2021년 하반기에 일부 자동차 회사는 2022년 칩 부족 문제가 개선될 것이라고 지적했지만 OEM은 구매를 늘리고 서로에게 게임적인 사고방식을 갖고 있으며, 성숙한 자동차용 칩 생산 능력의 공급과 더불어 기업은 여전히 생산 능력을 확대하는 단계에 있으며, 현재 글로벌 시장은 여전히 코어 부족으로 심각한 영향을 받고 있습니다.
동시에 자동차 산업이 전기화, 지능화로 빠르게 전환됨에 따라 칩 공급 산업 사슬도 극적인 변화를 겪게 될 것입니다.
1. 코어 부족으로 인한 MCU의 고통
2020년 말부터 시작된 코어 부족 사태를 돌이켜보면, 이번 사태가 자동차용 칩 수요와 공급 불균형의 주요 원인임은 의심할 여지가 없습니다. 글로벌 MCU(마이크로컨트롤러) 칩의 적용 구조를 대략적으로 분석해 보면 2019년부터 2020년까지 자동차 전장 애플리케이션의 MCU 점유율이 다운스트림 애플리케이션 시장의 33%를 차지할 것으로 예상되지만, 원격 온라인 사무실과 비교했을 때 업스트림 칩 설계자들은 코로나19 팬데믹으로 인한 봉쇄 조치와 같은 문제로 심각한 타격을 입었습니다.
노동 집약적 산업에 속하는 칩 제조 공장들은 2020년에 심각한 인력 부족과 자본 회전율 저하로 어려움을 겪을 것입니다. 상위 단계의 칩 설계가 자동차 회사의 요구에 맞춰 변경된 후, 생산 일정을 완벽하게 맞추지 못해 칩을 최대 용량으로 공급하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 자동차 공장의 경우, 차량 생산 능력 부족이라는 문제가 대두되고 있습니다.
작년 8월, 말레이시아 무아르에 있는 ST마이크로일렉트로닉스의 무아르 공장은 신종 코로나 팬데믹의 영향으로 일부 공장을 폐쇄해야 했고, 이로 인해 보쉬 ESP/IPB, VCU, TCU 및 기타 시스템에 필요한 칩 공급이 장기간 중단되는 상황에 놓이게 되었습니다.
또한, 2021년에는 지진이나 화재와 같은 자연재해로 인해 일부 제조업체들이 단기적으로 생산에 차질을 빚을 것으로 예상됩니다. 작년 2월 발생한 지진은 세계 주요 반도체 공급업체 중 하나인 일본 르네사스 일렉트로닉스에 심각한 피해를 입혔습니다.
자동차 회사가 차량용 칩에 대한 수요를 잘못 판단했고, 상류 제조 공장이 재료 비용을 보장하기 위해 차량용 칩의 생산 용량을 소비자용 칩으로 전환한 사실이 겹치면서 자동차용 칩과 주류 전자 제품에서 가장 많이 중복되는 MCU와 CIS(CMOS 이미지 센서)가 심각하게 부족해졌습니다.
기술적인 관점에서 볼 때, 기존 자동차용 반도체 소자는 최소 40여 종에 달하며, 사용되는 자전거의 수는 총 500~600대에 달합니다. 여기에는 주로 MCU, 전력 반도체(IGBT, MOSFET 등), 센서 및 다양한 아날로그 소자가 포함됩니다. 자율주행차에는 ADAS 보조 칩, CIS, AI 프로세서, 라이더, 밀리미터파 레이더, MEMS 등 다양한 제품이 사용될 예정입니다.
차량 수요 수치를 기준으로 볼 때, 이번 핵심 부품 부족 사태에서 가장 큰 영향을 받는 부분은 기존 차량에 70개 이상의 MCU 칩이 필요하다는 점입니다. 자동차용 MCU는 ESP(Electronic Stability Program System)와 ECU(차량 제어 칩의 주요 구성 요소)입니다. Great Wall은 작년부터 Haval H6의 판매 감소 원인을 여러 차례 거론하며, H6의 수개월간 심각한 판매 감소는 Bosch ESP 공급 부족 때문이라고 밝혔습니다. 이전에 인기가 많았던 Euler Black Cat과 White Cat 역시 ESP 공급 감소 및 칩 가격 상승 등의 문제로 올해 3월 생산을 일시 중단했습니다.
부끄럽게도, 자동차 칩 공장들은 2021년에 신규 웨이퍼 생산 라인을 구축 및 가동하고 있으며, 향후 생산 용량 증대 및 규모의 경제 달성을 위해 기존 생산 라인과 신규 12인치 생산 라인으로 자동차 칩 공정을 이전하려고 노력하고 있습니다. 그러나 반도체 장비의 납품 주기는 종종 반년 이상이며, 생산 라인 조정, 제품 검증, 생산 용량 개선 등에도 오랜 시간이 소요되어 신규 생산 용량은 2023~2024년에야 효과를 볼 가능성이 높습니다.
이러한 압박이 오랫동안 지속되었음에도 불구하고 자동차 회사들은 여전히 시장에 대해 낙관적인 입장을 유지하고 있다는 점은 주목할 만합니다. 그리고 새로운 칩 생산 능력은 현재 가장 큰 규모의 칩 생산 능력 위기를 향후 해결할 것으로 예상됩니다.
2. 전기정보의 새로운 전장
그러나 자동차 산업의 경우, 현재의 칩 위기를 해결하는 것은 현재 시장의 수급 불균형이라는 시급한 문제를 해결할 수 있을 뿐입니다. 전기 및 지능형 산업의 변화에 직면하여 자동차용 칩의 공급 압력은 앞으로 기하급수적으로 증가할 것입니다.
전기차 제품의 차량 통합 제어에 대한 수요 증가, FOTA 업그레이드 및 자율주행 시대 도래에 따라 신에너지차용 칩 수는 기존 연료차 시대의 500~600개에서 1,000~1,200개로 늘어났으며, 종(種) 수도 40종에서 150종으로 증가했습니다.
자동차 업계 전문가들은 앞으로 고급 스마트 전기 자동차 분야에서는 단일 차량용 칩 수가 몇 배로 늘어나 3,000개 이상으로 늘어날 것이며, 전체 차량의 재료 비용에서 자동차용 반도체가 차지하는 비중은 2019년 4%에서 2025년 12%로 증가할 것이며, 2030년에는 20%까지 늘어날 수 있다고 전망했습니다. 이는 전기 지능 시대에 맞춰 차량용 칩 수요가 늘어날 뿐만 아니라, 차량에 필요한 칩의 기술적 난이도와 원가가 급격하게 상승하고 있음을 반영하는 것이기도 합니다.
기존 OEM 업체들이 연료 차량용 칩의 70%가 40~45nm 공정이고 25%가 45nm 이상의 저사양 칩이었던 것과 달리, 시중에 출시된 주류 및 고급 전기차용 40~45nm 공정 칩의 비중은 25%로 감소했습니다. 45%에 불과한 반면, 45nm 이상의 공정 칩 비중은 5%에 불과합니다. 기술적인 관점에서 볼 때, 40nm 이하의 성숙한 고급 공정 칩과 더욱 발전된 10nm 및 7nm 공정 칩은 자동차 산업의 새로운 시대에서 의심할 여지 없이 새로운 경쟁 영역입니다.
후산캐피탈이 2019년에 발표한 조사 보고서에 따르면, 전체 차량에서 전력 반도체가 차지하는 비중은 내연기관 자동차 시대의 21%에서 55%로 급격히 증가한 반면, MCU 칩은 23%에서 11%로 감소했습니다.
그러나 다양한 제조업체가 공개한 칩 생산 능력 확대는 여전히 대부분 현재 엔진/섀시/차체 제어를 담당하는 기존 MCU 칩에 국한되어 있습니다.
전기 지능형 자동차의 경우, 자율주행 인식 및 융합을 담당하는 AI 칩, 전력 변환을 담당하는 IGBT(절연 게이트 이중 트랜지스터)와 같은 전력 모듈, 자율주행 레이더 모니터링용 센서 칩 등에 대한 수요가 크게 증가했습니다. 이는 향후 자동차 회사들이 직면하게 될 새로운 "핵심 기술 부족" 문제로 이어질 가능성이 높습니다.
하지만 새로운 단계에서 자동차 회사의 발목을 잡는 것은 외부 요인에 의한 생산 능력 문제가 아니라 기술적인 측면에서 제약을 받는 칩의 '넥 멈춤'일 수도 있다.
지능화로 인한 AI 칩 수요를 예로 들면, 자율주행 소프트웨어의 컴퓨팅 용량은 이미 두 자릿수 TOPS(초당 조 연산) 수준에 도달했으며, 기존 자동차용 MCU의 컴퓨팅 성능으로는 자율주행차의 컴퓨팅 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. GPU, FPGA, ASIC과 같은 AI 칩이 자동차 시장에 진출했습니다.
작년 상반기, 호라이즌은 3세대 차량용 제품인 저니 5 시리즈 칩의 공식 출시를 발표했습니다. 공식 데이터에 따르면, 저니 5 시리즈 칩은 96TOPS의 컴퓨팅 파워, 20W의 전력 소비, 4.8TOPS/W의 에너지 효율을 자랑합니다. 테슬라가 2019년 출시한 FSD(완전 자율주행 기능) 칩의 16nm 공정 기술과 비교했을 때, 72TOPS의 컴퓨팅 파워, 36W의 전력 소비, 2TOPS/W의 에너지 효율을 갖춘 단일 칩의 성능이 크게 향상되었습니다. 이러한 성과는 SAIC, BYD, Great Wall Motor, Chery, Ideal 등 여러 자동차 회사의 호감과 협력을 얻었습니다.
지능화에 힘입어 업계의 진화는 매우 빠르게 진행되었습니다. 테슬라의 FSD를 시작으로 AI 메인 제어 칩 개발은 마치 판도라의 상자를 여는 것과 같습니다. Journey 5 출시 직후, 엔비디아는 단일 칩인 Orin 칩을 빠르게 출시했습니다. 컴퓨팅 파워는 254TOPS로 향상되었습니다. 기술 보유 측면에서 엔비디아는 작년에 최대 1000TOPS의 단일 컴퓨팅 파워를 갖춘 Atlan SoC 칩을 공개하기도 했습니다. 현재 엔비디아는 자동차 메인 제어 칩 GPU 시장에서 확고한 독점적 지위를 차지하고 있으며, 연중 70%의 시장 점유율을 유지하고 있습니다.
모바일폰 거대 기업 화웨이가 자동차 산업에 진출하면서 자동차용 칩 산업에 경쟁이 격화되었지만, 외부 요인의 간섭 하에서 화웨이는 7nm 공정 SoC에 대한 풍부한 설계 경험을 가지고 있지만, 상위 칩 제조업체의 시장 진출을 도울 수는 없다는 것이 잘 알려져 있습니다.
연구 기관들은 AI 칩 자전거의 가치가 2019년 100달러에서 2025년 1,000달러 이상으로 빠르게 상승할 것으로 예상합니다. 동시에 국내 자동차 AI 칩 시장 규모도 2019년 9억 달러에서 2025년 9억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 시장 수요의 급속한 증가와 고규격 칩의 기술 독점은 자동차 기업의 미래 지능형 개발을 더욱 어렵게 만들 것입니다.
AI 칩 시장의 수요와 마찬가지로, 신에너지 자동차의 핵심 반도체 부품(칩, 절연 기판, 단자 등)인 IGBT는 원가율이 최대 8~10%에 달하며 자동차 산업의 미래 발전에 지대한 영향을 미칩니다. BYD, 스타 세미컨덕터, 실란 마이크로일렉트로닉스 등 국내 기업들이 국내 자동차 기업에 IGBT를 공급하기 시작했지만, 현재 이들 기업의 IGBT 생산 능력은 기업 규모에 따라 제한되어 있어 빠르게 성장하는 국내 신에너지 시장 성장을 감당하기 어렵습니다.
희소식은 SiC가 IGBT를 대체하는 다음 단계에 직면하여 중국 기업들이 크게 뒤처지지 않고 있다는 점입니다. IGBT R&D 역량을 기반으로 SiC 설계 및 생산 역량을 최대한 빨리 확대하는 것이 자동차 회사와 기술에 도움이 될 것으로 예상됩니다. 제조업체는 다음 단계의 경쟁에서 우위를 점할 수 있습니다.
3. 윈이반도체, 핵심 지능 제조
자동차 산업의 칩 부족 현상에 직면한 Yunyi는 자동차 산업 고객의 반도체 소재 공급 문제 해결에 전념하고 있습니다. Yunyi Semiconductor 부품에 대해 자세히 알아보고 문의하시려면 링크를 클릭하세요.https://www.yunyi-china.net/반도체/.
게시 시간: 2022년 3월 25일