[IT] 반도체 산업 입문서 from EricFlaningam

1. 기본 사항

2. 전자 설계 자동화

3. 명령어 세트 아키텍처

4. 제조

a. 프로세스

b. 파운드리

c. 제조 장비

5. 칩 시장

a. 논리

b. 메모리

c. 아날로그

6. 결론

면책 조항: 이는 투자 조언이 아니므로 투자하기 전에 직접 조사해야 합니다.

소개

이 글을 쓰게 된 동기는 제 투자 철학의 두 가지 핵심 원칙에서 비롯되었습니다:

1. 최고의 기업은 성장하는 산업에서 독점 또는 준독점적 역할을 하며 뛰어난 리더십을 발휘하는 기업입니다.

2. 저는 투자하는 기업의 기술을 깊이 이해하여 혁신이나 파괴적 혁신의 잠재력을 이해하고 싶습니다.

일관되게 저는 반도체 회사가 첫 번째 기준에 부합한다고 생각합니다. 하지만 기술에 대한 이해가 부족해서 투자를 하지 않았습니다.

이 글의 목표는 몇 가지입니다:

1. 독자들에게 반도체 산업에 대한 기본적인 이해를 제공한다.

2. 미래를 합리적으로 예측할 수 있는 기업에 대한 투자 기회를 파악하기 위해.

3. 세계에서 가장 복잡한 산업을 조금 덜 어렵게 만드는 그래픽을 만들기 위해(친근한 글꼴을 사용하기 위해).

시작하겠습니다:

기본 사항

설계 vs 제조

기본적으로 반도체 산업은 크게 두 가지 부문으로 나눌 수 있습니다: 설계와 제조.

반도체를 설계하지만 제조하지 않는 회사는 팹리스 회사로 간주됩니다.

팹리스 업체에서 제공한 설계를 기반으로 제조만 하는 회사를 파운드리라고 합니다.

반도체의 설계와 제조를 모두 수행하는 회사는 통합 장치 제조업체 또는 IDM입니다.

설계 프로세스

반도체 설계는 매우 복잡합니다. Apple의 최첨단 칩에는 1,340억 개의 트랜지스터(칩의 구성 요소이자 전하를 전달할 수 있는 '게이트'인 트랜지스터)가 있습니다.

설계 프로세스는 칩의 요구 사항을 파악하고, 칩의 로직 설계를 배치하고, 성능을 시뮬레이션하고, 오류를 테스트합니다. 이 과정은 칩이 완벽해질 때까지 반복됩니다.

이 프로세스에 사용되는 소프트웨어를 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어라고 합니다.

설계가 완료되면 제조를 위해 파운드리로 보내집니다.

아키텍처

프로세서를 설계하는 데 사용되는 기본 아키텍처에는 세 가지가 있습니다: Arm(최근 기업공개), x86(인텔에서 개발), RISC-V(오픈 소스 대안).

CPU는 이러한 아키텍처를 기반으로 구축된 메인 프로세서입니다.

이러한 아키텍처는 칩의 하드웨어와 칩을 프로그래밍하는 데 사용되는 소프트웨어 사이에 다리를 제공합니다.

x86은 Intel이 개발한 독점 IP입니다. AMD는 자체 x86 칩을 개발하기 위해 인텔의 제품을 리버스 엔지니어링했습니다.

Arm의 아키텍처는 다른 회사에 라이선스 아웃한 독점 IP입니다.

RISC-V는 RISC-V 국제 조직에 의해 개발되었으며 누구나 사용할 수 있도록 개방되어 있습니다.

제조 공정

반도체 제조는 지구상에서 가장 복잡한 공정입니다.

제조 공정의 중심에는 파운드리가 있으며, 대부분 대만에 있습니다.

이러한 파운드리는 공정에서 다양한 도구를 사용하는데, 대부분 5개 회사에서 제조합니다: 어플라이드 머티어리얼즈, ASML, 도쿄 일렉트론, KLA 코퍼레이션, 램리서치입니다.

기본적인 흐름은 이렇습니다:

이 과정을 완전히 이해하지 못해도 괜찮습니다. 이 과정을 처음부터 끝까지 완벽하게 이해하는 사람은 전 세계에 거의 없기 때문입니다.

칩의 종류

칩에는 디지털 칩과 아날로그 칩의 두 가지 유형이 있습니다. 디지털 칩은 1 또는 0의 이진 값을 기반으로 하며, 아날로그 칩은 소리나 빛과 같은 연속적인 신호를 받습니다.

디지털 칩은 더 복잡하며 우리가 익히 알고 있는 대부분의 칩을 구성합니다. 아날로그 칩은 버튼을 누르면 손전등이 켜지는 것과 같은 기본적인 기능을 처리합니다.

디지털 칩 시장은 로직 칩과 메모리 칩의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

그 외에도 애플리케이션별 집적 회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 시스템 온 칩 장치(SoC) 등 몇 가지 유형의 칩이 존재합니다.

로직 칩:

로직 칩은 작업을 완료하기 위해 정보를 처리합니다. CPU와 GPU가 가장 일반적인 두 가지 예입니다.

중앙 처리 장치(CPU): CPU는 작업을 수행하는 컴퓨터의 주요 칩입니다. 흔히 컴퓨터의 '두뇌'라고도 불립니다. CPU는 컴퓨터의 소프트웨어와 하드웨어에서 나오는 대부분의 명령을 처리합니다. 단일 CPU 프로세서는 한 번에 하나의 작업만 처리할 수 있다는 점에 유의하세요.

그래픽 처리 장치(GPU): GPU는 병렬 처리 또는 한 번에 많은 작업을 실행하도록 설계된 칩입니다. 이는 컴퓨터가 한 번에 많은 데이터를 처리해야 하는 그래픽 처리에 적합합니다. 또한 AI는 복잡도가 낮은 대량의 계산을 동시에 수행해야 하기 때문에 AI에도 적합합니다. GPU는 CPU가 처리할 수 있는 복잡한 문제를 처리할 수 없지만, 소프트웨어는 이러한 문제를 GPU가 처리할 수 있는 조각으로 나눌 수 있습니다.

여러분이 잘 알고 있는 대부분의 회사에서 로직 칩을 만드는데, 이는 기술의 '두뇌' 역할을 하기 때문입니다.

메모리 칩:

메모리 칩은 데이터를 저장하도록 설계되었습니다. 메모리 칩에는 두 가지 유형이 있습니다:

DRAM: DRAM 칩은 '휘발성' 메모리 칩으로, 칩의 전원이 꺼지면 데이터가 손실됩니다. DRAM은 더 큰 저장 용량과 빠른 속도를 제공합니다. DRAM은 빠른 처리 속도가 필요할 때 사용됩니다.

낸드: 낸드 칩은 전원이 꺼져도 저장된 데이터를 보존하는 비휘발성 메모리 칩입니다. NAND 칩은 데이터를 영구적으로 저장해야 할 때 사용됩니다.

기타:

애플리케이션별 집적 회로(ASIC): ASIC은 한 가지 특정 목적을 위해 설계된 칩입니다. 예를 들어 Google의 칩(TPU)은 AI 가속기용으로 특별히 설계되었습니다.

필드 프로그래머블 게이트 어레이: FPGA는 제조 후 재프로그래밍할 수 있는 칩입니다.

시스템 온 칩 장치(SoC): SoC는 여러 종류의 칩을 하나의 칩에 여러 종류의 칩을 하나의 칩에 넣습니다. 예를 들어 다음은 Apple의 mac M2 SoC 다이어그램입니다:

전자 설계 자동화

EDA 도구는 기업이 칩을 파운드리로 보내기 전에 칩을 설계하는 데 사용하는 소프트웨어를 제공합니다.

칩을 제조하기 전에 여러 설계 단계를 거쳐야 하며 각 단계마다 오류를 확인해야 합니다. 단 한 번의 설계 결함으로 인해 수백만 달러의 손실이 발생할 수 있습니다. 이러한 오류 확인 프로세스를 검증이라고 합니다.

자체 칩을 설계하는 거의 모든 회사는 Synopsys 또는 Cadence Design Systems 또는 두 가지 모두를 사용합니다.

EDA 시장은 기업이 미리 설계된 칩을 판매하는 세미 설계 지적 재산권 시장과도 밀접하게 연관되어 있습니다.

IP는 고객의 칩 설계에 통합하기 위한 '드래그 앤 드롭' 블록 역할을 합니다.

시장 개요

이 시장은 Synopsys, Cadence Design Systems, Siemens EDA(이전의 멘토 그래픽스)가 과점하고 있습니다.

칩 설계의 복잡성이 증가함에 따라 시장은 더욱 집중화되고 있습니다.

이 시장은 지난 12년 동안 9.6%의 연평균 성장률로 성장했으며, 최근 5년 동안은 12.2%의 연평균 성장률로 그 성장이 가속화되고 있습니다.

EDA 시장의 성장에는 두 가지 원동력이 있습니다:

칩 복잡성 증가:

칩이 복잡해짐에 따라 설계 툴의 중요성이 더욱 커지고 있습니다. 칩 제조 비용이 증가하면서 결함을 발견하는 데 드는 비용이 더욱 커지고 있습니다. 이러한 칩의 설계와 검증은 완벽해야 합니다. 이러한 칩을 최적화하고 결함을 방지하는 데 AI의 역할이 점점 더 커지고 있습니다.

복잡성이 커지면 더 많은 비용이 드는 고급 툴링이 필요합니다.

그렇기 때문에 EDA 시장의 선두주자들도 반도체 복잡성을 따라잡기 위해 고군분투하고 있습니다.

이는 1990년대부터 알려진 문제였지만, 그 요점은 다음과 같습니다: