칩은 왜 이렇게 비쌀까?

칩이 비싼 이유는 돈의 상당 부분이 첫 칩을 만들기 전에 이미 나가기 때문이다. 설계에는 수많은 엔지니어가 오랜 시간을 들여야 하고, 회로를 찍는 포토마스크 한 세트는 비싸며, 팹을 짓고 장비를 갖추는 데는 더 많은 돈이 든다. 그 뒤로도 웨이퍼 한 장 한 장이 팹 안에서 수백 단계를 몇 달에 걸쳐 거쳐야 하고, 불량 칩도 계산에 넣어야 하며, 마지막으로 패키징과 테스트가 남는다. 이 돈을 팔려 나가는 칩 하나하나에 나눈 것이 칩의 원가다.

다만 ‘비싸다’는 것은 어떤 칩이냐에 따라 다르다. 아주 싼 칩도 있고, 훨씬 비싼 칩도 있다. 아래에서 하나씩 살펴본다.

칩 하나의 돈은 어디에 쓰일까?

크게 다음 여섯 가지다.

1. 설계
2. 포토마스크: 회로를 찍는 ‘필름’
3. 팹과 장비
4. 가공: 웨이퍼가 팹 안에서 보내는 몇 달
5. 불량 칩: 양품이 불량품의 몫을 나눠 진다
6. 패키징과 테스트

앞의 세 가지는 첫 칩을 만들기 전에 먼저 나가는 큰돈이고, 뒤의 세 가지는 웨이퍼를 한 장 더 만들 때마다, 칩을 하나 더 패키징할 때마다 다시 드는 돈이다.

칩 하나를 설계하는 것만으로 왜 비쌀까?

스마트폰 칩 하나에는 작은 스위치가 백억 개 넘게 들어 있다(‘트랜지스터란?’). 이 많은 스위치를 어떻게 연결할지, 잘못된 곳은 없는지 모두 먼저 컴퓨터에서 그리고 몇 번이고 시뮬레이션해야 한다. 설계가 맞는지 확인하는 일만으로도 인력의 큰 부분을 차지하는 경우가 많다. 그래서 큰 칩 하나를 설계하려면 엔지니어 여럿이 필요하고, 설계를 시작해 첫 칩이 나오기까지 몇 달에서 1년 이상 걸리는 경우가 많다.

설계에 쓰는 전문 소프트웨어의 라이선스는 비싸다. 일부 회로 블록은 다른 회사가 만들어 둔 설계를 사 오는데, 여기에도 돈을 내야 한다. 설계를 어떻게 하는지는 ‘칩은 어떻게 설계할까?’에서 읽을 수 있다.

이 돈은 몇 개를 만드느냐와 상관이 없다. 하나를 만들든 1억 개를 만들든 설계는 똑같이 해야 한다.

포토마스크란? 왜 한 세트가 그렇게 비쌀까?

설계를 마치고 넘기는 것을 테이프아웃이라 한다. 그다음 포토마스크를 만든다. 노광에 쓰는 ‘필름’으로, 회로 패턴이 새겨진 유리판이다. 노광 장비는 빛으로 이 패턴을 축소해 웨이퍼에 찍는다(어떻게 찍는지는 ‘포토리소그래피(포토 공정)란?’ 참고).

칩의 패턴 층마다 포토마스크가 최소 한 장 필요하고, 한 세트는 수십 장에 이르는 경우가 많으며 공정이 앞설수록 더 많다. 한 장 한 장에 극도로 가는 패턴을 한 치의 오차 없이 그려야 한다. 일반 자료가 말하는 규모로는, 첨단 공정의 한 세트는 100만 달러를 쉽게 넘고 새 세대일수록 더 비싸다.

테이프아웃 뒤에야 설계 오류를 발견하면 설계를 고치고 포토마스크를 다시 만들어야 해서, 돈과 몇 달의 시간을 함께 잃는다.

팹과 장비는 도대체 얼마나 비쌀까?

아주 비싸다. 첨단 팹 하나를 짓고 장비를 채우는 데 수십억 달러에서 100억 달러 이상이 들어, 아주 큰 회사만 감당할 수 있다(‘팹(fab)이란?’). 장비 중에서도 가장 앞선 극자외선 노광 장비는 한 대에 1억 달러가 넘는다. 왜 그렇게 만들기 어려운지는 ‘극자외선(EUV)이란?’을 참고하면 된다.

장비는 사들인 뒤로 쓰든 안 쓰든 날마다 감가상각되므로, 팹은 24시간 가동해 이 돈을 되도록 많은 웨이퍼에 나눈다(‘반도체 공장은 왜 24시간 멈추지 않을까?’).

웨이퍼가 팹 안에 있는 몇 달 동안에도 돈이 든다

웨이퍼 한 장이 웨이퍼 투입부터 완성까지 수백 단계를 거치는 데는 몇 주에서 몇 달이 걸리는 경우가 많다(‘웨이퍼 한 장 만드는 데 얼마나 걸릴까?’). 단계마다 장비 가동 시간과 전기, 교대 근무 인력이 들고, 많은 단계에서 초순수, 가스, 화학 약액도 쓴다. 단계가 많을수록 웨이퍼 한 장에 드는 돈도 늘어난다(‘반도체 팹은 왜 그렇게 전력을 많이 쓸까?’도 참고).

불량 칩은 왜 비용으로 계산될까?

웨이퍼 한 장에서는 한 번에 많은 칩을 만든다. 작은 칩은 1,000개 넘게, 큰 칩은 수십 개다. 그중 일부는 반드시 불량이 된다. 웨이퍼 한 장에 드는 돈은 거의 정해져 있으므로, 양품이 적을수록 양품 하나가 나눠 져야 할 몫이 커진다(뉴스에서 말하는 ‘수율’이란?).

칩이 클수록 불리하다. 한 장에 들어가는 수가 적은 데다 결함에 맞을 확률도 높아서, 큰 칩의 원가는 특히 빠르게 오른다.

공정 중간에 살릴 수 없게 된 웨이퍼는 스크랩할 수밖에 없다. 완성에 가까워진 뒤에 스크랩할수록 잃는 것이 많다. 살릴 수 있는 웨이퍼는 리워크하는데, 여기에도 장비와 시간이 더 든다.

패키징과 테스트에도 돈이 든다

웨이퍼가 완성되면 후공정을 거쳐야 한다. 보통 먼저 웨이퍼 테스트로 칩을 하나하나 모두 테스트해 불량 칩은 패키징하지 않고 패키징 비용을 아낀다. 양품은 잘라서 외장에 넣고 다시 한번 테스트한다(‘칩은 어떻게 테스트할까?’, ‘패키징이란?’).

테스터는 비싸서, 칩 하나를 오래 테스트할수록 나눠 질 돈이 커진다. 외장에도 싼 것과 비싼 것이 있다. 핀이 많을수록, 방열이 중요할수록 비싸다. 아주 작고 싼 칩은 패키징과 테스트가 원가의 큰 부분을 차지할 수도 있다.

같은 칩을 많이 만들수록 왜 하나당 싸질까?

앞에서 먼저 쓴 돈을 아주 얇게 나눌 수 있기 때문이다.

플라스틱 장난감을 만든다고 생각해 보자. 먼저 아주 비싼 금형을 하나 만들어야 하고, 그 뒤로는 하나를 더 찍어 낼 때마다 플라스틱값만 조금 더 든다. 10개만 만들면 하나하나가 놀랄 만큼 비싸지만, 100만 개를 만들면 금형값은 거의 보이지 않는다. 칩의 설계와 포토마스크가 바로 이 금형과 같다.

가정한 숫자로 계산해 보자. 설계와 포토마스크에 모두 1억이 들었다고 하자.

모두 몇 개를 만드나	하나가 나눠 지는 설계·포토마스크 비용
1만 개	1만
100만 개	100
1억 개	1

칩 자체를 만드는 돈은 그대로인데, 나눠 지는 돈은 1만 배나 차이 난다.

최첨단 칩은 왜 특히 비쌀까?

최신 세대는 모든 항목이 비싼 쪽으로 움직인다.

• 설계가 더 어렵다: 스위치가 더 많고, 확인할 것도 더 많다.
• 포토마스크가 더 많고 더 비싸다: 가장 가는 몇 층은 극자외선을 쓰거나, 예전의 빛으로 여러 번 나눠 찍어야 한다.
• 팹과 장비가 더 비싸고, 아직 새것이어서 비용을 다 나누지 못했다.
• 단계가 더 많아 웨이퍼가 팹 안에 더 오래 머문다.
• 처음에는 수율이 낮다: 아직 찾지 못한 문제가 많다.

새 세대의 장점은 같은 크기에 스위치를 더 많이 넣어 더 빠르고 전력을 덜 쓴다는 것이다(뉴스에서 말하는 ‘2나노’). 하지만 이렇게 비싸서, 정말 필요하면서 대량으로 만드는 칩이어야 대개 수지가 맞는다(‘무어의 법칙이란?’도 참고).

그렇다면 어떤 칩은 왜 그렇게 쌀까?

자동차, 가전, 충전기에 들어가는 많은 작은 칩이 싼 이유는 모든 항목이 싼 쪽에 서 있기 때문이다.

• 몇 세대 전의 방식을 쓴다: 장비값은 대부분 이미 다 나눴고, 단계가 적고, 익숙하게 만들어 불량이 적다(뉴스에서 말하는 ‘성숙 공정’이란?).
• 칩이 아주 작다: 한 장에 많이 들어가고, 결함에 맞을 확률도 낮다.
• 많이 만들고 여러 해 동안 판다: 설계와 포토마스크 비용을 아주 얇게 나눈다.
• 패키징이 단순하다: 핀이 많지 않고 열도 별로 나지 않아 싼 외장으로 충분하다.

그래서 칩이 비싼지 아닌지는 대체로 세 가지에 달려 있다. 어느 세대의 방식으로 만드는지, 칩이 얼마나 큰지, 모두 몇 개를 만드는지다.

fab24hr에서는

게임에는 가격이 나오지 않지만, 많은 선택이 비용과 맞닿아 있다. 메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 3 ‘불량의 모양’에서 고객은 보청기 칩 ‘Glowmere’가 작을수록 좋다고 한다. 신이가 칩 안에 자신의 TEG 두 칸을 남기고 싶어 하자, 왕 부장이 말한다. “두 칸이면 칩 면적이 2% 늘어요. 고객이 물어볼 거예요.” 챕터 4 ‘2주 앞당기기’에서 고객은 리스크 투입을 원한다. 통과하지 못하면 그 로트들은 통째로 스크랩될 수 있다. 챕터 8 ‘시간에 쫓겨’에서는 긴급 로트 H-2417의 7번째 웨이퍼를 수동으로 추가 식각해야 한다. 앞의 6장은 이미 끝났으므로 다시 식각하면 스크랩할 수밖에 없다. 챕터 10 ‘대기 전류’에서는 테스트 상한을 조금만 엄격하게 잡아도 수율이 5%포인트 가까이 떨어져, 첫 양산분의 물량이 모자라게 된다.

마스크 엔지니어가 되어 보고 싶다면 ‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘양산 팹’을 누르고 좌우로 넘겨 마스크 엔지니어를 고르면 된다. 오후 근무에는 포토마스크 하나의 펠리클에 스크래치가 생겼는데, 이 층에는 이 마스크 하나뿐이고 예비가 없다. 계속 쓰면 로트는 그대로 흘러가고, 펠리클 교체를 보내면 이 층은 이틀 멈춘다. 게임 속 회사, 칩, 인물, 로트 번호, 숫자는 모두 가상이다. 칩의 돈이 어디에 쓰이는지는 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼고, 금액은 여러 자료가 일치하는 규모만 적었다. 다른 전문 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.