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DDOLKONG

2024년 미국 반도체 제조 산업 정보 본문

투자

2024년 미국 반도체 제조 산업 정보

DDOL KONG 2024. 12. 20. 03:15

미국의 반도체 제조 산업은 글로벌 기술 혁신의 핵심 분야
미국의 수출 규제와 현지 제조 중심 전략은 한국 기업에게 새로운 기회와 도전 과제 동시 제공


미국의 반도체 제조 관련 주요 이슈

반도체 산업은 고도의 지식이 요구되며 자본집약적인 첨단 기술 산업이다. 미국의 반도체 제조 산업은 글로벌 기술 혁신의 핵심 분야로, 미국 경제와 국가 안보에 중요한 역할을 하고 있다. 미국은 설계 및 연구개발(R&D)에서 세계적인 경쟁력을 보유하고 있으며, 특히 팹리스(fabless) 기업과 파운드리 기업 간의 협력 모델이 발전하면서 반도체 제조 생태계가 더욱 강력해지고 있다. 미국 정부는 반도체 산업의 자국 내 제조 역량 강화를 위해 대규모 투자를 단행하고 있는데, 특히 2022년 통과된 반도체 과학법(CHIPS and Science Act)는 2024년에도 지속적으로 산업에 자금을 지원하며 미국 내 반도체 제조 시설 건설 및 확장을 통해 중국 둥 해외 의존도를 낮추고 공급망 안정화를 목표로 한다.

미 백악관은 2024년 8월, 반도체 과학법 제정 이후 지난 2년 동안 반도체 제조와 혁신에서 이룬 주요 성과(FACT SHEET: Two Years after the CHIPS and Science Act)를 발표했다. 해당 발표에 따르면, 반도체 과학법에 근거한 자금 지원 덕분에 전 세계 최첨단 칩 공급량이 바이든 대통령 취임 당시 0%였던 데에 비해 2032년에는 약 30%에 이를 것으로 전망했다. 발표 내용에 따른 구체적인 주요 성과를 정리하면 아래와 같다.

<미국의 반도체 과학법 제정 이후 현재까지의 주요 성과>

주요 성과구체적 내용
반도체 제조 리쇼어링상무부는 반도체 과학법 인센티브 프로그램으로 15개 기업과 예비 계약을 체결, 390억 달러 중 300억 달러 이상 지원하며 첨단 패키징 시설, 노드 반도체 생산 확대 및 핵심 공급망 부품 확대 추진

재무부는 반도체 제조 및 반도체 제조 장비 생산 기업에 25%의 투자세액 공제 규정 마련에 집중하는 중
일자리 창출 및 인력 개발반도체 과학법 자금으로 약 11만 개의 일자리 창출, 2억5000만 달러를 지역 사회 인력 개발에 배정

뉴욕, 애리조나, 오하이오 등지에 인력 허브를 출범하고, 국가 반도체 기술 센터(NSTC)과 국립 과학 재단(NSF)은 관련 교육 및 연구 지원
지역 경제 및 혁신상무부는 12개 테크 허브에 5억400만 달러 지원해 반도체, 청정에너지, 바이오, AI 등 미래 경제를 선도하는 핵심 기술에 대한 역량을 강화하고, 재경쟁 시범 프로그램(Recompete Pilot Program)에 1억8400만 달러를 지원해 경제적으로 어려운 지역사회에 양질의 일자리를 제공

국립 과학 재단은 10개의 지역 혁신 엔진에 1억5000만 달러를 지원해 경제 활성화를 도모
국가 안보 및 국제 협력F-35 프로그램 등 핵심 기술에 반도체 과학법 자금을 활용하고, 국방부는 사물인터넷, 양자 기술 등 6개 핵심 분야의 생태계 구축을 위해 2억8000만 달러를 투자
국무부는 국제 기술 안전 및 혁신(ITSI) 기금을 통해 멕시코 등 파트너 국가의 반도체 역량을 지원하는 중
혁신 투자반도체 첨단 패키징에 대한 국내 역량을 구축하고 가속화하기 위해 첨단 패키징 제조 프로그램(NAPMP)에 30억 달러를 투자

상무부는 디지털 트윈의 개발, 검증, 사용에 중점을 둔 최초의 제조 미국 연구소(Manufacturing USA Institute)에 자금을 지원

 
이 중에서 NSTC와 NAPMP 이 두 프로그램이 미국 반도체 제조 관련 R&D 지원책 운영의 핵심 축이 될 전망이며, 특히 반도체 첨단 패키징 분야에 대한 R&D 프로젝트 지원이 주목을 받고 있다. 이와 관련해 2024년 세미콘웨스트에서 로리 로카시오 미 상무부 표준기술 차관은 첨단 패키징 분야에 지급되는 보조금은 첨단 장비와 도구 공정, 전력 공급 및 열 관리, 광자 기술(Photonics) 및 커넥터, 칩렛 생태계, 공동 설계(Co-design) 및 EDA 등 5가지 R&D 분야에 활용될 것이라고 밝히기도 했다.

한편, 반도체 제조 분야에서 미국이 중국을 견제하는 기조는 2024년에도 지속되고 있다. 미국 상무부 산업안보국은 2024년 12월 2일, 중국의 군사 현대화를 방해하고 반도체 생태계 발전을 억제하기 위해 새로운 수출 통제 규정을 발표했다. 이에 따르면, ▲ 첨단 노드 칩 생산에 필수적인 24종의 반도체 제조 장비 및 3종의 소프트웨어 도구, ▲ AI 훈련 및 고급 컴퓨팅에 사용되는 고대역폭 메모리(HBM), ▲ 전자 설계 자동화(ECAD) 및 기술 설계 자동화(TCAD) 소프트웨어를 포함한 기술에 대한 대중 수출이 통제된다. 이 외에도 상무부는 중국의 군사 목표를 지원하는 반도체 제조사와 투자 회사 등 140개 기업을 엔터티 리스트에 추가하고 미국산 집적 회로가 포함된 외국산 품목에 대한 관할권을 확장했다.

최신 기술 동향

2024년은 AI의 시대였다고 해도 과언이 아니다. AI의 역할이 산업 전반으로 확장됨에 따라 인공신경망 처리에 최적화된 AI 반도체 기술이 가파르게 발전하고 있다. AI 반도체 기술은 아래에 프로세서 분야, 메모리 분야로 구분해서 살펴본다.

① 프로세서 분야

프로세서 분야는 AI GPU, NPU, 뉴로모픽 반도체가 대표하고 있으며, AI GPU 분야는 미국의 엔비디아가 기술을 선도하고 있다. 엔비디아는 기존에 제한적이었던 GPU의 기능에 AI 기술에 특화된 신기술을 개발하며 독보적인 AI GPU 기술을 구축했다. 엔비디아의 AI GPU는 다음과 같은 주요 기술로 구성돼 있다.

<엔비디아 AI GPU 주요 기술 내용>

주요 기술내용
CUDA Core엔비디아 GPU의 기본 연산 단위로, 병렬 처리가 가능해 복잡한 계산과 데이터 처리 작업을 빠르게 수행
Tensor CoreAI 연산에 특화된 코어로 행렬 곱셈과 같은 수학적 연산을 빠르게 처리해 AI 모델의 학습과 추론 속도를 향상
NVLink여러 GPU 간에 고속 데이터 전송을 가능하게 하는 기술로, 대규모 AI 연산에서 데이터 병목 현상을 줄이고 처리 속도를 높임
CUDA-X AI엔비디아가 제공하는 다양한 라이브러리와 SDK를 통합한 것으로 AI 연산을 위한 최적화된 프레임워크 및 도구를 제공
MIG하나의 GPU를 여러 독립적인 가상 GPU로 분할해 여러 작업을 동시에 독립적으로 수행

 
AI GPU는 다양한 AI 서비스 구현이 가능하지만 소비전력이 높고 특히 추론 작업 시 소모 전력 대비 성능 구현의 비효율성이 큰 것으로 알려져 있다. 따라서 이를 대체할 수 있는 NPU 등의 가속기가 대안으로 부상하고 있으나 아직은 기술 성숙도가 AI GPU가 NPU보다 높고 범용성이 높기 때문에 연구, 자율 주행, 로봇 공학, 건강 관리 등 다양한 분야에서 계속 활용될 것으로 전망된다.

한편, NPU는 미국에서도 아직 경쟁우위가 없는 분야다. 구글과 마이크로소프트는 자사 AI 모델에 최적화된 NPU를 개발하고 있고, 인텔, 퀄컴, 애플 등은 엣지 디바이스용 NPU를 개발하고 있다. 뉴로모픽 반도체는 인텔과 IBM 등 일부 기업과 학계를 중심으로 연구가 진행되고 있지만 상용화까지는 시간이 걸릴 것으로 전망되고 있다.

② 메모리 분야

AI 연산에서 메모리 병목 현상(Memory Bottleneck) 해결이 주요 과제로 떠오르며 메모리 기술이 AI 반도체의 핵심 요소로 부상하고 있다. 메모리 병목 현상이란 쉽게 말해 프로세서와 메모리 간 데이터 전달 속도가 맞지 않아 컴퓨터가 제 속도를 내지 못하는 현상이다. 이를 해결하기 위해 HBM(고대역폭 메모리)과 PIM(메모리 안에서 연산 수행) 같은 새로운 메모리 기술이 주목받고 있다.

미국은 HBM 제조에서 큰 비중을 차지하지 않지만 수요의 중심지이다. HBM의 경우 대부분 한국과 대만에서 제조되고 있으며, 엔비디아, AMD, 인텔 등 AI 반도체와 고성능 컴퓨팅(HPC)를 개발하는 미국의 기업들은 모두 HBM과 같은 고성능 메모리 반도체를 필요로 한다. 특히 엔비디아는 HBM의 최대 소비자로 AI GPU 생산에 필수적인 HBM을 한국과 미국의 기업들로부터 조달받고 있다. 마이크론(Micron)은 미국 내 유일한 HBM 제조사로 기술력과 생산량 확대를 통해 한국 기업과의 격차를 좁히는 데 집중하고 있으며, 엔비디아의 AI GPU(H200)에 HBM3E를 공급하면서 미국의 AI 반도체 시장에 본격적으로 진입하고 있다. 내년부터 트럼프 정부가 들어서면서 추이를 지켜봐야 하겠지만 현재로서는 반도체 과학법(CHIPS and Science Act)을 통해 마이크론이 추가적인 지원을 받을 가능성도 있다.

PIM 기술은 간단히 설명하면 데이터를 처리하는 'CPU' 혹은 'GPU(뇌)'와 데이터를 저장하는 '메모리'를 한곳에 합치는 새로운 방식의 컴퓨터 기술을 의미한다. 현재 일반 컴퓨터는 데이터를 처리하려면 메모리에서 데이터를 꺼내 '뇌'로 보내야 하는데, 이 과정에서 시간이 오래 걸리고 에너지도 소모되기 때문이다. 미국에서는 AMD, 인텔, 마이크론 등이 PIM 기술을 개발하고 있다.

한편, AI 및 딥러닝에 효과적으로 사용할 수 있게 만드는 첨단 패키징 분야 기술도 부상하고 있다. 그 이유는 반도체 트랜지스터 크기가 1.8㎚까지 극도로 작아졌으나 실제 처리 능력은 비례해서 증가하지 않기 때문에 소형화가 아닌 패키징 기술이 반도체 기술 진보의 새로운 돌파구로 여겨지고 있기 때문이다. 첨단 패키징은 칩을 금속·유리·플라스틱 등의 재료로 포장해 외부의 물리력이나 열로부터 보호하며, 칩 간 연결성을 증대시키는 역할을 한다. 첨단 패키징은 반도체 자체의 퍼포먼스를 향상시킬 뿐만 아니라 전력 소비나 비용을 절감할 수 있다는 부가적인 장점도 있어 패키징 기술 발전이 반도체 전반의 기술 진보를 견인하고 있다.

주요 기업 현황

글로벌 반도체 제조 산업은 여전히 한국, 대만 등 동아시아가 주도하고 있지만 AI 반도체의 잠재력과 반도체 과학법 이니셔티브에 힘입어 미국 내 반도체 제조 산업이 활기를 띠고 있다.

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)는 텍사스에 본사를 둔 미국 기업으로 2024년 8월 기준으로 직원 수는 약 3만3000명으로 추산되며, 2024년 매출액 168억 달러를 기록했다. 시장조사기관 IBIS World에 따르면, 텍사스 인스트루먼트는 미국 내 반도체 및 회로 산업 분야에서 상당한 시장 점유율을 보유하고 있으며, 제조업은 전체 산업 수익의 약 7.7%를 차지하고 있다. 2024년 텍사스 인스트루먼트는 텍사스주 셔먼과 유타주 리하이에 새로운 반도체 제조시설 3곳을 건설하기 위해 바이든 행정부로부터 16억 달러를 지원받았다.

인텔은 2024년 9월 16일 반도체 과학법에 따라 보안 엔클레이브(Secure Enclave) 프로그램을 통해 최대 30억 달러의 직접 자금을 지원받을 예정이라고 발표했다. 보안 엔클레이브 프로그램은 미국 정부가 필요로 하는 최첨단 반도체를 생산하는 것을 골자로 하고 있는데, 구체적인 내용이 공개된 것은 아니지만 업계에서는 인텔이 미 국방부와의 협력을 통해 보안 기능이 강화된 반도체 칩을 생산할 것으로 전망하고 있다.

마이크론테크놀로지는 2024년 12월 10일, 반도체 과학법에 따라 바이든 정부로부터 61억6500만 달러의 보조금을 지원받기로 확정됐다. 이를 통해 마이크론은 뉴욕주와 아이다호주에 새로운 반도체 제조 시설을 건설할 예정이며, 이를 통해 약 2만 개의 일자리 창출 효과도 기대하고 있다. 이와 관련해 미 상무부는 마이크론에 대한 투자로 2035년까지 미국이 첨단 메모리 칩 제조 시장에서 차지하는 비중이 현재 2% 미만에서 약 10%로 늘어날 것이라고 밝혔다. 로이터 통신에 따르면, 마이크론은 버지니아주 마나사스에 위치한 DRAM 메모리 칩 생산 시설의 확장 및 현대화를 위해 최대 2억7500만 달러의 추가 지원을 받을 예정이다. 여기에서는 주로 자동차, 네트워킹, 산업용 반도체 칩이 생산될 것으로 알려졌다.

생산 및 내수시장 동향

글로벌 시장조사업체 IBIS World의 2024년 8월 미국의 반도체 및 회로 제조 보고서에 의하면, 미국의 반도체 및 회로 제조 산업의 매출은 총 676억 달러 규모로 2019~2024년 동안 연평균 1.7% 비율로 증가했다. 제품 및 서비스 부문에서는 각각 반도체 제품 및 부품(마이크로프로세서 포함) 51.9%, 집적회로 25.2%, 메모리 11.8%, 트랜지스터 4.8%, 다이오드 및 정류기(Rectifiers) 2.1%, 기타 집적회로 4.2%의 매출을 차지하고 있다.

<제품 및 서비스 부문 미국의 반도체 및 회로 제조 산업의 매출 구조>
(단위: %)


주요 시장 부문으로 살펴보면, 통신 장비 부문 29.2%, 산업 및 정부 부문 20.0%, 소비자 가전 부문 17.6%, 자동차 부문 17.5%, PC/컴퓨터 부문 15.7%의 매출을 차지하고 있다. 통신 장비의 경우 성능과 효율성을 동시에 추구하는 소비자 수요가 지속되고 있고, ARM 아키텍처 기반 반도체 기술 도입이 증가하면서 해당 부문의 매출은 견고히 유지될 것으로 전망된다. 자동차 및 소비자 전자제품의 경우 자율주행차와 전기차에서 반도체 사용량이 급증하고 있고, 저가 소비자 제품에서도 반도체 수요가 꾸준한 것으로 나타나고 있다. IBIS는 향후 5년간 업계가 연평균 1.9% 규모로 성장할 것이며, 2029년에는 744억 달러의 매출액에 달할 것으로 예측했다.

<주요 시장 부문 미국의 반도체 및 회로 제조 산업의 매출 구조>
(단위: %)


수출입 동향

(수출동향) IBIS World의 보고서에 의하면, 2024년 미국의 반도체 및 회로 부문 수출은 269억 달러(2024년 8월 기준 전망치)로 2019~2024년 연평균 5.9%로 감소했다. 이와 관련해 전문가들은 2022년 10월 바이든 행정부가 국가 안보를 우려로 중국과 중국 기업에 대한 첨단 반도체 칩과 관련 기술의 수출 및 정보 공유를 금지한 사안이 수출에 영향을 미친 것으로 분석하고 있다.

(수입동향) IBIS World의 보고서에 의하면, 2024년 미국의 반도체 및 회로 부문 수입은 489억 달러(2024년 8월 기준 전망치)로 2019~ 2024년 연평균 0.1%로 감소했다. 주요 수입국 현황을 보면 시스템 반도체의 경우 2023년 기준으로 말레이시아로부터의 수입이 32.9%로 가장 많았으며, 대만, 이스라엘, 아일랜드가 뒤를 이었다. 메모리 반도체의 경우 2023년 기준으로 대만으로부터의 수입이 35.9%로 가장 많았으며 말레이시아, 대한민국, 싱가포르가 뒤를 이었다.

<미국의 시스템 반도체 주요 수입국 현황 (HS code 8542.31 기준)>
(단위: US$ 백만, %)

순위
 
구분수입규모점유율증감률
('23/'22)
202120222023202120222023
-총계27,34424,32720,140100100100-17.2
1말레이시아16,79010,7136,63161.444.032.9-38.1
2대만1,4712,6442,7585.410.913.74.3
3이스라엘52911211,9591.94.69.774.8
4아일랜드1,4172,0741,6695.28.58.3-19.5
5베트남2,6842,2361,6549.89.28.2-26.0
6코스타리카1088041,0910.43.35.435.7
7중국1,4021,4329725.15.94.8-32.1
8대한민국6367518742.33.14.316.4
9일본4904855131.82.02.55.8
10태국3804834801.42.02.4-0.6

 
<미국의 메모리 반도체 주요 수입국 현황 (HS code 8542.32 기준)>
(단위: US$ 백만, %)

순위
 
구분수입규모점유율증감률
('23/'22)
202120222023202120222023
-총계2,1952,7562,022100100100-26.6
1대만1,0921,20672549.743.835.9-39.9
2말레이시아803405143.612.325.451.2
3대한민국53554823624.419.911.7-56.9
4싱가포르1091221235.04.46.10.8
5일본731131173.34.15.83.5
6중국921441064.25.25.2-26.4
7태국119155865.45.64.3-44.5
8필리핀4864442.22.32.2-31.3
9프랑스1420270.60.71.335.0
10캐나다1518220.70.71.122.2

 
대한민국은 시스템 반도체의 경우 2023년 기준 8위 수입대상국으로 대한민국에서 미국으로 수출된 시스템 반도체는 약 8억7400만 달러 규모를 기록했고 지난해 대비 점유율은 16.4% 증가했다, 메모리 반도체의 경우 2023년 기준 3위 수입대상국으로 대한민국에서 미국으로 수출된 메모리 반도체는 약 2억3600만 달러 규모를 기록했으며 지난해 대비 점유율은 56.9% 감소했다.

SWOT 분석

강점(Strengths)약점(Weaknesses)
- 반도체 과학법과 같은 정부의 재정 지원과 정책적 인센티브로 국내 생산이 촉진되는 중
- 미국 내 제조 시설 설립 시 전략적 파트너십 구축 및 시장 점유율 확대 가능
-한국은 AI 및 고성능 데이터센터용 메모리 반도체에서 기술 우위 확보, 미국 시장의 핵심 요구사항을 만족시킬 가능성이 높음
- 동아시아에서 주로 제조 시설을 운영해 왔기 때문에 미국 내 생산 환경에 대한 경험이 제한적이고, 현지 법률, 규제, 노동 문제에 대한 대응력이 부족할 가능성 있음
- 미국 내 공장 설립 및 운영에 필요한 막대한 초기 투자비용과 첨단 장비 확보는 부담 요인으로 작용
기회(Opportunities)위협(Threats)
- 반도체 과학법 및 다른 연방/주 단위 인센티브를 활용해 초기 투자 부담을 완화하고 현지화 촉진 가능
- 미국 정부의 중국 반도체 의존도 축소 정책은 한국 기업에 새로운 기회를 제공
- 미국 내 생산 기반을 구축하면 동아시아 의존도를 줄이고, 미국 및 기타 서구 시장에서의 경쟁력 강화 가능
- 미국 현지 업체들의 강력한 시장 지배력으로 인해 경쟁이 심화될 가능성이 있으며, 미국 정부의 정책이 자국 기업에 더 유리하게 작용할 가능성 존재
- 미중 갈등이 반도체 시장의 불확실성을 증대시키며, 기술 및 공급망 교란 위험이 있음
- 미국 내 엄격한 환경 규제가 반도체 생산 공정에 추가적인 비용 부담을 가중시킬 가능성 존재

 
시사점

미국의 반도체 제조 산업은 글로벌 반도체 가치사슬의 중심으로 한국의 반도체, 반도체 제조장비 및 소재 기업에 다양한 기회와 도전 과제를 제공한다. 특히 미국의 반도체 과학법과 같은 정책적 지원과 AI, 자율주행, 데이터센터 등의 성장세는 한국 기업에 전략적 진출의 기반을 마련해주고 있다. 특히 AI, 데이터센터발 고성능 반도체 수요 증가로 미국에서는 장비 설비 투자가 꾸준히 이뤄질 것으로 보이는 바, 한국의 관련 기업들은 미국 현지의 수요 트렌드에 맞춰 제품 라인업을 강화하고, 기술 협력 및 합작 투자를 통해 현지화된 접근 방식을 모색하는 것은 물론, 궁극적으로는 미국 내 생산 거점을 설립해 글로벌 공급망의 안정성을 확보하는 것도 고려해 볼 수 있다.

한편, 미국의 수출 규제와 현지 제조 중심 전략은 한국 기업에 새로운 기회를 제공하는 동시에 도전 과제를 제기한다. 미국 현지 기업과의 경쟁이 심화될 가능성이 높고 규제 때문에 기업의 시장 접근성이 제한될 수 있기 때문이다. 따라서 한국 기업은 미국 시장에 진출하는 과정에서 미국의 정책 및 규제 환경에 대해 사전에 철저히 분석하고 대비해야 한다. 더불어, 반도체 제조 공정에서 환경적 지속 가능성(ESG)에 대한 요구는 여전히 중요한 이슈다. 반도체 제조 기업 A 사의 엔지니어 M 씨는 KOTRA 실리콘밸리 무역관과의 인터뷰에서 "미국 반도체 제조사는 환경 규제를 준수하면서도 생산성을 유지할 수 있는 에너지 효율적 장비를 선호하기 때문에 ESG를 고려한 친환경 장비 및 공정 기술을 보유한 기업에 많은 기회가 있을 것으로 생각한다. 미국의 환경 규제에 대응하는 기술 인증 및 표준화 추진도 고려해 볼 수 있다"라고 조언했다.

결론적으로 볼 때, 미국 반도체 제조 산업은 반도체 과학법과 같은 정부 지원 정책, AI 및 데이터센터 중심의 시장 성장, 안정적인 반도체 설비 투자 환경을 통해 한국 반도체, 장비 및 소재 기업에 매력적인 기회를 제공한다. 하지만 글로벌 시장의 불확실성과 경쟁 심화, 미국의 규제 및 정책 변화는 신중한 접근이 필요함을 시사한다. 이에 따라 한국 기업은 기술혁신, 현지화 전략, 공급망 리스크 관리를 바탕으로 미국 시장에서 장기적인 성장을 도모해야 한다. 동시에 ESG 요구를 반영한 기술 개발을 통해 미국 내 반도체 제조사들과의 협력 관계를 강화하고, 차별화된 경쟁력을 확보해야 할 것이다.



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