첨단반도체 R&D 협력 사례 분석: IMEC, TSRI, NSTC를 중심으로

유럽은 자국 내 첨단반도체 생산 능력은 제한적인 편이지만 반도체 생산에 필수적인 극자외선(EUV: Extreme Ultraviolet) 노광장비, 마스크 정렬장치 등 첨단제조 장비 측면에서 세계적인 기술력을 보유하고 있다. 특히 네덜란드의 ASML은 EUV 노광 장비를 독점 공급하고 있어 전 세계에 반도체를 납품하는 TSMC와 삼성전자 등 글로벌 기업들이 차세대 장비를 선점하기 위해 경쟁하고 있다.

IMEC은 이러한 차세대 EUV 노광장비 개발에 참여하는 동시에 장비 테스트를 전담하는 등 반도체 업계에 강력한 영향력을 가지고 있다. 또한, IMEC은 2023년에 발표한 1nm 이하 첨단반도체 로드맵을 통해 업계의 기술적 난제를 여러 반도체 업체들과 함께 극복하기 위한 R&D 방향성을 제시하는 등 기술적 리더십을 구축하고 있다.

IMEC은 이러한 기술적 리더십과 1조 3천억 원 규모의 핵심 인프라를 기반으로 인텔, 마이크론, 퀄컴, 삼성전자, SK하이닉스, TSMC를 포함한 정부, 대학, 기업 등 1,000개 이상의 파트너와 5~10년 후의 기술을 위해 협력하고 있다(표 1 참고) [5,6]. 또한, 유럽, 아시아, 북미 등 7개에 연구소를 두고 있으며, 96개국에서 온 5,500명 이상의 인력이 상주하고 있다.

IMEC에서 수행되는 공동연구의 특징은 국적과 관계없이 연회비를 내는 파트너에게 개방되어 있다는 점이다. 기업들은 단독으로 IMEC과 협력하기도 하지만, IMEC을 플랫폼으로 하여 다자간 협의체를 구성하기도 한다. 회원사들의 R&D 투자를 통해 공동연구가 수행되면, 연구 결과는 R&D 프로젝트에 참여한 회원사들에게 공유되고 공동 활용 가능성도 열려 있다. IMEC은 이러한 공동연구 및 산업계 회원사 연회비에서 예산의 70% 수준을 충당하고 있으며, 2021년 기준으로 7억 3,200만 유로(약 1조 430억 원) 수준의 매출을 올리고 있다[6].

또한, 주목할 만한 점은 IMEC이 연구개발 및 협력을 위해 특정 기업이나 국가 예산에 의존하지 않는 재정중립성을 유지한다는 점이다. 이는 특정 국가나 기업의 이해관계에 얽매이지 않고 반도체 업계 전반에 이익이 되는 방향으로 기술을 개발할 수 있게 한다. 이를 위해 IMEC은 본사가 위치한 벨기에 플랑드르 지방정부로부터 예산의 18%를 받는 부분을 제외하면, 가장 많이 내는 기업의 자금이 예산의 4%를 넘지 않는다.

IMEC은 IDM(종합반도체기업), 파운드리(위탁생산), 팹리스(설계), 장비 및 재료 공급업체, 시스템 파트너, 주요 학계 및 연구센터 등 회원사들과 경쟁 단계 이전 초기 기술을 공동으로 개발함으로써 리스크를 분산하고 개발기간을 단축할 수 있는 환경을 제공하고 있다. IMEC을 플랫폼으로 이루어지는 공동연구는 개별기업이 진행하기에 초기 연구 비용이 매우 높은 영역에서 가치사슬 전반에 걸쳐 파트너 간에 전문 지식과 연구를 공유하는 채널이기도 하다. 그림 2 [5,6,8,9]에서 보듯이, 기업들은 R&D 비용 분담과 위험 최소화, 상용화까지 걸리는 기간(Time to Market) 단축 등을 통해 투자수익률을 최적화할 수 있다.

그림 2

IMEC의 글로벌 개방형 연구개발 협력 개념도

출처 Reproduced from [5,6,8,9].

한편 반도체를 둘러싼 기정학적(技政學的) 긴장이 고조되면서 유럽에서도 EU 역내 반도체 자체 생산 역량을 확대하려는 움직임이 본격화되고 있다²⁾. 더불어 TSMC 및 인텔 공장을 유치하는 등 첨단반도체에 대한 대외의존도를 낮추려는 기조가 확대되고 있다. 이러한 환경은 앞으로 IMEC에서 이루어지는 중립적이고 개방적인 R&D 협력에 어떤 식으로든 영향을 미치게 될 것이다.

첨단반도체는 대만이 국가의 사활을 걸고 있는 전략 산업 분야이다. 대만은 전 세계 파운드리 시장의 66%(2022년 기준)를 차지하는 반도체 강국이다. 이 중 56%의 시장을 점유한 TSMC의 기술력은 대만의 국가적 외교협상력과 지정학적 가치를 좌우한다.

대만 정부는 TSMC, 대만 학계 및 국립연구소를 하나의 생태계로 연결하는 산학연 협력 플랫폼을 구축하기 위해 2019년 TSRI 설립을 추진하였다³⁾. 이를 통해 기존에 연구 분야별로 흩어져 있는 반도체 R&D 조직을 합병하고 공동연구에 친화적인 환경을 조성하였다. 이후 TSRI는 출범한 지 오래되지 않은 기관이지만 반도체 민관 협력이 활발히 이루어지는 R&D 협력 허브로 단기간에 성장하였다.

그림 3 [10,11]에서 보듯이, TSRI는 반도체 공정 전반에 걸친 종합연구와 더불어 대만의 R&D 생태계 강화를 위한 서비스 및 전문인력 양성을 적극적으로 지원하고 있다. 특히 산업과 학계를 긴밀히 연계한 인재 양성이 TSRI의 주요한 특징이다. TSRI는 TSMC와 긴밀한 협력관계를 형성함으로써, 대학연구실과 교육생들이 접근하기 어려운 고가의 반도체 관련 장비를 실습 및 연구 목적으로 제공한다. 학생들은 첨단장비를 활용해 실무적 역량을 키운 후 TSMC의 전문인력으로 채용될 기회를 얻는다. 관련하여 TSRI는 대만 학계에 최첨단 공정기술 설계, 칩 구현, 반도체 제조, 측정 서비스를 제공하며 이 중 일부는 무료로 제공하기도 한다[10].

그림 3

TSRI의 대만 산업생태계 중심 연구개발 협력 개념도

출처 Reproduced from [10,11].

요컨대 첨단반도체 공정 기술력에서 세계 선두를 달리는 TSMC가 첨단장비를 TSRI에 교육 및 연구 목적으로 지원하고, TSRI는 이를 기반으로 대만 학계에 대한 R&D 서비스와 교육 프로그램을 제공하는 산학연 협력이 이루어진다. 이를 통해 대만은 자국의 반도체 산업에서의 경쟁 우위 유지를 목적으로 과학기술 역량 강화와 인재 양성의 선순환 구조를 구축한 것이다.

미국은 반도체 산업에서 매출액 기준 전 세계 상위 10개 기업 중 7개 기업(인텔, 퀄컴, 브로드컴, 마이크론, AMD, 텍사스 인스트루먼트, 애플)을 보유하고, 팹리스(반도체 설계) 시장의 약 70%를 점유하는 반도체 설계 강국이다[12]. 미국 IDM들이 비용이 많이 드는 반도체 제조 기능을 일본, 대만, 한국으로 아웃소싱하면서 미국에는 칩 디자인을, 생산은 동아시아 파운드리 업체에 맡기는 팹리스가 급증했다. 그러나 코로나19 및 대만 가뭄 등의 원인으로 미국 내 반도체 생산 및 수급에 차질이 빚어지면서, 미국 바이든 정부는 자국의 안정적인 반도체 수급과 자국 중심 기술블록화를 국가의 번영과 경제 안보 차원의 문제로 격상시켰다.

이러한 미국 정책 변화의 중심에는 2022년 8월 통과된 미국 반도체지원법(CHIPS Act)이 있다. 반도체 지원법에 의한 투자 전략은 ① 미국 반도체 제조시설에 대한 인센티브 제공을 위한 390억 달러(약 51조 8천억 원)와 더불어 ② 첨단반도체 기술 선도를 위한 R&D 지원 목적의 110억 달러(약 14조 6천억 원)를 포함한다. 이 중 110억 달러는 미국 반도체 산업을 강화하고 R&D 생태계 허브인 NSTC의 구축과 운영에 초점을 두고 있다. 이와 관련하여 미국 지나 레이몬도(Gina Raimondo) 상무부 장관은 다음과 같이 발언하였다[13].

“390억 달러의 보조금은 반도체 제조업을 미국에 다시 가져오겠지만 강력한 R&D 생태계가 있어야 그것이 유지될 수 있다. (중략) 강력한 반도체 R&D 생태계를 구축하기 위해 110억 달러를 투자할 것이다. 이 투자의 핵심은 NSTC의 설립이다.”

− 레이몬도 장관, 2023년 2월

2023년 4월 미 상무부가 발표한 「NSTC를 위한 비전과 전략」 [14]에 따르면, 미국은 정부, 기업, 고객, 교육기관, 투자자 등으로 구성되는 민관 컨소시엄을 구축할 계획이다. 이 컨소시엄은 기존의 IMEC이나 Sematech과 마찬가지로 개별 기관에서 수행하기 쉽지 않은 사전경쟁 분야의 리스크를 나누고 상용화까지의 소요 시간(Time to Market)과 비용을 단축할 수 있는 장비, 자원, 시설 등을 제공할 것이다.

그러나 이번에 새롭게 출범하는 NSTC는 운영 방식과 목적에서 기존의 사례와 분명한 차이점이 존재한다. NSTC는 산업계와 수행하는 공동연구 프로젝트 중심으로 운영되기보다는 미국의 반도체 정책을 실행하는 연구개발 및 관리기관으로서의 역할을 수행하게 될 것이다[13]. 특히, NSTC는 미국이 주도하는 차세대 반도체 기술의 로드맵과 표준을 따르는 커뮤니티를 구성하고 이들에게 인센티브를 부여할 것으로 예상된다. 이렇게 되면 NSTC에 참여하지 않는 기업은 로드맵과 표준 개발 커뮤니티에서 소외될 가능성이 크다. 이는 그림 4에 나타낸 바와 같이 미국 상무부에서 미국의 기술 리더십 강화를 위한 R&D 수행과 더불어 로드맵 및 미국국립표준과학원(NIST)과 연계한 표준 개발을 NSTC 주요 프로그램에 포함시켰기 때문이다.

그림 4

NSTC의 미국 및 우방국 중심 연구개발 협력 개념도

출처 Reproduced from [13].

그리고 이러한 R&D, 로드맵, 표준 개발 커뮤니티의 범위 또한 미국과 반도체 통상 및 기술적 동맹 관계를 구축한 우호국의 기업 및 연구기관에 제한될 가능성이 크다는 점에서 IMEC의 개방적인 협력과 차별화된다. 미국 상무부는 관련 문건에서 중국 등 우려국이 소유하거나 통제하는 기업은 NSTC 멤버가 될 수 없다고 명시하고 있다. 결국 NSTC의 운영 목적은 반도체 업계 전반의 기술 발전보다는 자국 또는 자국에 우호적인 파트너의 기술 주도권을 강화하는 데 강조점을 두고 있는 것으로 보인다.

이러한 목적을 실행하기 위해 NSTC는 미국 전역의 제휴 기술센터 네트워크로 구성될 것으로 보인다[14]. 그리고 미국과 동맹을 체결한 국가에서도 NSTC 기술센터를 운영할 가능성이 매우 높다.

미 상무부가 예상하는 NSTC 컨소시엄 참여 멤버는 엔비디아, 퀄컴, AMD와 같은 팹리스 반도체 회사, 자체 칩을 설계하는 반도체 고객, 대학 및 연구 기관, 파운드리 및 장치 제조업체, 장비 및 재료 공급업체 등이다. 참여 멤버는 NSTC의 연구 및 인력 프로그램, 시설, 회의, 공유 로드맵, 표준 개발 및 연구 데이터에 접근이 가능하다.

또한, NSTC는 참여 멤버가 상대적으로 낮은 비용으로 높은 수준의 기술 지원과 시설 이용이 가능하도록 다양한 물리적 및 디지털 자산을 관리하고 운영한다. ① 물리적 자산의 경우 소량의 시제품 제작 및 테스트, 교육 목적의 설계 및 프로토타이핑 등을 위한 신규 시설 구축 및 기존 시설의 인수와 제휴를 통해 확보한다. ② 디지털 자산의 경우 회원사에 설계자산(IP), 설계 프로그램 등 저비용의 안정적인 환경을 제공한다. 이는 반도체 설계 비용이 급증하고 기술이 복잡한 이기종 시스템으로 전환되는 가운데 효율적 설계 생태계가 상용화에 중요해졌기 때문이다. 또한, NSTC 프로그램에서 생성되는 비독점 데이터 수집, 공유를 통해 설계 개념에서 실증된 IP로 전환하는 데 드는 시간을 단축하고 비용을 절감한다. 특히 NSTC 자금 지원의 결과로 개발된 IP를 멤버들에게 합리적인 비용으로 제공하고 적절한 공유를 촉진하겠다는 계획이다.

NSTC의 등장이 의미하는 바는 지난 30년간 글로벌 분업화에 따라 형성된 반도체 협력 구도를 미국 중심으로 재편하고, 주도권을 강화하려는 전략이 구체적인 민관 컨소시엄 형태로 실체화된 것이라 할 수 있다. 반도체 설계와 원천기술을 좌우하는 미국이 주도하는 기술블록화 기조는 매출의 상당 부분을 중국 시장에서 창출해온 한국 기업에 강력한 압박을 주고 있다. 하지만 한편으로는 중국의 첨단 반도체 추격을 따돌리고, 반도체 기술을 선도하는 미국 및 해외 기업과의 협력을 확대할 수 있는 좋은 기회이기도 하다.

지금까지 IMEC, TSRI, NSTC 사례를 통해 살펴 본 유럽, 대만, 미국의 반도체 R&D 협력에서의 주요 특징을 표 2에 제시하였다.

유럽 IMEC의 경우 96개국 5천여 명이 협력하는 세계 최대 반도체 R&D 글로벌 허브로 성장하기까지 반도체 제조에 필수적인 극자외선 노광장비를 독점 공급하는 제조업체(ASML)와의 협력이 큰 역할을 한 것으로 보인다. IMEC은 자국 중심의 생태계를 구축한 미국과 대만의 사례와 달리 국제적으로 개방된 협력 체계를 보여주고 있으며, 정부의 개입이 적은 자생적 생태계라는 점에서 차이가 있다.

대만 TSRI 사례는 자국 반도체 산업의 경쟁력 강화를 위해 산업, 학계, 연구 부문에서 각각 축적해온 R&D 기반을 통합하고 연계하였다는 특징이 있다. 특히 세계 최대 반도체 제조업체(파운드리)인 TSMC가 최첨단 설비를 교육 및 연구 목적으로 TSRI를 중심으로 한 연구 생태계에 제공하고, 이를 통해 TSMC에 채용되는 고급 전문인력이 양성되는 점에서 성공적인 협력의 사례로 들 수 있다. TSRI는 고가의 첨단장비를 기반으로 연구개발 협력을 활성화했다는 점에서 IMEC과 유사하지만, 자국의 산업생태계 육성에 보다 중점을 두고 있다는 점에서 차별화된다. NSTC와는 자국 중심의 협력을 강화한다는 점에서는 비슷하지만, NSTC처럼 컨소시엄 외부의 기업을 소외시킬 만큼 뚜렷한 경계선을 가지고 있지는 않다.

미국 NSTC의 경우 TSRI와 마찬가지로 정부의 개입 수준이 높다는 점이 특징이다. 이는 기존에 미국이 기초·원천 연구를 통해 민간을 간접 지원하고 산업 혁신은 민간에서 주도하던 방식과는 결이 다른 행보이다. NSTC를 통해 발견할 수 있는 미국의 의도는 자국 안에서 반도체의 모든 것이 이루어지는 강력하고 새로운 생태계를 형성함으로써 다른 국가에서 이를 독점하거나 미국이 해외에 의존하는 일을 만들지 않겠다는 것이다.

특히 NSTC를 통한 R&D 협력은 기존의 원천기술 개발의 비용과 리스크 분담이라는 기대효과 이면에, 차세대 기술개발을 위한 로드맵과 표준에 참여하느냐, 못하느냐의 문제라는 관점에서 볼 필요가 있다. 아울러 NSTC에서 참여 멤버로 묶어놓은 커뮤니티 안에서는 공동으로 개발한 기술에 대한 주도권과 사용권 배분이 중요한 이슈가 될 것으로 예상된다.