GPU 반도체 사용이 폭발적으로 늘고 있다. 엔비디아의 차세대 AI 반도체 공개에 글로벌 증시가 출렁인다. 초강력 하드웨어(GPU)와 이를 뒷받침하는 소프트웨어(쿠다)를 바탕으로 AI 반도체 생태계의 80% 이상을 장악한 엔비디아에 맞서 수많은 빅테크 기업들의 도전이 진행 중이다. 인텔, AMD 같은 반도체 기업뿐만 아니라 구글, 메타, 마이크로소프트 같은 서비스 기업도 독자적인 AI 반도체와 소프트웨어를 개발하며, 오픈AI도 AI 반도체 개발에 뛰어들기 위해 파트너를 찾고 있다. 글로벌 빅테크들이 모두 앞다퉈 엔비디아와는 다른 AI 생태계 구축을 위해 총력을 기울이고 있다. 메모리 반도체 시장도 역시 활기를 띠고 있다. AI 반도체에 고성능 맞춤형 HBM 메모리가 사용되면서 SK하이닉스와 삼성전자가 시장을 주도하고 있으며, 미국 마이크론의 도전도 거세다.

AI 반도체 시장의 초기 승자가 엔비디아라는 것은 분명한 사실이다. 그러나 많은 기업이 아직 초기에 불과한 AI 반도체 시장에 뛰어들었기 때문에, 엔비디아가 계속 독점하기는 쉽지 않을 것이다. 국내 AI 반도체 업체들은 후발 주자지만, 시기적으로도 추론용 AI 반도체 수요가 급증하는 시점인 만큼 분명히 기회는 있다. 퓨리오사AI, 리벨리온과 사피온의 연합에 기대를 거는 이유다.

온디바이스 AI와 AI 반도체가 만들어 내는
다양한 응용 산업과 서비스가 기회다!
스마트홈, 자율주행차, 로봇, 지능형 CCTV, 헬스케어 등

AI를 활용해 많은 제품을 만들려면 AI 반도체가 필수적이다. AI는 IoT와 5G·6G 네트워크 기술에 더해져 데이터 센터뿐만 아니라 자율주행차, 스마트홈, 스마트팩토리, 스마트시티 등 많은 미래 먹거리도 만들어 낼 것이다. 모두 한국 경제를 이끌 중추 산업이다. 우리나라가 강화해야 할 AI 반도체 분야는 학습용이 아니고 추론용이며, 또한 좀 더 힘을 모아야 하는 것은 전자제품, 스마트폰, 자동차 등 개별 기기에 특화된 온디바이스 AI 반도체 개발이다.

‘온디바이스 AI’는 물리적으로 떨어진 서버의 연산을 거치지 않고 기기 자체에서 AI 기능을 구현하는 기술을 말한다. 스마트폰이나 태블릿 PC 같은 하드웨어 플랫폼에서 직접 실행되며, 작동을 위해 온라인 연결이 필요하지 않다는 특징이 있다. 현재는 PC와 스마트폰, 스마트 기기에 있는 각종 센서 등을 통해 수집한 정보를 데이터 센터로 전송해 분석한 뒤, 결과를 다시 단말기로 받는 클라우드 기반의 AI 서비스가 중심이다. 그러나 지금 스마트폰을 필두로 온디바이스 AI 시대가 개막하고, 기업들의 최대 전쟁터로 급부상하고 있다. IT 기업들이 온디바이스 AI를 추구하는 것은 제품의 차별화를 위한 큰 흐름이기 때문이다.

온디바이스 AI 기술을 응용한 예로 스마트폰의 화질 개선, 음성인식, 번역, 통역 서비스를 떠올리면 쉽다. 온디바이스 AI가 적용된 스마트폰의 가장 강력한 기능 중 하나인 ‘실시간 통역 통화(AI Live Translate Call)’는 별도의 애플리케이션 설치나 인터넷 연결이 필요 없으며, 스마트폰 이용자가 자국 언어로 이야기하면 상대방의 스마트폰 기종과 상관없이 이를 상대국 언어로 바꿔 전달해 주고, 다시 상대방의 말을 통역해 들려준다. 통화 내용이 휴대폰 외부로 노출될 가능성도 없어, 사용자는 보안 걱정없이 안심하고 사용할 수 있다.

IoT 기반에 AI를 접목한 ‘지능형 사물인터넷(AIoT)’ 기술 활용을 통해 로봇청소기, 세탁기 같은 가전제품에도 광범위하게 적용하는 스마트홈 서비스 고도화, IoT·AI·빅데이터 기술을 접목해 각종 문제를 해결하고 삶의 질을 개선하는 스마트시티 등 일상에 AI가 접목되며 생활 역시 편리하게 변화하고 있다. 복잡하고 고도의 전문성이 요구되는 의료영역에서도 AI가 광범위하게 활용되고 있다. 신약 개발부터 예방, 진단, 처방 등 모두 활용되고 있으며, 개인 건강 관리 영역에서는 스마트워치와 스마트링은 AI를 통해 강화된 관리 솔루션을 제공한다. 건강 문제를 다루는 AI 헬스케어 시장은 전 세계적으로 여러 AI 응용 분야 중에서도 가장 큰 시장이다.

사회적인 재난 안전을 위한 기술로는 AIoT가 더욱 효과적이다. 재난 유형 중 AIoT 기술이 적용된 중요 분야 중 하나가 화재 예방 시스템이다. 소방공무원 인원만으로는 관리에 한계가 있어 상시적인 실시간 소방 시설 관리에 어려움이 많았다. 잦은 오작동으로 아예 자동 화재 탐지 설비를 꺼두는 건물이 많고, 이에 실제 화재 시에 소방 시설이 전혀 작동하지 않아 인명 피해가 종종 발생했던 것도 사실이다. 각종 화재 감지 장치를 설치하고, AIoT 기술을 기반으로 화재를 감지해 관제실이나 소방서에 화재 정보를 알리는 방법은 그동안 많은 준비를 해왔고, 활용 단계에 와 있다.

산업 분야에서도 AI를 통한 변화가 일어나고 있다. 그중 가장 활발한 분야는 영상 감시 분야다. 이전의 CCTV가 눈 역할을 했다면, AI 기술이 접목된 지능형 CCTV는 눈과 뇌의 역할을 해낸다. 일반 CCTV는 길거리에서 사람이 쓰러지면 화면만 보여준다. 반면, 지능형 CCTV는 이를 응급 상황이라 판단해 실시간으로 관제직원에게 경고 메시지를 전달하고, 그 장소를 사각형으로 표시해 준다. 이런 식으로 빠르게 조치를 취할 수 있고, 이를 통해 골든타임도 확보할 수 있다. 실시간으로 영상을 분석해 범죄와 사고 예방이 효율적이어서 군사 경계선, 항공 등 주요 시설은 물론이고, 최근에는 기업 사업장의 경비 및 산업 안전 관리에 지능형 CCTV를 도입하는 곳이 늘고 있는 추세다. 또한, 기획·설계·생산·유통·판매 등 전 생산 과정에 정보통신 기술을 적용해 고객 맞춤형 제품을 생산하는 지능형 생산 공장을 의미하는 스마트팩토리도 AI에 기반한 거대한 혁신이다.

앞으로 인간 생활의 모든 분야에 AI가 접목되는 ‘AI+X’ 시대가 올 것이다. 사전적 의미에서 ‘X’는 ‘정해지지 않은’이라는 형용사지만, 또한 ‘everything’으로도 해석할 수 있다. 즉, 모든 분야에 적용할 수 있다는 이야기이다. 책 《AI 반도체 전쟁》은 AI 시대의 새로운 시작은 우리에게 기회라고 강조한다. AI 반도체를 선점하여 신제조업 성장의 기회를 잡는 것, 반도체 강국이자 제조업 강국인 우리나라로서는 지금이 절호의 찬스다.