미국에서 90%나 저렴한 칩? 스타트업 Substrate가 거대 기업 ASML(네덜란드)과 TSMC(대만)에 도전장을 내밀고 있습니다.

X선 리소그래피 2.0: 실험실에서 대량 생산으로 - X선 리소그래피가 다시 현실화될 수 있을까?

나노미터 단위로 발전이 측정되는 첨단 기술 세계에서 반도체 산업은 거의 넘을 수 없는 벽을 세운 요새와 같습니다. 이 세계 질서의 정점에는 두 개의 명실상부한 거인이 있습니다. 최첨단 칩 제조에 사용되는 터무니없이 비싼 EUV 리소그래피 장비를 독점 공급하는 네덜란드 독점 기업 ASML과, 세계 위탁 생산 시장을 장악하고 있는 대만의 파운드리 거대 기업 TSMC입니다. 수십 년간의 연구와 수천억 달러의 투자를 바탕으로 구축된 이 고도로 집중된 생태계는 지금까지는 건드릴 수 없는 것처럼 보였습니다.

하지만 이제 샌프란시스코의 스타트업 Substrate가 업계의 근간을 뒤흔들 만한 파장을 일으키고 있습니다. 피터 틸과 CIA의 벤처 캐피털 자회사인 In-Q-Tel 등 저명한 투자자들로부터 1억 달러 이상의 투자를 받은 Substrate는 업계의 판도를 바꿀 태세를 갖추고 있습니다. Substrate의 목표는 ASML의 기존 EUV 시스템보다 강력할 뿐만 아니라 칩 웨이퍼당 비용을 90%까지 획기적으로 절감할 수 있는, 새롭게 부활하고 재해석된 X선 리소그래피 기술을 제공하는 것입니다.

이 발표는 단순한 기술 혁신을 넘어 지정학적, 경제적 선전포고입니다. 이는 미국의 기술 주권 추구의 핵심을 강타하고, 세계에서 가장 비싼 기계의 사업 모델에 도전하며, 칩 제조의 진입 장벽을 무너뜨릴 것을 약속합니다. 그러나 유망한 실험실 시연에서 안정적인 대량 생산으로 이어지는 길은 실패한 혁명의 잔해로 포장되어 있습니다. 기술적 장애물은 엄청나고, 업계의 회의론은 깊으며, X선 리소그래피의 역사 자체가 역사적 실패의 연속입니다. 따라서 중요한 질문은 다음과 같습니다. 우리는 세계 칩 산업 지형을 바꿀 진정한 변혁의 시작을 목격하고 있는 것일까요, 아니면 물리학과 경제학의 가혹한 현실에 맞서 산산이 조각나는 기술적 꿈의 막대한 자금 지원에 따른 데자뷰에 불과한 것일까요?

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혁신적인 X선 리소그래피를 통해 글로벌 파워 전환 예상

21세기 가장 중요한 산업 발전 중 하나인 칩 및 반도체 제조 기술은 현재 주목할 만한 전환점을 맞이하고 있습니다. 샌프란시스코에 본사를 둔 스타트업 Substrate는 혁신적인 X선 리소그래피 기술을 발표하며 글로벌 마이크로칩 업계의 주목을 받고 있습니다. 피터 틸과 같은 저명한 투자자들의 지원을 받은 이 회사는 1억 달러 이상의 자금을 조달했으며, 네덜란드 독점 기업 ASML의 고가 리소그래피 시스템과 대만 거대 기업 TSMC의 제조 역량을 대체할 기술을 개발했다고 주장합니다. 이러한 발전이 반도체 가치 사슬 전체, 지정학적 권력 구조, 그리고 업계의 경제적 균형에 미칠 잠재적 영향은 매우 중요하며, 이에 대한 상세한 경제 분석이 필요합니다.

반도체 리소그래피의 경제학: 독점 기업이 도전에 직면할 때

산업 혁신의 역사를 살펴보면 기술적 혁신이 기존 권력 구조의 중심에서 시작되는 경우가 드물고, 오히려 외부에서 시작된다는 사실을 알 수 있습니다.

현재 반도체 산업은 예외적인 수준의 집중화를 경험하고 있습니다. 네덜란드에 본사를 둔 ASML은 최첨단 리소그래피 시스템 시장을 사실상 독점하고 있으며, 극자외선(EUV) 리소그래피 분야에서 90~100%의 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 대당 2억~4억 달러에 달하는 이 장비는 7나노미터 미만의 첨단 반도체 제조에 필수적입니다. ASML의 매출 총이익률은 지속적으로 50%를 상회하며, 이는 사실상 독점 기업의 막강한 가격 결정력을 보여줍니다. 2024년 ASML은 283억 유로의 매출과 76억 유로의 순이익을 달성했습니다. 2025년에는 약 15%의 매출 성장률과 약 52%의 매출 총이익률을 기록할 것으로 예상됩니다.

이 EUV 기술 개발은 30년이 넘는 마라톤과 같았고, 총 100억 달러 이상의 비용이 소요되었습니다. ASML은 인텔, 삼성, TSMC와의 전략적 파트너십을 통해서만 이 거대한 프로젝트를 관리할 수 있었습니다. TSMC는 2012년 ASML에 14억 유로를 투자하여 소위 머스킷티어 프로젝트(Musketeer Project)에 참여했습니다. 최초의 상용 EUV 시스템은 2010년에 출시되었지만, 양산 준비는 2019년이 되어서야 이루어졌습니다. 원래 계획보다 거의 20년이나 늦어진 출시는 엄청난 기술적 난관을 보여줍니다.

동시에 대만의 TSMC는 2025년 2분기에 70%가 넘는 압도적인 시장 점유율로 세계 파운드리 시장을 장악하고 있습니다. TSMC는 2025년 3분기에 302억 4천만 달러의 매출을 달성했으며, 2025년에는 380억 달러에서 420억 달러 사이의 자본 지출을 계획하고 있습니다. 최첨단 차세대 TSMC 팹(fab)의 비용은 150억 달러에서 200억 달러에 달합니다. 이러한 수치는 이 산업의 엄청난 진입 장벽을 보여줍니다.

현재 기판을 대안으로 제시하는 X선 리소그래피는 결코 새로운 발명이 아닙니다. 이 기술은 1970년대에 이미 연구되고 있었으며, 1980년대와 1990년대에는 IBM, 모토로라를 비롯한 미국 기업들이 개발에 막대한 투자를 했습니다. 그러나 기술적 난제가 너무 컸습니다. 근본적인 문제로는 금과 같은 고가의 재료로 만든 매우 안정적인 마스크의 필요성, 일관된 X선 광원을 생성하는 어려움, 그리고 해상도를 제한하는 2차 전자 산란의 복잡성이 있었습니다. 경제적 요인 또한 영향을 미쳤습니다. 업계는 공통 표준에 합의하지 못했고, 여러 기업의 투자는 사업 이해관계의 차이로 인해 실패했습니다.

기술적 혁신: 혁명인가, 아니면 역사적 실패의 반복인가?

Substrate는 이러한 오래된 문제들을 해결했다고 주장합니다. 이 회사는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속하는 맞춤형 입자 가속기를 사용합니다. 이 전자들은 일련의 자석을 통과하면서 진동하여 파장이 4나노미터 미만인 강력한 X선을 생성합니다. 이 파장은 ASML의 EUV 기술의 13.5나노미터보다 훨씬 짧아 이론적으로 더 높은 해상도를 구현할 수 있습니다. Substrate는 임계 치수가 12나노미터이고 팁 간 거리가 13나노미터인 구조를 보여주는 실험실 결과를 발표했는데, 이는 2나노미터 공정 기술을 위한 최신 EUV 시스템의 성능과 유사합니다.

Substrate의 핵심 경제적 주장은 웨이퍼당 비용이 현재 약 10만 달러에서 10년 안에 약 1만 달러로 떨어질 수 있다는 것입니다. 이러한 90%의 비용 절감은 반도체 제조 경제를 근본적으로 변화시킬 것입니다. Substrate는 EUV에서 흔히 요구되는 복잡한 다중 패터닝 공정을 생략함으로써 생산 단계를 대폭 줄일 수 있다고 주장합니다.

그러나 업계의 회의적인 시각은 정당하며, 냉정한 기술적, 경제적 현실에 기반하고 있습니다. 실험실에서 구조를 시연하는 것은 일관된 수율을 확보하는 대량 생산과는 완전히 다른 작업입니다. TSMC는 4나노미터 공정으로 약 70%의 수율을 달성하는 반면, 삼성은 유사한 기술을 사용해도 35%의 수율로 고전하고 있습니다. 이러한 수치는 공정 안정성과 결함 최소화가 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 원자 수준에서의 아주 작은 편차조차도 고장으로 이어질 수 있습니다.

현대 리소그래피에서 특히 중요한 문제는 확률적 효과, 즉 노광 공정의 무작위적인 변화입니다. EUV 리소그래피에서 이러한 효과는 이미 전체 오차 예산의 절반 이상을 차지할 수 있으며, 2030년까지 업계에서 연간 100억 달러 이상의 매출 손실을 초래할 것으로 추산됩니다. 이러한 문제는 광자 수, 레지스트 분자 분포, 그리고 전자 산란이 본질적으로 무작위적인 소형 구조물의 근본적인 물리 법칙에서 비롯됩니다. 기판이 ASML이 EUV를 사용하는 것보다 X선을 사용하여 이러한 과제를 더 잘 극복할 수 있을지는 여전히 의문입니다.

또 다른 근본적인 문제는 적합한 재료의 가용성입니다. EUV 리소그래피는 13.5나노미터 파장에 특별히 최적화된 완전히 새로운 포토레지스트의 개발을 요구했습니다. JSR, 도쿄 오카 공업, 신에츠 케미칼, 후지필름과 같은 일본 기업들이 EUV 포토레지스트 시장의 90% 이상을 장악하고 있습니다. 이러한 재료는 주석, 하프늄, 지르코늄과 같은 원소를 함유한 금속 함유 화합물을 기반으로 하며, EUV 파장에서 더 높은 흡수율을 보입니다. 기판은 자체 X선 호환 포토레지스트를 개발해야 할 뿐만 아니라 이러한 재료의 대량 생산도 확립해야 합니다. 마찬가지로, X선용 고정밀 마스크와 특수 광학 장치도 대량으로 확보해야 하는데, 현재 이러한 공급망은 존재하지 않습니다.

경제적 의미: 누가 이기고, 누가 지는가

성공적인 X선 리소그래피 기술은 반도체 산업에 엄청난 영향을 미칠 가능성이 있으며, 전체 가치 사슬을 재편할 것입니다.

ASML은 이러한 잠재적 혁신의 중심에 있습니다. ASML은 40년 이상 기술 리더십을 구축해 왔습니다. EUV 개발에만 수십 년, 수십억 달러가 투자되었습니다. 경쟁사가 활동한다면 ASML의 가격 결정력이 약화될 뿐만 아니라 전체 투자 전략의 재검토로 이어질 수 있습니다. ASML은 현재 대당 3억 8천만 달러에 달하는 고개수 EUV 시스템에 막대한 투자를 하고 있으며, 이 시스템은 더욱 높은 해상도를 약속합니다. 만약 Substrate가 기존 비용의 10분의 1에 불과한 비용으로 동등하거나 더 나은 결과를 달성할 수 있다면, ASML의 고개수 EUV 로드맵에 근본적인 도전이 될 것입니다. ASML의 가치를 3천억 달러 이상으로 평가하는 주주들은 극적인 재평가를 내릴 수 있습니다.

TSMC에게는 엇갈린 결과가 예상됩니다. 한편으로는 저렴한 리소그래피 기술이 신규 팹의 자본 비용을 절감할 수 있습니다. TSMC는 현재 연간 380억 달러에서 420억 달러 사이의 자본 지출을 하고 있으며, 그중 상당 부분이 EUV 시스템에 할당되어 있습니다. 저개구수 EUV 장비는 약 2억 3,500만 달러의 비용이 소요되며, TSMC는 매년 더 많은 EUV 장비를 필요로 합니다. 더 저렴한 대안은 마진을 개선할 수 있습니다. 한편, Substrate는 자사 시스템을 매각할 계획이 아니라 자체 팹을 운영할 계획입니다. 이는 Substrate를 TSMC의 직접적인 경쟁자로 만들 것입니다. 역사적으로 반도체 산업에서 수직 통합 모델은 거의 성공하지 못했습니다. 팹리스 설계 회사와 파운드리 간의 전문화가 더 나은 것으로 입증되었습니다. Substrate는 기술 개발의 어려움뿐만 아니라 파운드리 운영, 고객 관계, 계약 생산이라는 완전히 다른 과제도 극복해야 합니다. TSMC가 40년간 쌓아온 공정 최적화, 품질 관리, 고객 서비스 경험은 다른 어떤 경쟁 우위로도 대체할 수 없는 엄청난 경쟁 우위입니다.

엔비디아, AMD, 퀄컴, 브로드컴과 같은 팹리스 칩 설계자들에게 성공적인 기판 기술은 새로운 선택지를 열어줄 수 있습니다. 이러한 기업들은 현재 거의 전적으로 TSMC에 의존하고 있으며, 삼성에도 그보다는 덜 의존하고 있습니다. 엔비디아는 2024년에 주로 AI 프로세서를 통해 1,244억 달러의 매출을 창출했습니다. 제조 역량의 다각화는 공급망 위험을 줄이고 파운드리와의 협상력을 강화할 수 있습니다. 그러나 이러한 기업들은 검증되지 않은 공급업체가 수년간 일관된 품질과 수율을 입증할 때까지 해당 공급업체로 전환하지 않을 것입니다. 각 제조업체가 서로 다른 공정 설계 키트를 사용하기 때문에 여러 파운드리 간에 칩 설계를 전환하는 것은 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

칩을 설계 및 제조하고 파운드리 서비스 제공을 확대하는 인텔과 삼성은 모두 어려운 상황에 처해 있습니다. 인텔은 2023년 매출 189억 달러에 70억 달러의 손실을 기록한 파운드리 사업부로 어려움을 겪고 있습니다. 인텔의 18A 공정 기술은 경쟁 우위를 제공할 것으로 예상되지만, 지연과 기술적 문제가 악명 높습니다. 삼성 또한 첨단 노드에서 수율 문제로 유사한 어려움을 겪고 있습니다. 새롭고 저비용 리소그래피 기술이 이론적으로는 두 회사 모두에게 도움이 될 수 있지만, 두 회사 모두 EUV 기반 공정에 막대한 투자를 했기 때문에 쉽게 전환하지 않을 것입니다.

반도체 가치 사슬의 공급업체들 또한 영향을 받을 것입니다. ASML 시스템용 초정밀 거울을 생산하는 독일의 Zeiss, 고출력 레이저를 공급하는 Trumpf, 그리고 기타 제조 장비를 제공하는 Applied Materials, KLA, Lam Research는 모두 EUV 생태계 지원에 막대한 투자를 해왔습니다. 새로운 기술은 새로운 공급망을 필요로 합니다. 일본의 포토레지스트 제조업체들은 X선 호환 소재를 개발하지 않으면 시장 점유율을 잃게 될 것입니다.

지정학적 차원: 기술 주권과 경제적 안보

반도체 산업은 지정학적 긴장 속에 깊이 자리 잡고 있으며, 기판 발표는 전략적으로 중요한 시기에 이루어졌습니다.

최근 몇 년 동안 미국은 중국의 첨단 반도체 기술 접근을 제한하기 위해 중국에 대한 수출 통제를 강화해 왔습니다. ASML은 최첨단 EUV 시스템을 중국에 판매하는 것이 금지되어 있습니다. 이 정책은 중국의 AI 및 군사 응용 프로그램 개발 역량을 제한하는 것을 목표로 합니다. 동시에 미국 정부는 390억 달러의 직접 보조금과 25%의 투자 세액 공제 혜택을 제공하는 CHIPS(칩 반도체 정보 시스템)법을 통해 반도체 제조 시설을 미국으로 이전하는 데 막대한 투자를 하고 있습니다.

서브스트레이트는 이러한 전략적 의제에 완벽하게 부합합니다. 미국에서 개발 및 제조되는 리소그래피 시스템은 네덜란드와 대만 기술에 대한 의존도를 줄일 것입니다. 피터 틸의 참여는 우연이 아닙니다. 틸은 미국의 기술적 자율성의 필요성을 거듭 강조해 왔습니다. CIA의 벤처 캐피털 자회사인 인큐텔(In-Q-Tel) 또한 서브스트레이트에 투자하여 국가 안보의 중요성을 강조하고 있습니다.

그러나 X선 리소그래피의 역사를 살펴보면 국가적 우위가 반드시 성공하는 것은 아니라는 것을 알 수 있습니다. 미국은 1980년대와 1990년대에 SEMATECH와의 협력을 통해 반도체 주도권을 되찾으려 했지만 결국 실패했습니다. ASML은 국가 산업 정책이 아니라 끈기 있는 기술 개발, 능숙한 공급망 통합, 그리고 고객과의 기민한 파트너십을 통해 획기적인 발전을 이루었습니다. 문제는 이러한 요소들 없이 정부 지원이 성공할 수 있을지 여부입니다.

중국은 서방의 수출 규제에 대응하여 국내 반도체 기술에 대한 대규모 투자를 진행하고 있습니다. 중국 제조 2025 계획은 자급자족을 최우선 과제로 삼고 있습니다. 기판 기술이 성공할 경우, 중국은 이 기술을 도입하거나 자체적인 대안을 개발할 것입니다. 중국 최대 파운드리 업체인 SMIC는 EUV 없이 7나노미터 공정을 개발하는 데 진전을 이루었지만, 수율은 낮고 비용은 높았습니다.

유럽은 복잡한 상황에 처해 있습니다. ASML은 유럽 기업이지만, 네덜란드 정부는 미국으로부터 수출 제한 압력을 받고 있습니다. 유럽 반도체법은 유럽 반도체 제조의 세계 시장 점유율을 10%에서 20%로 두 배로 늘리기 위해 430억 유로의 보조금을 약속하고 있습니다. 미국이 주도하는 리소그래피 대안은 유럽의 전략적 자율성을 더욱 약화시킬 수 있습니다.

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기술적 장애물: 실험실과 대량 생산 사이에는 무엇이 있는가

반도체 산업에서 인상적인 실험실 결과에서 상업적 대량 생산으로 이어지는 길은 엄청나게 어렵고 예상치 못한 문제가 많습니다.

기판의 가장 큰 과제는 스케일링입니다. 실험실 시연은 이론적으로 관련 크기 범위의 구조를 제작할 수 있음을 보여줍니다. 그러나 상업용 리소그래피는 훨씬 더 많은 것을 요구합니다. ASML 장비는 시간당 약 130~170장의 웨이퍼를 노광합니다. 오버레이 정확도, 즉 여러 층의 정밀한 정렬은 1나노미터 미만이어야 합니다. 전체 웨이퍼의 균일도는 매우 높아야 합니다. 결함 밀도는 제곱센티미터당 결함 1개 미만이어야 합니다. 이러한 모든 요건을 동시에 충족하면서 시스템을 수개월 동안 안정적으로 가동하는 것은 엔지니어링 측면에서 기념비적인 성과입니다.

Substrate에 사용되는 입자 가속기 소스는 매우 안정적으로 작동해야 합니다. 빔 강도나 위치의 변동은 품질을 저하시킵니다. ASML은 EUV용 레이저 플라즈마 주석 소스를 안정화하는 데 수년간 노력했습니다. 이 소스는 초당 5만 개의 작은 주석 방울을 진공 용기에 분사하고, 30kW CO2 레이저가 이 방울에 두 번 충돌하여 EUV 광을 방출하는 플라즈마를 생성합니다. 이 솔루션의 복잡성은 수년간의 반복적인 개발 과정에서 비롯되었습니다. Substrate는 더 작고 비용 효율적인 솔루션을 제공한다고 주장하지만, 수년간의 현장 테스트 없이는 이는 추측에 불과합니다.

X선용 광학 장치는 EUV나 DUV용 광학 장치와 근본적으로 다릅니다. X선은 대부분의 물질에 흡수되기 때문에 렌즈로 초점을 맞출 수 없습니다. 따라서 특수한 스침입사 거울이 필요합니다. 이러한 거울은 숨 막힐 듯 정밀하게 제작되어야 합니다. 자이스는 ASML용 거울을 생산하는데, 독일의 규모로 확대해도 이상적인 형태와의 최대 편차는 0.1mm에 불과합니다. 이러한 정밀성이 실제로 존재하는지, 또는 X선 광학용으로 개발될 수 있는지는 불분명합니다.

X선 리소그래피용 포토레지스트 소재는 상업적으로 공급되지 않습니다. 새로운 레지스트 시스템을 개발하는 데는 일반적으로 수년이 걸리며 화학자, 재료 과학자, 그리고 공정 엔지니어 간의 긴밀한 협력이 필요합니다. 레지스트는 고해상도를 제공해야 하는 동시에 후속 공정 단계의 마스크 역할을 할 만큼 충분한 식각 저항성을 가져야 합니다. 또한, 가장자리 거칠기가 낮아야 하며 원치 않는 부작용을 유발해서는 안 됩니다. 이 분야의 일본 시장 선두 기업들이 새로운 경쟁업체와 자연스럽게 협력할 것이라고 기대하기는 어렵습니다.

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사업 모델: 수직적 통합은 Segen 저주인가

서브스트레이트는 기존 업계에서 벗어나 과감한 전략을 추진하고 있습니다. 기존 파운드리에 리소그래피 시스템을 판매하는 대신, 자체 반도체 제조 공장을 건설하고 운영할 계획입니다.

이러한 수직적 통합은 지난 40년간 지배적인 사업 모델과 모순됩니다. 모리스 창이 1987년 TSMC를 설립하고 순수 파운드리 모델을 확립한 이후, 반도체 산업은 점점 더 전문화되었습니다. 팹리스 설계 회사는 칩 아키텍처 및 설계에, 파운드리는 제조에, ASML과 같은 장비 공급업체는 특정 기술에 집중합니다. 이러한 전문화를 통해 각 업체는 각자의 분야에서 세계적인 수준을 달성할 수 있습니다.

서브스트레이트는 수직 통합이 조정 비용을 줄이고 혁신 속도를 높인다고 주장합니다. 테슬라와 스페이스X는 성공적인 수직 통합의 사례로 자주 거론됩니다. 하지만 반도체 산업은 다릅니다. 자본 집약도가 매우 높습니다. 현대식 팹(fab)은 150억 달러에서 200억 달러의 비용이 듭니다. TSMC는 매년 400억 달러 이상을 자본 지출에 사용합니다. 서브스트레이트는 지금까지 1억 달러를 조달했으며 기업 가치는 10억 달러가 넘습니다. 경쟁력을 갖추려면 이 금액의 100배를 투자해야 합니다.

더욱이 파운드리 운영에는 리소그래피 기술 개발과는 완전히 다른 기술이 필요합니다. TSMC는 7만 명이 넘는 직원을 고용하고 있으며, 그중 상당수는 고도로 전문화된 공정 엔지니어입니다. TSMC는 수율 최적화, 결함 분석, 고객 관계 관리 분야에서 40년 이상의 경험을 보유하고 있습니다. 새로운 공정 노드를 도입할 때마다 수천 번의 실험과 반복이 필요합니다. 학습 곡선은 가파르고 비용도 많이 듭니다.

Substrate의 고객이 누구일지도 관건입니다. 엔비디아, AMD, 퀄컴과 같은 대형 팹리스 기업들은 TSMC와 장기적이고 긴밀한 관계를 맺고 있습니다. 이러한 파트너십은 수년간의 협력, 공동 개발된 공정 설계 키트, 그리고 상호 신뢰를 기반으로 합니다. 새로운 파운드리는 이러한 관계를 끊기 위해 탁월한 이점을 제공해야 합니다. 수율, 신뢰성, 납기 등의 위험이 불확실한 상황에서 비용 절감만으로는 충분하지 않습니다.

인텔은 수년간 파운드리 사업 확장을 시도해 왔지만 상당한 어려움을 겪고 있습니다. 인텔 파운드리 서비스는 2024년 3분기에 800만 달러의 외부 매출을 창출하는 데 그쳤습니다. 손실 규모는 막대합니다. 이는 기존 반도체 대기업조차도 파운드리 시장 진출이 얼마나 어려운지를 보여줍니다. 기판 사업은 처음부터 다시 시작해야 합니다.

시간적 범위: 2028년 이후

Substrate는 2028년에 양산을 시작할 계획입니다. 이는 매우 야심찬 일정입니다. 현재 실험실 시연 단계에서 약 3년 안에 상업 생산 단계로 전환하려면 모든 것이 완벽하게 진행되어야 합니다.

비교를 위해 말씀드리자면, ASML은 2006년에 EUV용 초기 알파 프로토타입으로 시작하여 2010년에 첫 번째 시제품 시스템을 제공했고, 2019년에야 대량 생산에 들어갔습니다. 첫 번째 시연부터 대량 생산까지 13년이 걸렸고, 그것도 리소그래피 분야에서 광범위한 경험을 가진 기존 기업에서 말입니다.

Substrate는 3년 안에 리소그래피 기술을 생산 준비 상태로 만들어야 할 뿐만 아니라, 팹을 건설하고, 필요한 모든 자재와 장비의 공급망을 구축하고, 공정을 개발 및 최적화하고, 고객을 확보하고, 필요한 허가를 획득해야 합니다. 설령 기술이 성공하더라도, 이러한 일정은 비현실적입니다.

보다 현실적인 기간은 상당한 상업 생산까지 8년에서 12년 정도 걸릴 것입니다. 이는 업계에 미치는 영향이 빠르면 2030년대 중반까지는 체감되지 않을 것임을 의미합니다. 그때쯤이면 ASML은 고개수 EUV 시스템을 구축하고, TSMC는 1나노미터 이하 공정을 개발하고 있을 가능성이 높으며, 업계 전체가 Substrate 방식을 더 이상 사용하지 않는 방향으로 나아갈 수도 있습니다.

대체 미래 시나리오: 실제로 무슨 일이 일어날 수 있을까?

Substrate의 발표는 중요한 의문을 제기하지만, 가능성 있는 시나리오는 완전한 실패부터 산업에 미묘한 영향을 미치지만 혁명을 일으키지는 않는 부분적 성공까지 다양합니다.

비관적인 시나리오는 기판이 기술적 장애물을 극복하지 못할 것이라는 것입니다. X선 리소그래피의 물리적 특성이 너무 복잡하거나, 확률적 효과를 통제할 수 없거나, 자본 비용이 너무 높아질 수 있습니다. 결국 회사는 실패하거나 특수 용도의 틈새 시장으로 전락할 것입니다. 역사적으로 기존 기술에 도전했던 대부분의 경쟁자들은 실패했습니다. 니콘과 캐논은 EUV 경쟁에서 ASML과 경쟁하려 했지만 결국 포기했습니다.

중간 지점의 시나리오는 Substrate가 기술의 일부 기능을 구현하지만, 약속된 비용이나 필요한 신뢰성을 제공하지 못하는 것입니다. 이 경우, ASML은 기존 업체에 기술 라이선스를 제공할 수 있습니다. ASML은 고개수 EUV 이후 차세대 기술로서 X선 리소그래피를 평가하는 데 관심을 가질 수 있습니다. 또는 인텔이나 삼성과 같은 주요 반도체 제조업체가 자사의 제조 역량을 차별화하기 위해 이 기술을 인수할 수도 있습니다.

낙관적인 시나리오는 Substrate가 실제로 작동하고 비용 효율적인 리소그래피 솔루션을 개발하지만, 파운드리 사업을 포기하고 기존 제조업체에 시스템을 판매하는 것입니다. 이는 진입 장벽을 낮추고 리소그래피 장비 시장에서 더욱 건전한 경쟁을 유도할 수 있습니다. ASML은 가격 인하와 더 빠른 혁신을 요구하는 압력을 받게 될 것이며, 이는 업계 전체에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

Substrate가 기술을 완벽하게 숙달하고 자체 공장을 성공적으로 운영하며 파운드리 업계의 주요 경쟁자로 부상하는 혁신적인 시나리오는 실현 가능성이 매우 낮아 보입니다. 세계에서 가장 자본 집약적이고 복잡한 산업 중 하나인 이 산업에서 기술 혁신과 비즈니스 모델 혁신을 결합하는 것은 매우 어려운 과제입니다.

더 광범위한 의미: 무어의 법칙, 소형화 한계 및 대체 경로

기판 이야기는 반도체 산업의 미래에 대한 근본적인 의문을 제기합니다. 칩에 집적되는 트랜지스터의 수가 2년마다 약 두 배로 증가한다는 무어의 법칙은 1960년대부터 반도체 산업의 흐름을 선도해 왔습니다. 하지만 이러한 추세의 종말을 예측하는 목소리도 점점 커지고 있습니다.

물리적 한계가 점점 더 뚜렷해지고 있습니다. 트랜지스터는 원자 단위에 가까워지고 있습니다. 3나노미터 미만의 구조에서는 터널링과 같은 양자 효과가 발생하는데, 이는 전자가 장벽을 통제할 수 없이 뛰어넘는 현상입니다. 열 발생이 문제가 되고, 전자 누설 전류가 증가합니다. 일부 전문가들은 무어의 법칙이 이미 2016년에 끝났다고 주장합니다. 인텔이 10나노미터에서 7나노미터로 가는 데 기존에는 2년이 걸렸지만, 5년이 걸렸기 때문입니다.

경제적 제약 또한 심각합니다. 록의 법칙에 따르면 반도체 공장 건설 비용은 4년마다 약 두 배로 증가합니다. 2나노미터 기술 팹(fab) 건설 비용은 200억 달러 이상입니다. 이러한 투자를 감당할 수 있는 기업의 수는 줄어들고 있습니다. TSMC, 삼성, 인텔만이 선두 노드 경쟁에 남았습니다. 나머지 기업들은 모두 경쟁에서 이탈하여 더 성숙하고 수익성 있는 기술에 집중하고 있습니다.

이러한 맥락에서 기판(Substrate)의 비용 대폭 절감 약속은 특히 매력적입니다. 성공한다면 더 많은 업체들이 선도적인 반도체 제조 분야에 진입할 수 있고, 이는 경쟁을 촉진할 것입니다. 하지만 리소그래피 기술이 저렴해지더라도, 리소그래피가 전체 장비 비용의 약 20%만을 차지하기 때문에 팹(Fab)의 전체 비용은 여전히 ​​막대합니다.

무어의 법칙을 계승하는 대안적인 접근 방식이 집중적으로 연구되고 있습니다. 삼성과 TSMC가 3나노미터 공정으로 도입하는 게이트 올 어라운드 FET와 같은 새로운 트랜지스터 아키텍처는 전자 흐름 제어를 향상시킵니다. TSMC의 CoWoS와 같은 첨단 패키징 기술을 통한 3차원 칩 적층은 더 작은 크기에 더 많은 기능을 통합할 수 있게 해줍니다. 질화갈륨이나 탄소 나노튜브와 같은 새로운 소재는 실리콘을 보완하거나 대체할 수 있습니다. 뉴로모픽 컴퓨팅 아키텍처와 양자 컴퓨터는 근본적으로 다른 컴퓨팅 패러다임을 제시합니다.

블록 공중합체의 유도 자기 조립(Directed Self-Assembly)과 나노임프린트 리소그래피는 현재 연구 중인 또 다른 대안적인 리소그래피 접근 방식입니다. 이러한 기술은 특정 응용 분야에서 이점을 제공할 수 있지만, 아직 대량 생산 단계로 도약하지는 못했습니다. 반도체 산업은 공정 변경에 대한 위험이 너무 크기 때문에 공정 변경에 보수적입니다.

불확실한 결과를 가진 매혹적인 도전

Substrate의 발표는 부인할 수 없이 흥미롭고 반도체 제조의 미래에 대한 중요한 의문을 제기합니다. 기존 독점 기업, 지정학적 권력 구조, 그리고 이 중요한 산업의 경제적 균형에 미칠 잠재적 영향은 상당합니다.

하지만 냉정한 현실주의가 필요합니다. 반도체 산업의 역사는 실패로 끝난 유망한 기술과 과장된 발표로 점철되어 있습니다. X선 리소그래피는 1980년대와 1990년대에 이미 미래 기술로 기대되었지만 실패했습니다. Substrate가 극복해야 할 기술적, 경제적, 그리고 조직적 과제는 엄청납니다.

ASML과 TSMC가 지금과 같은 지배적 지위를 차지한 것은 우연이 아니라, 수십 년간의 끈기 있는 노력, 막대한 투자, 현명한 파트너십, 그리고 탁월한 기술력 덕분입니다. 이 기업들은 새로운 경쟁자가 시장을 잠식하는 것을 수동적으로 지켜보지 않을 것입니다. 그들은 스스로 혁신을 가속화하고, 가격을 조정하며, 잠재 고객을 유지하기 위해 노력할 것입니다.

피터 틸과 인큐텔을 포함한 서브스트레이트 투자자들에게 이는 막대한 수익을 창출할 수 있는 고위험 사업이지만, 동시에 완전히 손실될 가능성도 매우 높습니다. 반도체 산업 전체에 있어 이러한 발전은 혁신이 아직 끝나지 않았으며 새로운 접근 방식이 모색되고 있다는 긍정적인 신호를 보냅니다. 서브스트레이트가 실패하더라도, 얻은 교훈은 향후 사업 추진에 도움이 될 수 있습니다.

앞으로 몇 년은 Substrate가 반도체 산업에 진정한 혁명을 가져올 수 있을지, 아니면 미세화의 한계를 뛰어넘기 위한 오랜 노력의 또 다른 한 편에 불과할지를 보여줄 것입니다. 이 이야기는 경제적, 기술적, 지정학적 차원을 아우르며, 현대 경제에서 가장 복잡한 산업 중 하나인 반도체 산업에서 혁신과 파괴, 그리고 그 한계를 보여주는 흥미로운 사례 연구입니다.

칩 워 2.0: 미국, 중국, 유럽이 직면한 위험은 매우 다르다

이 위협은 결코 유럽에만 국한되지 않고 전 세계 반도체 산업 전체에 영향을 미칩니다. 그러나 미국과 중국에 대한 위협의 본질은 유럽에 대한 위협과 근본적으로 다릅니다.

1. 유럽(특히 ASML)에 대한 위협

유럽에 대한 위협은 직접적이고 실존적입니다.

ASML의 표적: 기판은 유럽 기술 보석 ASML의 핵심을 겨냥하고 있습니다. X선 리소그래피가 성공한다면, ASML이 수십 년간 쌓아온 최첨단 리소그래피 시스템 독점이 깨질 것입니다.

경제적 손실: 경쟁사가 성공하면 ASML의 막대한 가격 결정력과 높은 마진이 훼손될 것입니다. 장비당 수억 원의 비용이 드는 차세대 EUV(High-NA EUV) 투자는 오히려 불리한 투자로 판명될 수 있습니다.

생태계의 약화: 위협은 ASML을 중심으로 구축된 유럽 전체 공급망으로 확대되며, 특히 Zeiss(광학) 및 Trumpf(레이저)와 같은 독일의 첨단 기술 기업에 영향을 미칩니다.

지정학적 손실: 유럽은 가장 중요한 지정학적 지렛대를 잃고 있습니다. ASML에 대한 통제권은 EU(그리고 네덜란드)에게 글로벌 기술 분쟁에서 독보적인 지위를 부여하는데, 이는 이미 미국의 압력으로 제약을 받고 있습니다. 미국이 대안을 제시한다면 이러한 지위는 거의 완전히 사라질 것입니다.

2. 미국 내 경쟁에 대한 위협

미국에 있어서 이는 양날의 검이다. 국가적으로는 전략적 기회이지만, 기존 미국 기업들에게 파괴적인 위협이 된다.

인텔과 삼성에 대한 위협: 미국에 막대한 투자를 하고 있는 인텔과 삼성 같은 기업들(CHIPS 법의 지원을 받아)은 ASML의 EUV 기술을 기반으로 미래 전략을 수립해 왔습니다. EUV 기반 공장에 수십억 달러를 투자해 왔습니다. Substrate의 새롭고 호환되지 않는 기술은 이러한 투자 가치를 떨어뜨리고 로드맵을 완전히 재검토하도록 강요할 것입니다.

국내에 새로운 경쟁자가 등장하고 있습니다. Substrate는 장비 판매뿐만 아니라 자체 파운드리 운영까지 계획하고 있습니다. 이를 통해 Substrate는 인텔의 파운드리 사업 야망과 삼성의 미국 공장과 직접적인 경쟁자가 될 것입니다. 잠재적으로 비용이 저렴한 새로운 업체의 등장은 국내 시장의 경쟁 압력을 크게 증가시킬 것입니다.

팹리스 기업의 이점: 하지만 엔비디아, AMD, 퀄컴과 같은 칩 설계 업체들에게 이러한 발전은 오히려 기회입니다. 이들은 현재 TSMC에 의존하고 있습니다. 새로운 미국 기반 파운드리 공급업체는 이들의 협상력을 강화하고 공급망 위험을 줄일 것입니다. 하지만 기판(Substrate)이 고장 나서 다른 곳에 투자할 수 있었던 귀중한 투자 자본을 묶어둘 경우에만 이들의 "위협"은 간접적인 수준에 그칠 것입니다.

미국에 대한 요약은 다음과 같습니다. 이는 국가 안보나 경제에 대한 위협이 아닙니다(오히려 그 반대입니다). 하지만 이는 기존 미국 반도체 제조업체의 균형과 사업 모델에 파괴적인 위협입니다.

3. 중국에 대한 위협

중국에게 이 위협은 순전히 지정학적, 전략적 위협이며, ASML이 초래하는 위협보다 더 클 가능성이 있습니다.

기술 봉쇄 강화: 미국은 이미 ASML이 최첨단 EUV 시스템을 중국에 공급하는 것을 막고 있습니다. 만약 최첨단 리소그래피 기술이 CIA가 개입한 미국 기업에 의해 직접 개발된다면, 수출 통제는 더욱 엄격해지고 더욱 불가해해질 것입니다. 미국의 기술 장악은 더욱 강화될 것입니다.

격차가 벌어지고 있습니다. 중국은 구형 DUV 기술을 사용하는 더욱 진보된 노드(예: SMIC의 7nm 공정)를 따라잡기 위해 고군분투하고 있습니다. 서구의 새롭고 훨씬 저렴하며 강력한 기술은 중국의 노력을 수년간 지연시키고 기술 격차를 크게 벌릴 것입니다.

자급자족 압력 증가: 이러한 발전은 중국이 서구 기술에 결코 의존할 수 없다는 것을 보여주는 결정적인 증거입니다. 이는 중국 정부가 자국의 리소그래피 기술 개발에 더 많은 자원을 투자해야 한다는 압력을 엄청나게 증가시킬 것입니다. 이는 매우 비용이 많이 들고 오랜 시간이 걸리는 작업입니다.

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