미국산 반도체 칩이 90% 더 저렴하다고? 스타트업 서브스트레이트(Substrate)가 네덜란드의 ASML과 대만의 TSMC 등 거대 기업에 도전장을 내밀고 있다

X선 리소그래피 2.0: 연구실에서 대량 생산까지 – X선 리소그래피는 다시 현실적인 기술이 되었는가?

나노미터 단위로 기술 발전이 이루어지는 첨단 기술 세계에서 반도체 산업은 거의 넘을 수 없는 성벽으로 둘러싸인 요새와 같습니다. 이 세계적인 질서의 최정상에는 두 거대 기업이 자리 잡고 있는데, 하나는 최첨단 칩 제조에 필요한 고가의 EUV 리소그래피 장비를 독점 공급하는 네덜란드의 ASML이고, 다른 하나는 세계 위탁 생산 시장을 장악하고 있는 대만 파운드리 기업 TSMC입니다. 수십 년간의 연구 개발과 수천억 달러의 투자를 통해 구축된 이 고도로 집중된 생태계는 지금까지 누구도 넘볼 수 없는 난공불락처럼 보였습니다.

하지만 이제 샌프란시스코의 스타트업인 서브스트레이트(Substrate)가 이 산업의 근간을 뒤흔들 만한 파장을 일으키고 있습니다. 피터 틸과 CIA 산하 벤처캐피털 기관인 인큐텔(In-Q-Tel) 등 유명 투자자들로부터 1억 달러 이상의 투자를 유치한 서브스트레이트는 판도를 바꿀 준비를 마쳤습니다. 그들이 내세우는 것은 ASML의 기존 EUV 시스템보다 강력할 뿐만 아니라 칩 웨이퍼당 비용을 최대 90%까지 획기적으로 절감할 수 있는, 새롭게 재탄생한 X선 리소그래피 기술입니다.

이번 발표는 단순한 기술 혁신을 넘어 지정학적, 경제적 전쟁 선포와 다름없습니다. 이는 미국의 기술 주권 추구에 정면으로 도전하고, 세계에서 가장 비싼 기계들의 사업 모델에 의문을 제기하며, 반도체 제조 분야의 진입 장벽을 허물겠다는 포부를 담고 있습니다. 그러나 유망한 실험실 시연에서 안정적인 대량 생산으로 이어지는 길은 실패한 혁명의 잔해로 가득 차 있습니다. 기술적 난관은 엄청나고, 업계의 회의론은 뿌리 깊으며, X선 리소그래피 자체의 역사는 실패의 연속입니다. 따라서 핵심 질문은 다음과 같습니다. 우리가 목격하고 있는 것은 세계 반도체 산업의 지형을 바꿀 진정한 혁신의 시작일까요, 아니면 막대한 자금이 투입된 기술적 꿈이 물리와 경제의 냉혹한 현실에 부딪혀 산산조각 나는 과거의 재현일까요?

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혁신적인 X선 리소그래피를 통해 세계적인 권력 구도가 변화할 것으로 예상됩니다

21세기 가장 중요한 산업 발전 중 하나인 칩 및 반도체 제조 기술이 현재 주목할 만한 전환점을 맞고 있습니다. 샌프란시스코에 본사를 둔 스타트업 서브스트레이트(Substrate)는 혁신적인 X선 리소그래피 기술 발표로 전 세계 마이크로칩 업계에서 큰 관심을 받고 있습니다. 피터 틸(Peter Thiel)과 같은 저명한 투자자들의 지원을 받아 1억 달러 이상을 투자 유치한 이 회사는 네덜란드의 독점 기업 ASML의 고가 리소그래피 시스템과 대만 거대 기업 TSMC의 제조 역량을 대체할 수 있는 기술을 개발했다고 주장합니다. 이러한 기술 개발이 전체 반도체 가치 사슬, 지정학적 권력 구조, 그리고 업계 내 경제적 균형에 미칠 잠재적 영향은 매우 크며, 상세한 경제 분석이 필요합니다.

반도체 리소그래피의 경제학: 독점 기업이 도전에 직면했을 때

산업 혁신의 역사는 기술적 파괴가 기존 권력 구조의 중심부에서 나오는 경우는 드물고 외부인에 의해 시작된다는 사실을 반복적으로 보여준다.

현재 반도체 산업은 이례적인 수준의 시장 집중 현상을 보이고 있습니다. 네덜란드에 본사를 둔 ASML은 최첨단 리소그래피 시스템 시장을 사실상 독점하며, 극자외선 리소그래피 분야에서 90~100%의 시장 점유율을 차지하고 있습니다. 대당 2억~4억 달러에 달하는 이 장비는 7나노미터 이하의 초고성능 반도체 제조에 필수적입니다. ASML의 매출총이익률은 꾸준히 50%를 웃돌고 있는데, 이는 사실상 독점 기업으로서의 막대한 가격 결정력을 보여주는 지표입니다. 2024년 ASML은 283억 유로의 매출과 76억 유로의 순이익을 기록했으며, 2025년에는 약 15%의 매출 성장과 52% 수준의 매출총이익률이 예상됩니다.

EUV 기술 개발은 30년 이상에 걸친 마라톤과 같았으며 총 100억 달러 이상의 비용이 소요되었습니다. ASML은 인텔, 삼성, TSMC와의 전략적 파트너십을 통해 이 거대한 사업을 성공적으로 수행할 수 있었는데, 이들 세 회사는 2012년에 ASML에 총 14억 유로를 투자하며 이른바 '머스킷티어 프로젝트'에 참여했습니다. 최초의 상용 EUV 시스템은 2010년에 납품되었지만, 대량 생산 단계에 도달한 것은 2019년이 되어서였습니다. 당초 계획보다 거의 20년이나 지연된 이 시장 출시 기간은 이 기술이 극복해야 할 엄청난 기술적 난관을 보여줍니다.

한편, 대만의 TSMC는 2025년 2분기 기준 70%가 넘는 압도적인 시장 점유율로 세계 파운드리 시장을 장악하고 있습니다. 이 회사는 2025년 3분기에 302억 4천만 달러의 매출을 올렸으며, 2025년 한 해 동안 380억 달러에서 420억 달러에 달하는 자본 투자를 계획하고 있습니다. 최첨단 차세대 TSMC 공장 건설 비용은 150억 달러에서 200억 달러에 이릅니다. 이러한 수치는 파운드리 산업 진입 장벽이 얼마나 높은지를 보여줍니다.

현재 기판을 대안으로 제시하는 X선 리소그래피는 결코 새로운 발명품이 아닙니다. 이 기술은 이미 1970년대에 연구되었고, 1980년대와 1990년대에는 IBM, Motorola를 비롯한 여러 미국 기업들이 개발에 막대한 투자를 했습니다. 그러나 기술적 난관이 너무 컸습니다. 근본적인 문제로는 금과 같은 고가의 재료로 만든 매우 안정적인 마스크의 필요성, 일관된 X선 소스를 생산하는 어려움, 그리고 해상도를 제한하는 복잡한 2차 전자 산란 등이 있었습니다. 경제적 요인 또한 작용했습니다. 업계에서 공통 표준에 대한 합의가 이루어지지 않았고, 여러 기업의 투자도 사업적 이해관계의 차이로 인해 실패했습니다.

기술적 혁신: 혁명인가, 아니면 역사적 실패의 반복인가?

Substrate는 이러한 기존의 문제점들을 해결했다고 주장합니다. 이 회사는 자체 설계한 입자 가속기를 사용하여 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속합니다. 이 전자들은 일련의 자석을 통과하면서 진동하게 되고, 4나노미터 미만의 파장을 가진 강력한 X선을 생성합니다. 이 파장은 ASML의 EUV 기술에서 사용하는 13.5나노미터보다 훨씬 짧아 이론적으로 더 높은 해상도를 구현할 수 있습니다. Substrate는 임계 치수가 12나노미터이고 끝단 간 거리가 13나노미터인 구조를 구현한 실험 결과를 발표했는데, 이는 2나노미터 공정 기술에 사용되는 최신 EUV 시스템의 성능과 유사한 수준입니다.

Substrate의 핵심 경제적 주장은 웨이퍼당 비용이 현재 약 10만 달러에서 2020년대 말까지 약 1만 달러로 떨어질 수 있다는 것입니다. 이러한 90%의 비용 절감은 반도체 제조의 경제성을 근본적으로 바꿀 것입니다. 이 회사는 EUV 공정에 흔히 필요한 복잡한 다중 패터닝 공정을 피함으로써 생산 단계를 대폭 줄일 수 있다고 주장합니다.

하지만 업계의 회의적인 시각은 기술적, 경제적 현실을 고려할 때 정당한 것입니다. 실험실에서 구조를 구현하는 것과 일관된 수율을 확보하며 대량 생산하는 것은 완전히 다른 문제입니다. TSMC는 4나노미터 공정으로 약 70%의 수율을 달성하는 반면, 삼성은 유사한 기술을 사용하면서도 35% 정도의 수율에 그치고 있습니다. 이러한 수치는 공정 안정성과 결함 최소화가 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 원자 수준에서 아주 작은 편차조차도 불량으로 이어질 수 있습니다.

현대 리소그래피에서 특히 심각한 문제는 확률적 효과, 즉 노광 과정에서의 무작위적인 변동입니다. EUV 리소그래피에서 이러한 효과는 이미 전체 오류 예산의 절반 이상을 차지하며, 2030년까지 업계에 연간 100억 달러 이상의 매출 손실을 초래할 것으로 추산됩니다. 이러한 문제는 미세 구조의 근본적인 물리적 특성, 즉 광자 수, 레지스트 분자 분포, 전자 산란 등이 본질적으로 무작위적이라는 점에서 비롯됩니다. 기판이 X선을 사용할 때 ASML이 EUV를 사용할 때보다 이러한 문제를 더 잘 극복할 수 있는지 여부는 여전히 미해결 과제입니다.

또 다른 근본적인 문제는 적합한 재료의 확보입니다. EUV 리소그래피에는 13.5나노미터 파장에 최적화된 완전히 새로운 포토레지스트 개발이 필요합니다. JSR, 도쿄 오카 코교, 신에츠 케미컬, 후지필름과 같은 일본 기업들이 EUV 포토레지스트 시장의 90% 이상을 장악하고 있습니다. 이러한 재료는 주석, 하프늄, 지르코늄과 같은 원소를 포함하는 금속 화합물을 기반으로 하며, EUV 파장에서 높은 흡수율을 나타냅니다. 기판(Substrate)은 자체적으로 X선 호환 포토레지스트를 개발해야 할 뿐만 아니라 이러한 재료의 대량 생산 체계를 구축해야 합니다. 마찬가지로, X선용 고정밀 마스크와 특수 광학 부품도 대량으로 공급되어야 하는데, 현재 이러한 공급망은 구축되어 있지 않습니다.

경제적 영향: 누가 이기고 누가 지는가

X선 리소그래피 기술의 성공적인 개발은 반도체 산업에 지대한 영향을 미치고 전체 가치 사슬을 재편할 것입니다.

ASML은 이러한 잠재적 변화의 중심에 서 있습니다. 이 회사는 40년 이상 기술 리더십 구축에 투자해 왔으며, EUV 개발에만 수십 년과 수십억 달러를 쏟아부었습니다. 제대로 된 경쟁업체가 등장한다면 ASML의 가격 결정력을 약화시킬 뿐만 아니라 전체 투자 전략을 재고하게 만들 수도 있습니다. ASML은 현재 대당 3억 8천만 달러에 달하는 고해상도 EUV 시스템에 막대한 투자를 하고 있으며, 이는 훨씬 더 높은 해상도를 제공할 것으로 기대됩니다. 만약 Substrate가 10분의 1 가격으로 ASML과 동등하거나 더 나은 결과를 달성할 수 있다면, ASML의 고해상도 EUV 로드맵에 근본적인 도전이 될 것입니다. 3천억 달러 이상의 기업 가치를 인정받는 ASML의 주주들은 회사의 경영 전략을 획기적으로 재평가할 가능성이 있습니다.

TSMC에게 있어 이번 사태의 의미는 복합적입니다. 한편으로, 저렴한 리소그래피 기술은 새로운 팹 건설에 필요한 자본 비용을 줄여줄 수 있습니다. TSMC는 현재 연간 380억 달러에서 420억 달러를 자본 지출에 투자하고 있으며, 그중 상당 부분이 EUV 시스템에 할당됩니다. 저개구수(low-NA) EUV 장비는 약 2억 3,500만 달러에 달하며, TSMC는 매년 더 많은 EUV 장비를 필요로 합니다. 저렴한 대안이 등장한다면 수익성이 개선될 수 있습니다. 반면, Substrate는 자사 시스템을 판매할 계획이 없고 자체 팹을 운영할 계획입니다. 이는 Substrate가 TSMC의 직접적인 경쟁자가 된다는 것을 의미합니다. 반도체 산업에서 수직 통합 모델은 성공하기 어렵다는 것이 역사를 통해 입증되었습니다. 팹리스 설계 회사와 파운드리 간의 전문화가 더 효과적이라는 것이 증명되었습니다. Substrate는 기술 개발뿐만 아니라 파운드리 운영, 고객 관계, 위탁 생산이라는 완전히 다른 과제들을 극복해야 할 것입니다. TSMC가 40년간 축적해 온 공정 최적화, 품질 관리, 고객 서비스 경험은 쉽게 모방할 수 없는 막대한 경쟁 우위입니다.

엔비디아, AMD, 퀄컴, 브로드컴과 같은 팹리스 칩 설계 업체들에게 성공적인 기판 기술은 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다. 이들 기업은 현재 거의 전적으로 TSMC에 의존하고 있으며, 삼성에도 어느 정도 의존하고 있습니다. 엔비디아는 2024년에 주로 AI 프로세서로 1,244억 달러의 매출을 올렸습니다. 제조 역량을 다변화하면 공급망 위험을 줄이고 파운드리 업체와의 협상력을 강화할 수 있습니다. 그러나 이들 기업은 검증되지 않은 공급업체가 수년간 일관된 품질과 수율을 입증하기 전까지는 쉽게 공급업체를 바꾸지 않을 것입니다. 각 파운드리 업체가 서로 다른 공정 설계 키트를 사용하기 때문에 칩 설계를 다른 파운드리 업체로 옮기는 것은 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

반도체 설계 및 제조는 물론 파운드리 서비스까지 제공하는 인텔과 삼성은 모두 어려운 상황에 처해 있습니다. 인텔은 파운드리 사업 부문에서 2023년 189억 달러의 매출을 올렸지만 70억 달러의 손실을 기록하며 고전하고 있습니다. 인텔의 18A 공정 기술은 경쟁 우위를 제공하는 것으로 알려져 있지만, 생산 지연과 기술적 문제로 악명이 높습니다. 삼성 역시 첨단 노드에서의 수율 문제로 비슷한 어려움에 직면해 있습니다. 새로운 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 공급업체들도 영향을 받을 것입니다. ASML 시스템용 초정밀 거울 제조업체인 독일의 자이스(Zeiss), 고출력 레이저를 공급하는 트럼프(Trumpf), 그리고 기타 제조 장비를 제공하는 어플라이드 머티리얼즈(Applied Materials), KLA, 램 리서치(Lam Research)는 모두 EUV 생태계 지원에 막대한 투자를 해왔습니다. 새로운 기술은 새로운 공급망을 필요로 할 것입니다. 일본의 포토레지스트 제조업체들은 X선 호환 소재를 개발하거나 시장 점유율을 잃어야 할 것입니다.

지정학적 차원: 기술 주권과 경제 안보

반도체 산업은 지정학적 긴장과 깊이 연관되어 있으며, 이번 기판 발표는 전략적으로 중요한 시기에 이루어졌습니다.

최근 몇 년 동안 미국은 중국의 첨단 반도체 기술 접근을 제한하기 위해 수출 통제를 점점 더 강화해 왔습니다. ASML은 자사의 최첨단 EUV 시스템을 중국에 판매하는 것이 금지되어 있습니다. 이러한 정책은 중국의 인공지능(AI) 및 군사 응용 분야 개발 능력을 제한하는 것을 목표로 합니다. 동시에 미국 정부는 CHIPS 법안을 통해 반도체 제조 시설을 미국으로 다시 이전하는 데 막대한 투자를 하고 있으며, 이 법안은 390억 달러의 직접 보조금과 25%의 투자 세액 공제를 제공합니다.

Substrate는 이러한 전략적 목표에 완벽하게 부합합니다. 미국에서 개발 및 제조된 리소그래피 시스템은 네덜란드와 대만의 기술에 대한 의존도를 줄여줄 것입니다. 피터 틸의 참여는 결코 우연이 아닙니다. 틸은 미국의 기술적 자율성 확보의 필요성을 거듭 강조해 왔습니다. CIA의 벤처 투자 기관인 In-Q-Tel 또한 Substrate에 투자하고 있어 국가 안보적 측면을 부각하고 있습니다.

그러나 X선 리소그래피의 역사를 보면 국가 주도의 정책이 반드시 성공으로 이어지는 것은 아닙니다. 미국은 1980년대와 90년대에 SEMATECH 협력을 통해 반도체 분야의 주도권을 되찾으려 했지만 결국 실패했습니다. ASML은 국가 산업 정책이 아닌, 꾸준한 기술 개발, 능숙한 공급망 통합, 그리고 고객과의 현명한 파트너십을 통해 혁신을 이뤄냈습니다. 문제는 이러한 요소들이 뒷받침되지 않는 상황에서 정부 지원만으로 성공할 수 있느냐는 것입니다.

중국은 서방의 수출 제한에 대응하여 국내 반도체 기술에 대규모 투자를 하고 있습니다. '중국 제조 2025' 계획은 자급자족을 최우선 과제로 삼고 있습니다. 만약 서브스트레이트(Substrate) 기술이 성공적이라면, 중국은 이 기술에 접근하거나 자체적인 대안을 개발하려 할 것입니다. 중국 최대 파운드리 업체인 SMIC는 제한에도 불구하고 EUV를 사용하지 않는 7나노미터 공정 개발에 진전을 보였지만, 수율은 낮고 비용은 높습니다.

유럽은 복잡한 상황에 놓여 있습니다. ASML은 유럽 기업이지만, 네덜란드 정부는 미국의 압력으로 수출을 제한해야 하는 처지에 놓여 있습니다. 유럽 반도체법(European Chips Act)은 유럽 반도체 제조업의 세계 시장 점유율을 10%에서 20%로 두 배로 늘리기 위해 430억 유로의 보조금을 약속하고 있습니다. 미국이 주도하는 반도체 제조 기술의 대안은 유럽의 전략적 자율성을 더욱 약화시킬 수 있습니다.

산업 중점 분야: B2B, 디지털화(AI부터 XR까지), 기계 공학, 물류, 신재생 에너지 및 산업

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기술적 난관: 연구실과 대량 생산 사이에는 무엇이 있을까

실험실에서 얻은 뛰어난 결과가 상업적 대량 생산으로 이어지는 과정은 반도체 산업에서 매우 어렵고 예측 불가능한 문제로 가득 차 있는 것으로 악명이 높습니다.

기판의 가장 큰 과제는 스케일링입니다. 실험실 시연을 통해 원칙적으로 관련 크기 범위의 구조물을 제작할 수 있음을 입증했지만, 상용 리소그래피에는 훨씬 더 많은 것이 요구됩니다. ASML 장비는 시간당 약 130~170개의 웨이퍼를 노광합니다. 오버레이 정확도, 즉 여러 층의 정밀한 정렬은 1나노미터 미만이어야 합니다. 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일성 또한 매우 높아야 하며, 결함 밀도는 제곱센티미터당 1개 미만이어야 합니다. 이러한 모든 요구 사항을 동시에 충족하면서 시스템이 수개월 동안 안정적으로 작동하는 것은 엄청난 엔지니어링 성과입니다.

Substrate에서 사용하는 입자 가속기 소스는 탁월한 안정성을 갖춰야 합니다. 빔 강도나 위치에 조금이라도 변동이 생기면 품질이 저하됩니다. ASML은 EUV용 레이저 플라즈마 주석 소스를 안정화하는 데 수년간 공을 들였습니다. 이 소스는 진공 용기에 초당 5만 개의 미세한 주석 방울을 분사하고, 이 방울들은 30킬로와트 CO2 레이저에 두 번 충돌하여 EUV 광을 방출하는 플라즈마를 생성합니다. 이러한 복잡한 솔루션은 수년간의 반복적인 개발 과정을 거쳐 탄생했습니다. Substrate는 더 작고 비용 효율적인 솔루션을 개발했다고 주장하지만, 수년간의 현장 테스트 없이는 그 타당성이 불확실합니다.

X선용 광학계는 극자외선(EUV)이나 심자외선(DUV)용 광학계와 근본적으로 다릅니다. X선은 대부분의 물질에 흡수되기 때문에 렌즈로 집속할 수 없습니다. 따라서 특수한 경사 입사 거울이 필요합니다. 이러한 거울은 놀라울 정도로 정밀하게 제작되어야 합니다. 자이스는 ASML에 거울을 공급하는데, 독일 규모로 확대했을 때 이상적인 형상에서 최대 편차가 0.1mm에 불과합니다. X선 광학계에서 이처럼 높은 정밀도가 실현 가능한지는 아직 불확실합니다.

X선 리소그래피용 포토레지스트 소재는 상업적으로 대량 생산되지 않습니다. 새로운 레지스트 시스템 개발에는 일반적으로 수년이 걸리며 화학자, 재료 과학자, 공정 엔지니어 간의 긴밀한 협력이 필요합니다. 레지스트는 높은 해상도를 제공하는 동시에 후속 공정 단계의 마스크 역할을 할 수 있도록 충분한 식각 저항성을 가져야 합니다. 또한, 표면 거칠기가 낮아야 하고 원치 않는 부작용을 일으키지 않아야 합니다. 이 분야의 일본 시장 선도 기업들이 신규 경쟁업체와 자동으로 협력할 리는 없습니다.

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비즈니스 모델: 수직적 통합은 Segen 인가 저주인가

Substrate는 기존 업계 관행에서 벗어난 혁신적인 전략을 추구하고 있습니다. 기존 파운드리에 리소그래피 시스템을 판매하는 대신, 자체 반도체 제조 공장을 건설하고 운영할 계획입니다.

이러한 수직적 통합은 지난 40년간 지배적이었던 비즈니스 모델과 상반됩니다. 모리스 창이 1987년 TSMC를 설립하고 순수 파운드리 모델을 확립한 이후, 업계는 점차 전문화되었습니다. <binary data, 6 bytes>less 설계 회사는 칩 아키텍처 및 설계에 집중하고, 파운드리는 제조에, ASML과 같은 장비 공급업체는 특정 기술에 집중합니다. 이러한 전문화를 통해 각 기업은 해당 분야에서 세계적인 수준으로 성장할 수 있었습니다.

Substrate는 수직 통합이 조정 비용을 줄이고 혁신 속도를 높일 수 있다고 주장합니다. 테슬라와 스페이스X는 성공적인 수직 통합의 사례로 자주 언급됩니다. 하지만 반도체 산업은 상황이 다릅니다. 자본 집약도가 매우 높습니다. 최신 반도체 공장을 건설하는 데는 150억 달러에서 200억 달러가 소요됩니다. TSMC는 연간 400억 달러 이상을 자본 지출에 사용합니다. Substrate는 지금까지 1억 달러를 투자 유치했으며 기업 가치는 10억 달러가 넘습니다. 경쟁력을 갖추려면 현재 투자액의 100배에 달하는 금액을 투자해야 할 것입니다.

더욱이, 파운드리 운영은 리소그래피 기술 개발과는 완전히 다른 기술을 요구합니다. TSMC는 7만 명이 넘는 직원을 고용하고 있으며, 그중 상당수는 고도로 전문화된 공정 엔지니어입니다. 이 회사는 수율 최적화, 결함 분석 및 고객 관계 관리 분야에서 40년 이상의 경험을 보유하고 있습니다. 새로운 공정 노드를 개발하려면 수천 번의 실험과 반복 작업이 필요합니다. 학습 곡선은 가파르고 비용도 많이 듭니다.

문제는 Substrate의 고객이 누구일지입니다. 엔비디아, AMD, 퀄컴과 같은 대형 팹리스 기업들은 TSMC와 오랜 기간 긴밀하게 협력해 왔습니다. 이러한 파트너십은 수년간의 공동 작업, 공동 개발한 공정 설계 키트, 그리고 상호 신뢰를 바탕으로 구축되었습니다. 새로운 파운드리가 이러한 관계를 깨뜨리려면 탁월한 이점을 제공해야 할 것입니다. 수율, 신뢰성, 납기 등의 위험이 존재하는 상황에서 단순히 비용 절감만으로는 충분하지 않습니다.

인텔은 수년간 파운드리 사업 확장을 시도해 왔지만 상당한 어려움을 겪고 있습니다. 인텔 파운드리 서비스는 2024년 3분기에 외부 매출 8백만 달러만을 기록했습니다. 손실 규모가 상당합니다. 이는 기존의 반도체 대기업조차 파운드리 시장에 진출하는 것이 얼마나 어려운지를 보여줍니다. 서브스트레이트는 그야말로 백지상태에서 시작하는 셈입니다.

시간 범위: 2028년 이후

Substrate는 2028년에 대량 생산을 시작할 계획입니다. 이는 매우 야심찬 일정입니다. 현재 실험실 시연 단계에서 약 3년 만에 상업 생산 단계로 넘어가려면 모든 것이 완벽하게 진행되어야 합니다.

비교하자면, ASML은 2006년에 EUV 알파 프로토타입 개발을 시작하여 2010년에 첫 번째 시제품 시스템을 선보였고, 2019년에야 대량 생산에 들어갔습니다. 즉, 최초 시연부터 양산까지 13년이 걸린 것이며, 이는 이미 리소그래피 분야에서 풍부한 경험을 보유한 탄탄한 기업을 기준으로 한 것입니다.

기판 제조업체는 3년 안에 리소그래피 기술을 양산 준비 단계까지 끌어올려야 할 뿐만 아니라, 제조 공장을 건설하고, 필요한 모든 자재와 장비의 공급망을 구축하고, 공정을 개발 및 최적화하고, 고객을 확보하고, 필요한 허가를 취득해야 합니다. 기술이 실제로 작동한다고 해도, 이러한 일정은 비현실적입니다.

보다 현실적인 시간표는 상당한 규모의 상업 생산이 이루어지기까지 8년에서 12년 정도 걸릴 것이라는 의미입니다. 이는 업계에 미치는 영향이 아무리 빨라도 2030년대 중반에나 느껴질 것이라는 뜻입니다. 그때쯤이면 ASML은 고해상도 EUV 시스템을 구축하고, TSMC는 1나노미터 이하의 공정을 개발하고 있을 것이며, 업계 전체가 Substrate의 접근 방식을 구식으로 만드는 방향으로 나아가고 있을 가능성이 있습니다.

대안적인 미래 시나리오: 실제로 어떤 일이 일어날 수 있을까?

Substrate의 발표는 중요한 질문들을 제기하지만, 예상되는 시나리오는 완전한 실패부터 업계에 미미한 영향을 미치지만 혁명을 일으키지는 않는 부분적인 성공까지 다양합니다.

비관적인 시나리오는 Substrate가 기술적 난관을 극복하지 못하는 것입니다. X선 리소그래피의 물리적 특성이 너무 까다롭거나, 확률적 효과를 제어할 수 없거나, 자본 비용이 너무 높아질 수 있습니다. 그렇게 되면 회사는 실패하거나 특수 응용 분야에서만 사용되는 틈새시장 기업으로 전락할 것입니다. 역사적으로 기존 기술에 도전했던 기업들은 대부분 실패했습니다. 니콘과 캐논 모두 ASML과 EUV 경쟁을 벌였지만 결국 포기했습니다.

중간 시나리오로는 Substrate가 해당 기술을 부분적으로 구현하되, 약속된 비용이나 필요한 신뢰성을 확보하지 못하는 경우를 생각해 볼 수 있습니다. 그런 다음 Substrate는 해당 기술을 기존 업체에 라이선스할 수 있습니다. ASML 자체도 고해상도 EUV 이후 차세대 기술로서 X선 리소그래피의 가능성을 검토해 볼 수 있습니다. 또는 인텔이나 삼성과 같은 주요 반도체 제조업체가 자사의 제조 역량을 차별화하기 위해 해당 기술을 인수할 수도 있습니다.

낙관적인 시나리오는 Substrate가 실제로 비용 효율적인 리소그래피 솔루션을 개발하지만 파운드리 사업을 포기하고 기존 제조업체에 시스템을 판매하는 것입니다. 이렇게 되면 진입 장벽이 낮아지고 리소그래피 장비 시장에서 더욱 건전한 경쟁이 촉진될 수 있습니다. ASML은 가격을 낮추고 혁신 속도를 높여야 한다는 압박을 받을 것이며, 이는 업계 전체에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

Substrate가 기술을 완전히 습득하고 자체 파운드리 시설을 성공적으로 운영하여 주요 파운드리 경쟁업체로 성장하는 혁신적인 시나리오는 가능성이 매우 낮아 보입니다. 세계에서 가장 자본 집약적이고 복잡한 산업 중 하나에서 기술 혁신과 비즈니스 모델 혁신을 결합하는 것은 엄청난 도전입니다.

더 넓은 의미: 무어의 법칙, 소형화의 한계, 그리고 대안적 경로

기판 관련 이야기는 반도체 산업의 미래에 대한 근본적인 질문을 제기합니다. 칩에 탑재되는 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 증가한다는 무어의 법칙은 1960년대 이후 업계의 속도를 좌우해 왔습니다. 그러나 이러한 추세가 끝날 것이라는 예측이 점점 더 많이 나오고 있습니다.

물리적 한계가 점점 더 분명해지고 있습니다. 트랜지스터는 원자 크기에 근접하고 있습니다. 3나노미터 이하의 구조에서는 터널링과 같은 양자 효과가 발생하여 전자가 장벽을 제어할 수 없이 통과하게 됩니다. 이로 인해 열 발생이 문제가 되고, 전자 누설 전류가 증가합니다. 일부 전문가들은 인텔이 10나노미터에서 7나노미터로 크기를 줄이는 데 전통적인 2년이 아닌 5년이 걸린 2016년에 이미 무어의 법칙이 끝났다고 주장합니다.

경제적 제약 또한 매우 중요합니다. 록의 법칙에 따르면 반도체 공장 건설 비용은 대략 4년마다 두 배로 증가합니다. 2나노미터 기술용 팹을 건설하는 데는 200억 달러 이상이 소요됩니다. 이러한 투자를 감당할 수 있는 기업의 수는 점점 줄어들고 있습니다. 현재 TSMC, 삼성, 인텔만이 최첨단 노드 경쟁에 남아 있으며, 나머지 기업들은 모두 경쟁에서 철수하고 보다 성숙하고 수익성 있는 기술에 집중하고 있습니다.

이러한 맥락에서, 서브스트레이트가 약속하는 비용의 획기적 절감은 특히 매력적입니다. 만약 성공한다면, 더 많은 기업들이 반도체 제조 분야에 진출하여 경쟁을 촉진할 수 있을 것입니다. 그러나 리소그래피 비용이 저렴해진다 하더라도, 리소그래피는 전체 장비 비용의 약 20%만을 차지하기 때문에 반도체 제조 시설(팹)의 총비용은 여전히 ​​막대합니다.

무어의 법칙을 지속하기 위한 대안적 접근 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 삼성과 TSMC가 3나노미터 공정으로 선보이는 게이트 올 어라운드 FET와 같은 새로운 트랜지스터 구조는 전자 흐름 제어를 향상시킵니다. TSMC의 CoWoS와 같은 첨단 패키징 기술을 통한 3차원 칩 적층은 더 작은 부피에 더 많은 기능을 통합할 수 있도록 합니다. 질화갈륨이나 탄소나노튜브와 같은 새로운 소재는 실리콘을 보완하거나 대체할 수 있습니다. 뉴로모픽 컴퓨팅 아키텍처와 양자 컴퓨터는 근본적으로 다른 컴퓨팅 패러다임을 제시합니다.

블록 공중합체의 방향성 자가 조립 및 나노임프린트 리소그래피는 현재 연구되고 있는 또 다른 대안적인 리소그래피 접근 방식입니다. 이러한 기술들은 특정 응용 분야에서 이점을 제공할 수 있지만, 아직 대량 생산 단계에는 이르지 못했습니다. 반도체 업계는 공정 변경에 따른 위험 부담이 너무 크기 때문에 보수적인 입장을 취하고 있습니다.

결과가 불확실한 매혹적인 도전

Substrate의 발표는 분명히 고무적인 소식이며 반도체 제조의 미래에 대한 중요한 질문을 제기합니다. 기존 독점 기업, 지정학적 권력 구조, 그리고 이 핵심 산업의 경제적 균형에 미칠 잠재적 영향은 상당합니다.

하지만 냉철한 현실주의가 필요합니다. 반도체 산업의 역사는 유망해 보였지만 실패한 기술들과 과장된 발표로 판명된 사례들로 가득합니다. X선 리소그래피는 1980년대와 90년대에 미래의 기술로 각광받았지만 결국 실패했습니다. Substrate가 극복해야 할 기술적, 경제적, 조직적 과제는 엄청납니다.

ASML과 TSMC가 업계를 장악한 것은 우연이 아니라 수십 년에 걸친 꾸준한 노력, 막대한 투자, 현명한 파트너십, 그리고 탁월한 기술력 덕분입니다. 이들 기업은 신규 경쟁업체가 시장을 침범하는 것을 가만히 지켜보지만은 않을 것입니다. 오히려 자체 혁신을 가속화하고, 가격을 조정하며, 잠재 고객을 유지하기 위해 노력할 것입니다.

피터 틸과 인큐텔을 비롯한 서브스트레이트 투자자들에게 있어, 이는 막대한 수익을 창출할 잠재력을 지닌 고위험 사업이지만, 동시에 완전한 손실의 가능성도 매우 높습니다. 반도체 산업 전체적으로 볼 때, 이번 사태는 혁신이 아직 끝나지 않았으며 새로운 접근 방식이 모색되고 있다는 긍정적인 신호입니다. 설령 서브스트레이트가 실패하더라도, 이번 ​​경험을 통해 얻은 교훈은 향후 사업에 도움이 될 수 있을 것입니다.

향후 몇 년 동안 서브스트레이트가 반도체 산업에 진정한 혁명을 일으킬 수 있을지, 아니면 소형화의 한계를 뛰어넘기 위한 오랜 노력의 또 다른 한 에피소드에 그칠지가 드러날 것입니다. 이 이야기는 경제적, 기술적, 지정학적 차원을 아우르며 현대 경제에서 가장 복잡한 산업 중 하나인 반도체 산업의 혁신, 파괴적 변화, 그리고 가능성의 한계를 보여주는 흥미로운 사례 연구가 될 것입니다.

칩 전쟁 2.0: 미국, 중국, 유럽이 직면한 매우 다른 위험은 무엇인가

이러한 위협은 유럽에만 국한된 것이 아니라 전 세계 반도체 산업 전체에 영향을 미칩니다. 그러나 미국과 중국에 대한 위협의 양상은 유럽과 근본적으로 다릅니다.

1. 유럽에 대한 위협 (특히 ASML에 대한 위협)

유럽에게 있어 이 위협은 직접적이고 존립을 위협하는 문제입니다.

ASML이 표적이 되었습니다. 서브스트레이트(Substrate)는 유럽 기술 업계의 핵심 기업인 ASML을 겨냥하고 있습니다. X선 리소그래피 기술이 성공적이라면, ASML이 수십 년간 누려온 최첨단 리소그래피 시스템 독점 체제가 무너질 수 있습니다.

경제적 손실: 경쟁업체가 성공하면 ASML의 막대한 가격 결정력과 높은 수익률이 약화될 수 있습니다. 대당 수억 달러가 드는 차세대(고해상도 EUV) 장비에 대한 투자는 결국 손해로 판명될 수 있습니다.

생태계 약화: 이러한 위협은 ASML을 중심으로 구축된 유럽 전체 공급망, 특히 자이스(광학)와 트럼프(레이저)와 같은 독일 첨단 기술 기업에까지 미칩니다.

지정학적 손실: 유럽은 가장 중요한 지정학적 지렛대를 잃어가고 있습니다. ASML에 대한 통제권은 EU(및 네덜란드)에게 글로벌 기술 분쟁에서 독보적인 영향력을 부여하는데, 이는 이미 미국의 압력으로 인해 제한적인 지위입니다. 미국이 대안을 제시한다면 이러한 영향력은 거의 완전히 사라질 것입니다.

2. 미국 내 경쟁에 대한 위협

미국에게 있어 이는 양날의 검과 같다. 국가적으로는 전략적인 기회이지만, 기존 미국 강대국들에게는 파괴적인 위협이 될 수 있다.

인텔과 삼성에 대한 위협: 인텔과 삼성처럼 미국에 대규모 투자를 하고 있는 기업들(CHIPS 법안의 지원을 받음)은 ASML의 EUV 기술에 미래 전략 전체를 의존하고 있습니다. 이들은 EUV 기반 공장에 수십억 달러를 투자했습니다. 서브스트레이트(Substrate)의 새로운 호환 불가능한 기술은 이러한 투자의 가치를 떨어뜨리고 기업들이 로드맵을 완전히 재고하도록 만들 것입니다.

국내 시장에 새로운 경쟁업체가 등장하고 있습니다. 서브스트레이트(Substrate)는 단순히 장비를 판매하는 것을 넘어 자체 파운드리 공장을 운영할 계획입니다. 이는 인텔의 파운드리 사업 확장 계획과 삼성의 미국 공장에 직접적인 경쟁 상대로 작용할 것입니다. 잠재적으로 더 낮은 비용으로 경쟁할 수 있는 새로운 업체의 등장은 국내 시장의 경쟁 압력을 크게 높일 것으로 예상됩니다.

<binary data, 6 bytes>less 기업의 이점: 엔비디아, AMD, 퀄컴과 같은 칩 설계 회사들에게 이러한 상황은 주로 기회로 작용합니다. 이들은 현재 TSMC에 의존하고 있는데, 새로운 미국 기반 파운드리 업체가 등장하면 협상력이 강화되고 공급망 위험이 줄어들 것입니다. 이들의 "위협"은 Substrate가 실패하여 귀중한 투자 자본을 묶어두는 경우에만 간접적으로 발생할 것입니다.

요약하자면, 미국의 경우 이는 국가 안보나 경제에 대한 위협이 아니라(오히려 정반대), 기존 미국 반도체 제조업체들의 균형과 사업 모델을 뒤흔들 수 있는 위협입니다.

3. 중국에 대한 위협

중국에게 있어 이 위협은 순전히 지정학적이고 전략적인 문제이며, ASML이 제기하는 위협보다 훨씬 더 클 가능성이 있다.

기술 봉쇄 강화: 미국은 이미 ASML이 중국에 최첨단 EUV 시스템을 공급하는 것을 막고 있습니다. 만약 미국 기업이 CIA의 개입 하에 선도적인 리소그래피 기술을 직접 개발하고 있다면, 수출 통제는 더욱 엄격해지고 뚫을 수 없게 될 것입니다. 미국의 기술적 포위망이 더욱 강화될 것입니다.

격차는 점점 더 벌어지고 있습니다. 중국은 구형 DUV 기술을 사용하여 SMIC의 7nm 공정과 같은 더욱 발전된 공정 수준에서 따라잡기 위해 고군분투하고 있습니다. 서방에서 훨씬 저렴하고 강력한 신기술이 등장한다면 중국의 노력은 수년 후퇴하고 기술 격차는 극적으로 확대될 것입니다.

자립에 대한 압력 증가: 이번 개발은 중국이 서구 기술에 결코 의존할 수 없다는 것을 보여주는 결정적인 증거입니다. 이는 중국 정부가 자체적인 석판 인쇄 기술 개발에 더욱 많은 자원을 투자해야 한다는 압력을 크게 가중시킬 것이며, 이는 매우 비용이 많이 들고 오랜 시간이 걸리는 사업입니다.

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