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메모리 반도체 경기 전망과 발전과제

국내 반도체산업은 2018년에도 고성장이 지속되겠지만, 성장 폭은 작년에 비해 다소 둔화될 것으로 전망된다. 이러한 고성장 추세는 2019년에 이르러 하락세를 보일 것으로 판단된다.

즉 금년 국내 반도체 수출은 전년대비 18.6%로 여전히 높은 증가추세를 보일 것이다. 이는 작년에 무려 60.2%이라는 특이한 고성장률을 기록했기 때문에, 이에 대한 기저효과로 둔화 현상을 보인 것인데, 평년에 비하면 매우 높은 성장률이다. 이렇게 높게 전망하는 근거는 금년에도 글로벌 메모리 반도체시장이 지속적으로 증가하고 있는 반면에, 메모리공급은 아직도 과점적 공급구조에서 벗어나지 못했고, 특히 D램의 공급능력이 수요를 충족할 만큼 확대하지 못했기 때문이다.

금년에 반도체시장을 이끄는 주도품목은 D램이 될 것이며, 이는 작년부터 붐을 이루고 있는 데이터센터 구축에 핵심부품으로 등장하고 있기 때문이다. 따라서 금년의 반도체 경기는 D램의 수급 상황에 따라 민감하게 작용될 것으로 판단되므로, D램 수급 전망을 중심으로 분석하는 것이 매우 중요하다고 생각된다.

수요측면은 데이터센터, 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 등의 급속한 구축확대에 따른 핵심부품인 D램을 비롯한 반도체의 유효수요 증대가 계속될 것으로 판단된다. 또한 전통 IT제품인 스마트폰, TV 등의 경우 D램 탑재량 증가로 수요가 더욱 증대될 것으로 전망된다.

반면, 공급측면은 D램 업계가 금년에도 공급능력을 크게 확대하지 못하고 소폭 증가에 그칠 것으로 판단된다. 하지만, 낸드플래시는 생산능력의 큰 폭 확충으로 공급이 수요를 조금 넘는 경기 안정화 추세를 보일 것이다.

가격측면은 D램의 경우 수급의 견조한 추세로 가격 유지 안정세가 지속될 것이며, 낸드플래시는 공급확대로 다소 하향 안정세를 보일 것으로 전망된다. 또 다른 주요 이슈로서는 반도체 칩 재료인 실리콘웨이퍼 공급부족이 심각할 것으로 전망되며, 3D낸드 및 D램의 제조공정 난이도 심화로 수율 확보가 원활하지 않을 것으로 예상된다.

위와 같은 수요와 공급 요인을 종합하여 판단하면, 금년에도 국내 메모리반도체 수출은 큰 폭의 증가세를 보일 것으로 전망된다.

▲ 표 1. 금년 반도체산업의 수급 변화요인

하지만, 일부 특정기관에서 금년에 반도체 경기가 매우 침체될 것이라는 비관적 견해를 밝히기도 한다. 그 이유는 한국 및 중국 업계가 메모리 생산 확대로 공급과잉을 초래하여 가격이 급락하고, 새로운 치킨게임이 시작될 것이라는 전망이다.

그렇지만 현재 메모리 가격이 다소 하락하더라도 여전히 공급자 주도의 시장으로 이끌어갈 것으로 판단되며, 가격하락에 따른 신규 수요증가 요인을 고려하면 오히려 경기 활황을 이어갈 것으로 전망된다.

더욱이 한국 반도체 수출은 메모리 비중이 67.4%(2017년)로 매우 높고, 그 중에서도 D램의 비중이 높기 때문에, D램의 경기가 한국 수출을 좌우한다고 해도 과언이 아니다. D램은 고속처리 및 저전력 특성으로 인해 클라우드 컴퓨팅의 신규수요가 작년부터 급속히 증가하여 국내 반도체 성장을 이끌었으며, 금년에도 반도체 경기의 중심선상에 서 있을 것으로 판단된다.

반면, 낸드플래시는 삼성전자의 낸드플래시 평택공장이 작년 8월부터 양산되기 시작하여 거대규모의 새로운 생산량이 출하되고 있으나, 실질적인 수출액은 크게 나타나지 않고 있다. 이는 아마도 낸드플래시를 단품으로 직접수출하기보다는 SSD로 조립해서 컴퓨터 부속품목으로 HS코드 전환하여 수출되기 때문에, 반도체 수출에 포함되지 않는 것으로 판단된다.

▲ 표 2. 금년 반도체 경기의 부정적 견해

▲ 표 3. 한국 메모리반도체 월별 수출 추이(2017년)

수요 : 클라우드 확산에 따른 메모리 신규시장 폭증

수요 측면에서 금년에는 반도체 신규수요가 급속 확대될 것으로 전망된다. 우선 가장 큰 신규수요는 클라우드 인프라 조성을 위한 데이터센터 확산에 따라, 서버 시장이 작년에 이어 금년에도 여전히 급성장하여 반도체의 신규 수요가 강세를 보일 것으로 전망된다.

또한 신규수요로 비트코인과 같은 가상화폐 채굴관련 반도체 칩 수요가 급증할 것으로 전망된다. 최근 들어 비트코인 열풍으로 채굴을 위한 전용컴퓨터 설치가 확산되어, 관련 주문형반도체(ASIC) 수요가 강세를 보이고 있다.

반면에 전통 IT산업인 PC시장은 여전히 부진하고, 스마트폰 시장도 둔화세를 보일 것으로 전망되어, 관련 범용메모리의 성장은 둔화될 전망이다.

한편, 2017년 D램의 세계 시장이 74%까지 폭발적인 성장률을 기록했다. 하지만, 금년에는 성장곡선이 기저효과에 의해 다소 둔화된 완만한 성장세를 나타낼 것으로 전망되며, 여전히 D램이 시장을 견인할 것으로 전망된다.

이는 D램을 대량으로 필요로 하는 인공지능(AI) 도입, 빅데이터 분석, 자율주행차 등이 작년에 크게 부상하기 시작했으며, 2018년에도 아직 초기 단계에 불과하기 때문이다. 이러한 클라우드 서비스나 인공지능 서비스는 데이터센터 구축을 통해 대규모 데이터 수집, 전송, 저장, 분석 관리 등을 수행하고 있지만, 데이터를 초고속 전달하는 5G 통신은 아직도 상용화를 이루지 못하고 있다.

향후 인공지능 서버는 기존 서버보다 메모리는 4배, 로직은 8배가량 더 많이 필요하다. 이 모두가 향후 반도체 성장의 잠재력을 이루고 있는 것이다.

미국의 FAANG(페이스북, 아마존, 애플, 넷플릭스, 구글), 중국의 BAT(바이두, 알리바바, 텐센트), 한국의 네이버, SKT, KT 등이 클라우드 서비스를 위한 데이터센터 거점투자를 대폭적으로 늘리고 있다. 이에 핵심부품인 서버D램, 그래픽D램, SSD 등 데이터센터용 반도체가 2018년도에 계속 폭증할 것으로 전망된다.

초대형 데이터센터(Hyperscale Data Center)는 2017년에 390여개로 파악됐다. 대부분이 클라우드 및 인터넷 서비스를 운영하는 구글, 아마존, 마이크로소프트(MS) 등이 보유한 센터이며, 업체 수로는 24개에 불과하다. 데이터센터의 44%가 미국에 존재하고 있고, 그 다음이 중국(8%), 일본(6%), 영국(6%) 순으로 차지하고 있다.

한편, 스마트폰에 탑재되는 모바일 D램의 메모리용량이 증가하고 있다. 최신 스마트폰의 경우 D램은 4~6기가바이트(GB), 낸드플래시는 256GB를 탑재하는 제품이 지속적으로 증가하고 있다.

이미지센서(CIS)도 탑재량이 급증하고 있는데, 스마트폰의 듀얼 카메라 채택 확대, 자동차와 드론 등의 전후방 카메라 장착도 확대되고 있다. 또한 VR·AR의 보급 확산에 따라 메모리의 신규수요가 증가하고 있다.

▲ 그림 2. DRAM의 세계 시장 증가율 추이

▲ 그림 3. 주요 IT업계별 데이터센터 구축 수의 추이

▲ 그림 4. 초대형 데이터센터 운영분포 (2017년)

공급 : D램 생산 증대 제한적이나, 낸드플래시 생산능력 확대 가속

금년에도 클라우드 서비스 확충에 필요한 서버용 D램 공급이 폭발적인 수요를 따라가지 못할 것으로 전망된다.

우선 D램을 생산하는 주력업체가 삼성전자, SK하이닉스, 마이크론으로 압축되며, 이들 공급업체가 과점화 되면서 선제적 설비투자를 통한 시장선점 경쟁이 거의 사라졌다. 또한 회로가공 공정기술이 10나노급으로 초미세화가 진행되면서 수율확보가 더욱 어려워졌고, 설비투자 규모도 천문학적으로 거대화 되어 높은 진입장벽이 쌓여졌다. 이러한 요인으로 인해 단기간에 물량 확대는 기대하기 어려운 상황이다.

따라서 금년에 D램의 공급은 작년에 이어 계속 부족할 것으로 전망된다.

D램은 확실히 공급자가 시장을 주도하고 있다. 특히 구글, 아마존 등 IT기업의 데이터센터에 사용하는 고품질의 D램은 처리속도가 매우 빠르고 소비전력도 낮기 때문에, 수요가 폭증하고 있다.

IT업계의 경우 가격이 비싸도 고품질의 D램을 사용해야 원활한 클라우드 서비스를 제공할 수 있고, 또한 전기료 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 장점도 있다. 글로벌 IT업체들이 이러한 이유로 프리미엄 D램을 선호하게 된다. 더욱이 이런 관점에서 한국 D램 업체는 최고의 기술력을 앞세워 고품질의 대규모 물량을 항상 안정적으로 납품할 수 있기 때문에, 수요업계가 한국으로 몰릴 수밖에 없는 상황이다.

이로 인해 프리미엄 D램의 수요 강세는 당분간 지속될 것으로 전망된다. 데이터센터 한 곳 당 1000만~2000만GB(기가바이트) 용량의 D램이 사용된다는 점을 감안할 때, 금년 D램 시장은 꾸준히 성장할 것으로 분석된다.

?또한 D램의 수요와 공급이 적절한 균형점을 찾아 급격한 가격 상승세가 주춤하고 가격 안정세로 유지될 것으로 예상된다.

▲ 표 4. 최신 스마트폰의 D램 탑재 평균용량

가트너((Gartner, 시장조사기관)에 의하면, D램 평균가격(4Gb DDR4 PC용 범용기준)은 2016년 2.16달러에서 3.12달러로 44.4% 상승했다. 특히 PC용 D램보다는 서버용 D램이 고기능 고급제품이므로 가격이 훨씬 비싸다. 서버용 D램에서 16GB DDR4 제품의 평균가격은 2016년말 95달러에서 2017년말 145달러까지 약 52.6% 올랐다.

이와 같은 급격한 가격상승으로 기업의 수익이 엄청나게 증가했으므로 새로운 투자를 단행하거나 준비하고 있다. 메모리업계의 투자는 양산단계까지 상당한 기간(통상 1.5년 이상)이 필요하므로, 금년에는 공급 확대가 제한적일 것이며, 급증하는 데이터센터의 서버수요를 감안하면, D램 수급이 타이트하게 될 것으로 예상한다. 낸드플래시도 우려할만한 상황은 아니라고 판단된다.

지난 2017년 12월 삼성전자는 세계 최초로 10나노급 2세대(1y나노) D램을 양산중이라고 발표했으며, 구체적으로 10나노급 8Gb DDR4(Double Data Rate 4) 제품이다. 이미 2016년 2월부터 양산 개시한 10나노급 1세대(1x나노)보다 처리속도가 10% 이상 향상되었고 소비전력도 15% 이상 절감됐다.

이러한 최강 기술력을 근간으로 삼성전자는 2017년 반도체 세계 매출 1위를 달성했다. 이로 인해 삼성전자는 드디어 미국 인텔을 추월하여 세계 최대 반도체기업으로 부상했다. 인텔은 1992년 1위를 차지한 이후 25년 만에 처음으로 삼성전자에 밀려났다. 가트너(Gartner)에 의하면 2017년 삼성전자는 반도체 매출 612억1,500만 달러를 기록하여, 전년대비 52.6% 증가했고, 세계시장 점유율의 14.6%를 기록했다. 반면에 인텔은 577억1,200만 달러로 전년대비 6.7%증가에 그쳤고, 세계시장 점유율의 13.8%를 차지했다.

▲ 그림 5. 세계 D램의 수급 충족률 추이와 전망

▲ 그림 6. D램 4Gb 연평균가격(ASP) 추이와 전망

이와 같이 삼성전자 역습의 일등공신은 바로 D램이다. 즉 삼성은 D램을 생산하고 있지만, 인텔은 D램을 생산하지 않는다. 하지만 낸드플래시는 삼성과 인텔 모두 생산하고 있다. D램의 경우 지난해 수요가 갑자기 급증하여 공급부족을 초래하였고 가격상승 곡선이 급경사를 이루었다. 세계 D램 시장의 약 47%를 차지하는 삼성전자는 그 혜택을 그대로 향유하였으나, 인텔은 그러지 못했다.

D램을 처음 개발한 인텔은 1985년에 일본 세력에 밀려 결국 생산을 포기하고 PC용 마이크로프로세서(CPU)에 올인해 왔다.

인텔은 그동안 CPU에서 독보적으로 선행개발 및 양산하여 시장독점을 누려왔으나, PC시장의 쇠락으로 수요축소와 함께 인텔의 매출도 급감하기 시작했다. 이러한 현상은 윈도OS를 독점하고 있는 마이크로소프트(MS)도 마찬가지로 PC 라이프 사이클과 운명을 같이하고 있다.

메모리반도체 전문기업인 SK하이닉스도 지난해 퀄컴을 제치고 반도체 매출 3위를 차지했다. SK하이닉스는 전년대비 79% 증가한 263억900만 달러의 매출액을 올렸으며, 이러한 급성장은 D램의 가격상승이 견인차 역할을 했다. SK하이닉스는 세계 D램 시장의 약 30%를 차지하고 있으며, 낸드플래시는 약 11%정도 점유하고 있다.

▲ 표 5. 세계 반도체 업계의 매출 순위 (2017년)

한편, 낸드플래시는 금년에 글로벌 업체들이 3D 제품을 본격 양산하기 시작하여 가격이 다소 하향 안정세를 보일 것으로 전망된다.

우선 삼성전자가 평택의 신공장을 작년 8월 본격 가동을 시작했고 증설 작업도 진행하고 있다.

SK하이닉스도 이천 신공장(M14) 2층에서 3D 낸드플래시 생산을 확대하고 있다. 매각 합의를 끝낸 도시바도 3D 낸드플래시 양산 확대를 위해 신공장 투자를 추진 중이다.

물론 D램의 생산 확대도 진행 중인데, 삼성은 2D 낸드플래시 생산 라인(16라인) 일부를 D램 생산으로 전환 중이고, 3D 낸드플래시 양산 목적으로 지어진 평택공장의 2층 일부 공간을 D램 증설에 활용하고 있다.

하지만 이정도의 생산능력 확대로는 D램 수요 증가에 비해 불충분할 것으로 판단된다.

중국 : 금년 메모리 영향력 거의 없을 듯

중국은 메모리반도체 생산을 통해 반도체 굴기를 선언했으나, 실행 과정에 대한 가시적인 성과는 아직 미미한 수준이다. 2018년 하반기에 낸드플래시 및 D램 양산을 발표한바 있으나, 예상했던 것과는 달리 금년에 메모리 양산을 통한 시장 교란 영향은 없을 것으로 분석된다. 즉 중국 메모리업체들은 장기적으로 위협이 될 수는 있으나, 금년에는 시장에 영향력을 끼치지 않을 것으로 판단된다.

칭화유니그룹의 자회사인 YMTC(Yangtze Memory Technology Corp)는 3D 낸드플래시 투자를 2016년부터 본격화하여 2018년 하반기에 양산을 개시할 것으로 알려져 있다. 또한 D램을 생산할 것으로 천명한 Innotron은 IP문제에 따른 소송 가능성이 있고, JHICC는 Consumer DRAM이라는 한정된 시장(Niche Market)을 겨냥하기 때문에, 세계 D램 시장에 미치는 파급효과는 거의 없을 것으로 판단된다.

▲ 표 6. 중국 메모리업계 현황 (2018년 12월 현재)

메모리 강점 유지하되 AI반도체 기술개발 시급

국내 반도체산업의 지속성장과 새로운 기회를 갖기 위해서는 메모리 최강기술을 초격차 전략으로 선행개발하고, 로직 반도체분야를 강화해야 할 것이다. 즉 D램과 낸드플래시의 제조기술 강점은 유지하되, 4차 산업혁명관련 로직반도체 기술을 조기에 획득하여 새로운 도약기회를 가져야 할 것이다.

통상 반도체산업 육성에서 중점을 두는 정부 정책과제는 R&D 촉진정책, 기술인력 정책, 산업클러스터 조성으로 대별된다. 하지만 반도체산업은 대기업중심으로 성장한다는 이유로, 이러한 정부정책을 멈춘지가 너무나 오래되어 부작용이 심각하게 나타나고 있다. 차세대 반도체 개발 시급, R&D인력 및 반도체 교수 절대부족, 공장부지 확보 등이 시급히 해결해야 할 과제들이다.

첫째, 인공지능(AI) 성능을 높이기 위해 AI전용 반도체 개발이 시급하며, 이를 위해 대규모 컨소시엄 형태의 R&D 정책이 필요하다.

컨소시엄형태는 과거 G7과제 수행처럼 다부처 차원의 국가핵심 프로젝트로 책정하고, 대기업, 중소벤처기업, 연구소, 대학, 정부 모두가 참여하는 총체적 추진체계를 갖추어야 조기에 목적을 달성할 수 있을 것이다. 한국의 AI반도체 기술은 선진국에 비해 많이 뒤져있으며, 심지어 중국보다도 훨씬 뒤떨어져 있는 실정이다.

요즘 스마트시대의 키워드는 단연 인공지능(AI)이다. 이미 가전제품, 스피커, 커피머신, 스마트홈, 로봇, 자동차, 각종 서비스 등에 이르기까지 일상의 다양한 곳에 AI가 침투해있다. 생활 속으로 성큼 다가온 AI시대에 대응하기 위해 반도체 개발이 국가차원에서 체계적으로 이루어지는 것은 당연하다고 할 수 있다. AI기술은 클라우드형 AI와 온디바이스형 AI로 구분되는데, 우선 스마트폰 등 단말에 장착할 수 있는 온디바이스형 AI부터라도 개발을 서둘러 4차 산업혁명 패권 경쟁에서 함께 나아 갈 수 있어야한다.

둘째, 반도체 R&D과제와 R&D인력을 동시에 해결할 수 있는 대책이 필요하다.

그동안 반도체관련 정부 R&D과제에 대기업 참여를 배제함에 따라, 대학원학생 무관심, 교수 고령화 및 신임교수 외면 등으로 반도체 R&D인력 부족현상이 심각한 수준에 이르렀다.

반도체관련 R&D인력 양성은 R&D프로젝트 참여를 통한 학습과 노하우축적이 매우 중요하다. 따라서 인력양성을 위한 반도체관련 R&D사업을 획기적으로 확대하여 정부자금이 대학교 중심으로 지원하고, 대기업도 자금을 대학에 지원하는 형태로 운영체계를 전환해야 원활한 R&D인력을 양성할 수 있을 것이다.

셋째, 시스템R&D 프로젝트와 연계한 시스템-반도체 공동 R&D사업을 추진하는 것이 바람직하다. 반도체가 시스템에 장착되는 부품이지만 시스템반도체 R&D 과제는 시스템과 상관없이 별개로 추진하고 있으며, 시스템도 별개로 추진하고 있다.

이를 개선하기 위해 시스템-반도체 공동 개발추진을 통해 수급 균형발전을 도모할 필요가 있다. 여기에는 5G통신, IoT, AI, 스마트자동차 등 정부의 완제품 프로젝트와 연계한 반도체 R&D과제를 추진하는 다부처 프로젝트 개발정책이 필요하다.

주대영 신산업연구실 연구위원, 산업연구원