뉴스에서 말하는 ‘성숙 공정’이란? 구세대 칩은 왜 여전히 중요할까

뉴스에서 흔히 말하는 ‘성숙 공정’은 이미 여러 해 동안 대량 생산해 온 구세대 공정이다. ‘성숙 공정 칩 공급 부족’, ‘성숙 공정 공급 과잉’, ‘성숙 공정 생산 능력 확대’는 모두 이런 공정으로 만든 칩을 두고 하는 말이다. ‘2나노’, ‘3나노’ 같은 이름은 공정의 한 세대를 가리킨다(이름이 어떻게 붙었는지는 뉴스에서 말하는 ‘2나노’에서 다뤘다). 가장 최신의 몇 세대를 첨단 공정이라 하고, 그보다 몇 세대 이전의, 이미 충분히 무르익은 공정을 성숙 공정이라 한다. 영어로는 mature node라 하고, 뉴스에서는 legacy chips라는 말도 자주 쓰는데, 직역하면 ‘구세대 칩’이다.

몇 나노부터 ‘성숙’일까? 첨단 공정과는 어떻게 나눌까?

통일된 기준은 없다. 흔한 견해 가운데 하나는 28나노와 그보다 오래된 세대를 성숙 공정으로 보는 것이고, 그보다 조금 더 새로운 세대에 선을 긋는 사람도 있다.

이 선은 시간이 지나면서 앞으로 옮겨 가기도 한다. 오늘의 첨단 공정도 몇 년 뒤 더 새로운 세대가 나오면 점차 성숙 공정이 된다.

‘성숙’하다는 것은 장비, 재료, 모든 공정 단계가 여러 해 동안 쓰여서 생길 수 있는 문제를 대부분 찾아내 해결했고, 생산이 안정적이며 양품 칩의 비율(수율)도 높다는 뜻이다. 새로운 세대를 막 생산하기 시작할 때는 정반대다.

왜 모두 최신 세대로 바꾸지 않을까?

최신 세대의 장점은 같은 면적에 더 많은 스위치(트랜지스터)를 넣을 수 있어 더 빠르고 전력도 덜 쓴다는 것이다. 스마트폰과 컴퓨터에서 연산을 맡는 프로세서와 AI 칩에 이것이 가장 필요하다.

하지만 많은 칩은 하는 일이 다르다. 그렇게 많은 스위치가 필요 없고, 다른 것이 필요하다.

• 높은 전압과 큰 전류를 견뎌야 한다: 충전기와 전원 칩은 콘센트나 배터리의 전기를 각 부분에 필요한 전압으로 바꿔야 한다. 전압이 높고 전류가 크면 스위치를 크게 만들어야 하고, 스위치 안의 절연층도 두껍게 만들어야 한다. 최신 세대의 스위치는 작고 얇아서 아주 낮은 전압만 쓸 수 있고, 전압이 높아지면 절연이 파괴될 수 있다.
• 더위와 추위를 견디고 여러 해 동안 써야 한다: 자동차의 칩은 겨울에 야외에 세워 둘 때도, 여름에 엔진 가까이 있을 때도 정상적으로 작동해야 한다. 자동차, 공장 기계, 의료기기는 한번 쓰면 여러 해를 쓴다.
• 저렴하고 안정적이며 계속 구할 수 있어야 한다: 가전제품 하나, 자동차 한 대에는 칩이 많이 들어가므로 하나하나가 저렴해야 한다. 같은 칩을 여러 해 뒤에도 구할 수 있어야 한다. 칩 하나를 바꾸면 기계 전체를 다시 테스트해야 하는 경우가 많기 때문이다.

이런 일은 구세대 공정이 잘한다. 안정적이고 저렴하다.

아날로그 칩은 왜 미세화를 반기지 않을까?

칩 가운데 큰 부류로 아날로그 칩이 있다. 아날로그 칩은 0과 1만 있는 신호가 아니라 소리의 크기, 온도의 높낮이, 빛의 밝기, 배터리 잔량처럼 연속적으로 변하는 것을 처리한다. 센서, 전원 관리 칩, 무선 신호를 송수신하는 칩에는 아날로그 회로가 많이 들어 있다.

아날로그 회로는 작게 만들어도 이점이 크지 않고, 오히려 만들기 더 어려워지기도 한다.

• 최신 세대는 전압이 매우 낮아서 신호가 오르내릴 수 있는 범위가 좁아진다. 그러면 작은 노이즈도 크게 느껴진다. 누군가 아주 작은 목소리로 말할 때 옆에서 조금만 시끄러워도 잘 들리지 않는 것과 같다.
• 아날로그 회로에는 저항, 커패시터 같은 부품이 자주 쓰인다. 이 부품의 크기는 필요한 값에 따라 정해지므로, 스위치가 작아진다고 함께 작아지지 않는다.

그래서 많은 아날로그 칩은 계속 구세대 공정으로 만든다.

오래된 공정은 왜 더 저렴할까?

주된 이유는 세 가지다.

1. 장비 비용을 이미 다 상각했다. 팹의 장비는 매우 비싸고, 사들인 뒤로 매일 감가상각된다(‘반도체 공장은 왜 24시간 멈추지 않을까?’에서 다뤘다). 구세대 칩을 만드는 라인은 이미 여러 해 동안 쓰여 장비 비용을 오래전에 다 상각한 경우가 많아, 지금은 웨이퍼 한 장을 만들 때마다 분담할 비용이 훨씬 적다.
2. 공정 단계가 적다. 새로운 세대일수록 칩 하나가 거쳐야 할 단계가 많고 만들기도 어렵다. 구세대는 거치는 길이 조금 짧다.
3. 생산이 숙련되어 있다. 수율이 높고 돌발 상황이 드물어 스크랩되는 웨이퍼가 적다.

전원, 아날로그, 센서 칩을 만드는 라인은 아직도 지름 20cm(8인치) 웨이퍼를 쓰는 곳이 많다. 최신 라인에서 흔히 쓰는 30cm보다 한 치수 작다.

이 공정을 쓰는 제품은 얼마나 많을까?

매우 많다. 자동차, 가전, 충전기, 공장 기계, 의료기기, 네트워크 장비에 들어가는 칩 상당수가 성숙 공정으로 만들어진다. 비교적 새로 나온 자동차 한 대에는 칩이 천 개가 넘게 들어갈 수 있는데(세는 방식에 따라 다르다), 그 가운데 상당수가 이런 공정으로 만든 칩이다.

스마트폰도 마찬가지다. 연산을 맡는 프로세서는 최신 세대를 쓰는 경우가 많지만, 그 옆에서 전원과 충전을 관리하고 감지를 맡는 칩은 성숙 공정인 경우가 많다.

뉴스는 왜 공급 부족이라고 했다가 공급 과잉이라고 할까?

수요는 빨리 변하고 생산 능력은 천천히 변하기 때문이다.

수요는 순식간에 늘 수 있다. 모두가 동시에 어떤 제품을 더 사거나, 동시에 칩을 더 쌓아 두려 할 때다. 생산 능력은 바로 따라가지 못한다. 기존 공장에 라인을 더 열려면 먼저 장비를 구해 설치하고 안정될 때까지 조정해야 해서 몇 달 이상 걸리는 경우가 많고, 새 공장을 짓는 데는 그보다 오래, 해 단위의 시간이 걸린다. 장비에 여유가 있더라도 웨이퍼 한 장을 투입해 완성하기까지 몇 주에서 몇 달이 걸린다.

자동차 한 대에 작고 비싸지 않은 칩 하나가 빠져도 그 차는 조립을 끝낼 수 없다. 그래서 성숙 공정 칩이 부족해지면 그 영향이 아주 큰 제품에까지 미치는 경우가 많다.

반대로 공급이 부족할 때 모두가 라인을 늘리면 몇 년 뒤 한꺼번에 완성된다. 그때 수요가 이미 둔화되었다면 라인이 남아돌고 공장들이 앞다퉈 주문을 받으려 하며, 뉴스는 ‘공급 과잉’이라고 말한다. 부족과 과잉은 흔히 이렇게 번갈아 찾아온다.

성숙 공정은 도태될까?

그렇지 않다. 성숙 공정과 첨단 공정은 역할을 나누는 관계이지, 새것이 옛것을 대체하는 관계가 아니다. 스위치를 최대한 많이 넣어야 하는 칩은 첨단 공정을, 전압에 강하고 오래 쓰며 저렴해야 하는 칩은 성숙 공정을 쓴다. 제품 하나에 두 가지가 함께 들어 있는 경우도 많다.

성숙 공정도 계속 개선되고 있어, 전력을 덜 쓰거나 더 오래 견디거나 기능이 하나 더 있는 버전이 나온다. 뉴스에서 말하는 첨단 패키징도 최신 세대가 가장 필요한 부분만 최신 세대로, 나머지 부분은 구세대로 만든 뒤 하나로 패키징하기도 한다(뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’에서 다뤘다).

다음에 뉴스를 보면 이렇게 읽으면 된다

• ‘성숙 공정 공급 부족’: 구세대 공정으로 만드는 칩의 수요가 라인이 만들 수 있는 양보다 많다는 뜻이다. 자동차나 가전이 작은 칩 몇 개가 모자라 완성이 늦어질 수 있다.
• ‘성숙 공정 공급 과잉’: 이런 칩을 만들 수 있는 라인이 필요보다 많아, 공장들이 앞다퉈 주문을 받으려 한다는 뜻이다.
• ‘성숙 공정 생산 능력 확대’: 자동차, 가전, 전원에 쓰이는 칩처럼 구세대 공정으로 칩을 만드는 라인을 더 늘린다는 뜻이다.
• ‘첨단 공정과 성숙 공정’: 한쪽은 스위치를 가장 많이 넣는 최신 몇 세대이고, 다른 한쪽은 여러 해 동안 만들어 와 안정적이고 저렴한 구세대다. 두 쪽은 서로 다른 칩을 만든다.

fab24hr에서는

게임 속 팹은 가상이며, 몇 나노인지는 나오지 않는다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’은 보청기 칩 ‘Glowmere’를 따라간다. ‘직장인의 하루’에서 개발 라인의 퍼니스 개발 공정 엔지니어가 되면 오후 근무에 이런 문장을 읽게 된다. Glowmere는 성숙한 세대의 공정을 쓰며, 트랜지스터도 가장 작은 종류가 아니다. 이 칩이 가장 신경 쓰는 것은 따로 있다. 메인 스토리 챕터 10 ‘대기 전류’에서 고객 Leo는 대기 전류가 이 칩에서 가장 중요한 수치라고 말한다. 배터리 하나로 며칠을 더 버텨야 하기 때문이다. 대기 전류는 칩이 대기 상태일 때도 흐르는 전류로, 스위치가 꺼져 있는데도 새어 나가는 전류도 모두 여기에 포함된다. 성숙한 세대라도 R&D 라인은 여전히 새 조건을 맞추고 새 공정 단계를 시험해야 한다. 게임 속 회사, 칩, 인물은 모두 가상이다. 성숙 공정이 무엇이고 왜 여전히 중요한지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 통일된 수치가 없는 부분은 일반적인 견해만 적었다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.