토. 8월 9th, 2025

K-반도체, 기로에 서다: AI 슈퍼 사이클과 지정학적 격랑 항해법 Executive Summary 대한민국 반도체 산업은 인공지능(AI) 슈퍼 사이클이 촉발한 전례 없는 메모리 시장의 호황에 힘입어 2025년 이후 괄목할 만한 성장이 예상된다. 그러나 그 이면에는 파운드리 사업의 존립을 위협하는 위기와 국가의 장기적 경쟁력을 뒤흔드는 지정학적 리스크가 공존하는, 극명한 양극화 현상이 심화되고 있다. 본 보고서는 2025년부터 2030년까지 한국 반도체 산업이 마주할 복합적인 현실을 심층적으로 분석한다. 보고서는 현재 상황을 ‘두 개의 반도체 이야기(A Tale of Two Semiconductors)’로 규정한다. 하나는 AI 시대의 핵심 부품으로 부상한 고대역폭 메모리(HBM) 시장을 석권하며 기술적 승리를 구가하는 이야기다. SK하이닉스는 이 분야에서 압도적인 리더십을 확보하며 D램 시장 전체의 판도를 바꾸고 있다. 다른 하나는 시스템 반도체와 파운드리 분야에서 벌어지는 고전의 이야기다. 특히 삼성전자의 파운드리 사업은 고질적인 수율 문제와 고객 이탈로 인해 시장 점유율이 급락하며 TSMC와의 격차가 걷잡을 수 없이 벌어지고 있다. 이러한 내부적 양극화는 외부 환경의 격변과 맞물려 더욱 증폭되고 있다. AI가 주도하는 구조적 시장 재편은 한국의 강점인 메모리 분야에 막대한 기회를 제공하는 동시에, 약점인 시스템 반도체 분야의 중요성을 더욱 부각시키며 불균형의 위험을 키우고 있다. 더욱이 미중 기술 패권 경쟁의 심화는 한국 반도체 산업을 ‘지정학적 덫’에 가두고 있다. 미국의 반도체 과학법(CHIPS Act)은 보조금이라는 달콤한 유혹과 함께 중국 내 생산 활동을 제약하는 ‘가드레일’ 조항을 내걸어, 중국에 막대한 투자를 단행한 한국 기업들을 진퇴양난의 딜레마에 빠뜨렸다. 결론적으로, 대한민국 반도체 산업은 단순히 기존의 성공 방정식을 이어가는 것만으로는 생존을 담보할 수 없는 중대한 변곡점에 서 있다. 메모리 분야의 단기적 성공에 안주할 경우, 시스템 반도체 생태계의 붕괴와 글로벌 공급망에서의 고립이라는 더 큰 위기에 직면할 수 있다. 본 보고서는 이러한 분석을 바탕으로, 취약한 산업 생태계(소재·부품·장비, 팹리스) 강화, 핵심 인재 확보를 위한 국가적 전략, 그리고 지정학적 리스크에 대응하기 위한 과감한 정책 전환을 포함하는 ‘K-반도체 2.0’으로의 전면적인 전략적 재편이 시급함을 역설한다. Part I: 2025-2030 글로벌 반도체 지형: AI가 재편한 현실 이 장에서는 거시 경제 및 산업 전반의 맥락을 설정하여, 대한민국 반도체 산업의 운명을 결정지을 근본적인 시장 동력을 분석한다. 1.1 새로운 시장 패러다임: AI 구조적 슈퍼 사이클 글로벌 반도체 시장은 단순한 경기 순환적 회복이 아닌, 구조적인 대전환을 겪고 있다. 2024년과 2025년은 연속적인 두 자릿수 성장이 전망되며, 이는 AI 기술의 폭발적인 성장이 촉발한 근본적인 수요 변화에 기인한다. 이러한 변화는 과거 PC나 스마트폰 보급에 따른 수요 증가와는 질적으로 다른, 영구적인 시장의 무게중심 이동을 의미한다. AI 관련 반도체 시장은 연평균 약 18%에서 21.6%에 달하는 성장률을 보일 것으로 예측되는데, 이는 비(非) AI 반도체 성장률의 5배에 달하는 수치다. 이 현상은 시장의 중심이 고성능 컴퓨팅(HPC), 데이터센터, 그리고 특정 목적에 최적화된 AI 가속기 등으로 영구적으로 이동하고 있음을 시사한다. 과거 생성형 AI에 대한 과도한 기대감과 투자가 횡행하던 시기를 지나, 이제는 기업들이 실질적인 비즈니스 가치를 창출하는 데 집중하면서 대규모 언어 모델(LLM)뿐만 아니라 특정 작업에 특화된 소규모 언어 모델(SLM)의 전략적 도입이 확산되고 있다. 이는 더욱 다양하고 전문화된 반도체에 대한 수요를 촉발하며, AI 슈퍼 사이클이 단기적 유행이 아닌 장기적이고 구조적인 흐름임을 명확히 보여준다. 1.2 부문별 시장 전망 (2025-2026) 각 시장 조사 기관의 전망치는 소폭의 차이를 보이지만, 전반적인 성장 추세에 대해서는 이견이 없다. 특히 한국의 주력 분야인 메모리 반도체가 전체 시장 성장을 견인하는 핵심 동력으로 작용할 것이라는 점은 공통된 분석이다. 전체 시장: 2025년 글로벌 반도체 시장은 전년 대비 11.2%에서 12.6% 성장하여 약 7,000억 달러 규모에 이를 것으로 예상되며, 2026년에는 8.5% 추가 성장하여 약 7,600억 달러에 달할 전망이다. 가트너는 2024년 18.1%, 2025년 12.6% 성장을, WSTS(세계반도체시장통계기구)는 2025년 11.2%, 2026년 8.5% 성장을 예측하는 등 긍정적 전망이 지배적이다. 메모리 (한국의 요새): 이 부문은 성장의 핵심 엔진이다. 2025년 성장률 전망은 13.4%에서 17%에 이르며 , WSTS는 2026년 성장률을 16.2%로 예측하며 전체 시장 성장률의 거의 두 배에 달할 것으로 보았다. WSTS는 명시적으로 “메모리 부문이 성장을 주도할 것”이라고 밝히며, 이러한 성장의 배경에는 전적으로 AI 기반의 HBM 수요가 자리하고 있음을 지적했다. 로직/시스템 IC (한국의 도전): 이 부문 역시 2025년 약 8%, 2026년 7.3%의 견조한 성장이 예상되지만, 메모리 부문의 폭발적인 성장세에는 미치지 못한다. 이는 한국의 강점과 약점 사이의 성과 격차가 더욱 벌어질 수 있음을 시사한다. 파운드리: 2025년 파운드리 시장은 전년 대비 20%라는 경이적인 성장률을 기록하며 1,640억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. 이는 막대한 위탁생산 수요가 발생하고 있음을 의미하며, 현재 한국이 이 기회를 제대로 포착하지 못하고 있다는 점에서 심각한 문제점을 드러낸다. 차량용 및 전력 반도체: 차량용 반도체 시장은 전기차(EV) 및 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 확산에 힘입어 2025년 1,000억 달러를 돌파하고, 2030년까지 연평균 7.29%의 꾸준한 성장을 이어갈 것이다. 전기차 및 모바일 기기 보급 확대로 전력 변환 및 제어에 사용되는 전력 반도체 시장 또한 지속적인 성장세를 보이고 있다. 이러한 시장 전망은 한국에게 명확한 메시지를 던진다. 메모리 시장의 구조적 호황은 분명한 기회이지만, 동시에 폭발적으로 성장하는 파운드리와 시스템 반도체 시장에서 소외되고 있다는 것은 국가 전체의 반도체 포트폴리오에 심각한 불균형을 초래하는 위험 신호다. 즉, 세계 시장은 두 개의 강력한 성장 엔진을 제공하고 있으나, 한국은 그중 하나에만 성공적으로 올라타고 있는 형국이다. 이는 단순한 기회비용의 문제를 넘어, 특정 분야에 대한 과도한 의존도를 심화시키는 전략적 실패로 귀결될 수 있다. 표 1: 글로벌 반도체 시장 전망 (2024-2026) 주: 각 기관의 발표 시점과 조사 기준에 따라 수치에 차이가 있을 수 있음. 성장률은 전년 대비 기준. 1.3 AI 반도체의 부상: 기회와 위협 AI 시대의 도래는 반도체 산업의 경쟁 구도를 근본적으로 바꾸고 있다. 특히 데이터센터용 GPU 시장은 엔비디아가 97.3%라는 사실상의 독점적 지위를 구축하며 강력한 생태계를 형성했다. 이는 HBM과 같은 메모리 공급업체들에게는 막대한 기회인 동시에, 특정 고객사에 대한 의존도가 극도로 높아지는 리스크를 동반한다. 한국은 이 새로운 판도에서 양면적인 위치에 놓여 있다. HBM 분야에서는 세계 시장을 선도하는 핵심 공급자이지만, 정작 AI 연산을 수행하는 프로세서 설계 분야에서는 경쟁력이 현저히 뒤처진다. 미국의 AI 반도체 기술 수준을 100으로 보았을 때, 한국의 기술력은 80 수준으로 평가되며 약 2.5년의 기술 격차가 존재하는 것으로 분석된다. 특허 출원 건수로는 세계 3위를 기록하고 있으나, 특허의 질적 수준이나 시장 영향력은 애플, 퀄컴 등 글로벌 기업에 비해 미흡하다는 지적이 나온다. 사피온(Sapeon), 리벨리온(Rebellions), 퓨리오사AI(FuriosaAI)와 같은 국내 팹리스 스타트업들이 데이터센터용 AI 칩 개발에 도전하고 있지만 , 이들이 글로벌 경쟁에서 의미 있는 성과를 내지 못할 경우, 한국은 AI 시대의 핵심 가치를 창출하는 ‘두뇌’ 없이 ‘근육'(메모리)만 제공하는 하위 파트너로 전락할 위험이 크다. Part II: 두 거인의 이야기: 국내 기업의 경쟁 역학 이 장에서는 글로벌 시장의 흐름이 국내 대표 기업인 SK하이닉스와 삼성전자에 어떻게 상반된 결과로 나타나고 있는지를 심층 분석한다. 한 기업은 HBM의 파도를 타고 정점에 올랐지만, 다른 한 기업은 파운드리 사업의 위기 속에서 표류하고 있다. 2.1 SK하이닉스: HBM의 물결을 타고 정상에 서다 2025년, 글로벌 D램 시장에는 역사적인 지각변동이 일어났다. SK하이닉스가 1분기 기준 36%의 점유율을 기록하며, 34%에 그친 삼성전자를 제치고 D램 시장의 새로운 왕좌에 올랐다. 이는 수십 년간 이어져 온 삼성전자의 독주 체제가 막을 내렸음을 의미하는 상징적인 사건으로, 그 배경에는 HBM 시장에서의 압도적인 지배력이 자리하고 있다. SK하이닉스는 전체 HBM 시장의 53%를 차지하는 확고한 1위 사업자다. 특히 AI 시장의 ‘절대 군주’인 엔비디아와의 긴밀한 파트너십을 통해 HBM3를 사실상 독점 공급했으며, 차세대 주력 제품인 HBM3E 역시 엔비디아의 플래그십 GPU ‘H100’과 ‘H200’에 주력 공급사로 선정되며 기술 리더십을 공고히 했다. 이러한 성공은 단순히 기술 개발 속도만의 문제가 아니었다. SK하이닉스는 HBM에 특화된 생산 라인을 운영하고, MR-RUF(Mass Reflow-Molded Underfill)와 같은 첨단 패키징 기술을 선제적으로 도입하여 높은 수율과 안정적인 공급 능력을 확보했다. 이는 특정 고객(엔비디아)의 요구사항에 완벽하게 부합하는 맞춤형 전략이었고, 이 과정에서 형성된 긴밀한 피드백 루프는 기술 개발을 가속화하고 경쟁사와의 격차를 벌리는 선순환 구조를 만들었다. 기술적 우위는 현재진행형이다. SK하이닉스는 세계 최초로 12단 적층 HBM3E 제품 개발에 성공했으며 , 차세대 HBM4 샘플 역시 경쟁사보다 먼저 엔비디아에 제공하며 차세대 시장 선점을 위한 유리한 고지를 점했다. 더 나아가 기존 D램의 미세화 한계를 극복하기 위해 셀 면적을 최소화하는 4F² VG(Vertical Gate) 플랫폼과 3D D램과 같은 혁신 기술 로드맵을 제시하며 미래를 준비하고 있다. 이러한 기술적, 전략적 성공은 곧바로 재무 성과로 이어져, 2025년 2분기에는 창사 이래 최대 실적을 기록할 것으로 전망된다. 2.2 삼성전자 파운드리의 위기: 다각적인 실패의 총체 SK하이닉스가 축포를 쏘아 올리는 동안, 삼성전자의 또 다른 축인 파운드리 사업부는 깊은 수렁에 빠져들고 있다. 한때 TSMC의 유일한 대항마로 여겨졌던 삼성 파운드리의 위상은 처참하게 무너졌다. 시장 점유율은 집계 이래 처음으로 10%선 아래로 추락했으며, 2025년 1분기에는 7.7%까지 급락했다. 반면, 같은 기간 TSMC의 점유율은 67.6%까지 치솟으며 격차는 ‘경쟁’이라는 단어가 무색할 정도로 벌어졌다. 이러한 붕괴의 근본 원인은 최첨단 공정에서의 고질적이고 해결되지 않은 수율 문제에서 찾을 수 있다. 삼성전자는 2022년, ‘세계 최초’라는 타이틀을 위해 TSMC보다 앞서 3나노 GAA(Gate-All-Around) 공정 양산을 발표했다. 그러나 이 성급한 기술 도입은 심각한 수율 저하라는 부메랑으로 돌아왔다. 일부 보도에 따르면 3나노 공정 수율은 40%를 밑돌고, 개발 중인 2나노 공정 수율 역시 TSMC의 절반 수준에 불과한 것으로 알려졌다. 낮은 수율은 곧 생산 비용의 급증과 공급의 불안정성을 의미하며, 이는 고객사에게 치명적인 리스크다. 결국, 수율 문제는 고객의 신뢰를 무너뜨렸고, 이는 핵심 고객들의 연쇄 이탈로 이어졌다. 구글은 차세대 ‘텐서’ 프로세서 생산을 TSMC로 이전했으며, 퀄컴 역시 주력 제품을 TSMC에 맡기는 등 주요 고객들이 삼성 파운드리를 외면했다. 이는 악순환의 시작이었다. 한 분석가의 지적처럼, 고객이 줄어들수록 양산 데이터가 부족해져 수율 문제의 원인을 진단하고 해결하기는 더욱 어려워진다. ‘세계 최초’라는 타이틀에 집착한 전략적 오판이 결국 고객과의 신뢰와 협력이라는 파운드리 사업의 근간을 허무는 자충수가 된 셈이다. 여기에 구조적인 문제도 위기를 심화시켰다. TSMC가 수십 년간 구축해 온 방대하고 신뢰도 높은 IP(설계자산) 및 소프트웨어 생태계와 비교할 때, 삼성의 생태계는 여전히 취약하다. 또한, 삼성전자는 자체적으로 엑시노스(Exynos) 칩을 설계하고 생산하는 종합반도체기업(IDM)이라는 점에서, 잠재적 경쟁 관계에 있는 팹리스 고객들이 자사의 핵심 설계도를 삼성에 맡기기를 꺼리는 근본적인 이해상충의 문제를 안고 있다. 2.3 HBM 추격전: 3파전으로 재편되는 시장 HBM 시장은 이제 SK하이닉스와 삼성전자의 양강 구도를 넘어, 마이크론이 가세한 3파전 양상으로 빠르게 재편되고 있다. 특히 차세대 AI 가속기의 표준이 될 HBM3E 시장에서의 경쟁은 더욱 치열하다. 현재 전장 (HBM3E): 현시점의 승자는 단연 SK하이닉스다. 엔비디아에 HBM3E를 안정적으로 공급하며 시장을 주도하고 있다. 놀라운 점은 후발주자로 여겨졌던 미국 마이크론의 약진이다. 마이크론은 예상을 깨고 SK하이닉스에 이어 엔비디아의 12단 HBM3E 제품 품질 인증을 통과하며, SK하이닉스의 독점 공급망에 균열을 냈다. 반면, 삼성전자는 이 경쟁에서 뒤처져 있다. 업계 최고 수준의 속도(9.8Gbps)와 용량을 발표했음에도 불구하고, 아직 엔비디아의 최종 품질 테스트를 통과하지 못해 공급사 명단에 이름을 올리지 못하고 있다. 기술적 접근법: 각 사는 저마다의 강점을 내세우고 있다. SK하이닉스는 앞서 언급한 바와 같이 엔비디아와의 긴밀한 협력을 통한 맞춤형 최적화와 첨단 패키징 기술이 핵심 경쟁력이다. 삼성전자는 더 높은 대역폭과 속도를 구현하는 데 초점을 맞추고 있으며, I-Cube, X-Cube와 같은 독자적인 고성능 패키징 기술을 개발하고 있다. 마이크론은 자체 공정 기술을 바탕으로 빠르게 기술 격차를 좁히며 한국의 양강 구도를 위협하는 강력한 경쟁자로 부상했다. 미래 전장 (HBM4): 경쟁의 축은 이미 2026-2027년 엔비디아의 ‘루빈(Rubin)’ 플랫폼에 탑재될 HBM4로 넘어가고 있다. 이 경쟁에서도 SK하이닉스와 마이크론이 한발 앞서 나가는 모양새다. 두 회사는 이미 엔비디아에 HBM4 샘플을 제공한 것으로 알려졌다. 뒤처진 삼성전자는 HBM4에서 전세를 뒤집기 위한 승부수를 던졌다. 경쟁사들이 차세대 1b D램 공정을 사용할 것으로 예상되는 가운데, 삼성은 한 단계를 건너뛰어 더욱 미세한 1c D램 공정을 HBM4에 적용할 계획이다. 이는 성공할 경우 단숨에 기술 격차를 역전시킬 수 있지만, 실패할 경우 리스크가 매우 큰 고위험-고수익 전략이다. 표 2: HBM 기술 및 시장 점유율 비교 (2025년 1분기 기준) 출처: Part III: 기술의 관문: 차세대 패권 경쟁 이 장에서는 무어의 법칙의 한계를 넘어서기 위한 핵심 기술 경쟁의 동향을 심층적으로 분석한다. 첨단 패키징, 2나노 공정, 그리고 차세대 메모리 기술은 미래 반도체 산업의 리더십을 결정할 가장 중요한 전장이다. 3.1 무어의 법칙을 넘어서: 첨단 패키징으로의 전략적 전환 반도체 회로의 선폭을 줄이는 전통적인 미세공정(scaling)이 물리적, 경제적 한계에 부딪히면서 , 칩의 성능을 향상시키기 위한 새로운 돌파구로 ‘첨단 패키징’ 기술이 부상했다. 이제 경쟁의 핵심은 단순히 얼마나 미세한 회로를 만드느냐가 아니라, 여러 개의 칩(chiplet)을 얼마나 효율적으로 연결하고 통합하느냐에 달려있다. 산업의 패러다임은 평면적인 2D 설계에서 2.5D 및 3D 아키텍처로 빠르게 전환되고 있다. 핵심 기술 동향: 2.5D 패키징: 이 기술은 실리콘, 유기 소재, 또는 유리로 만들어진 중간 기판(interposer) 위에 여러 칩렛을 나란히 배치하는 방식이다. 특히 실리콘 인터포저는 가장 미세한 배선을 구현할 수 있어 고성능 컴퓨팅에 필수적이지만, 비용이 높다는 단점이 있다. 최근 인텔이 유리 기판 기반 패키징을 선보이는 등, 유리가 열팽창계수 조절 용이성, 높은 치수 안정성 등의 장점을 바탕으로 유망한 대안으로 떠오르고 있다. 이 기술은 GPU와 HBM을 하나의 패키지 안에 통합하는 데 결정적인 역할을 한다. 3D 패키징 및 하이브리드 본딩: 여러 개의 칩을 수직으로 쌓아 올리는 이 기술은 반도체 패키징의 궁극적인 지향점이다. 특히 구리(Cu)와 구리를 직접 연결하는 ‘하이브리드 본딩(Hybrid Bonding)’ 기술은 기존의 범프(bump)를 사용하는 방식보다 훨씬 더 미세한 간격으로 칩을 연결할 수 있게 해준다. 이를 통해 데이터 이동 경로를 획기적으로 단축시켜 대역폭을 높이고 전력 효율을 개선할 수 있으며, 여러 단의 D램을 쌓아야 하는 차세대 HBM 개발에 필수적인 기술로 꼽힌다. 한국 기업들은 HBM D램을 수직으로 쌓는 기술에서는 세계 최고 수준의 경쟁력을 보유하고 있지만, 로직 칩과 메모리를 통합하는 이종 집적(heterogeneous integration) 패키징 분야에서는 TSMC의 CoWoS(Chip on Wafer on Substrate) 플랫폼이 여전히 상당한 우위를 점하고 있다. 반도체 리더십의 미래가 패키징 기술에 달려있다는 점에서 이는 한국의 중요한 과제 중 하나다. 3.2 2나노미터 프론티어: 삼성의 GAA에 건 운명의 승부수 3나노 이하의 초미세 공정 영역에서는 기존의 핀펫(FinFET) 트랜지스터 구조가 한계에 도달한다. 전류 누설을 효과적으로 제어하기 어려워지기 때문이다. 이에 대한 해답으로 등장한 것이 바로 ‘게이트 올 어라운드(GAA)’ 기술이다. GAA는 전류가 흐르는 채널의 4면을 모두 게이트가 감싸는 구조로, 핀펫(3면)보다 훨씬 정밀한 전류 제어가 가능해 전력 효율과 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 삼성의 도박과 실패: 삼성전자는 2022년, TSMC보다 먼저 3나노 공정에 GAA 기술을 도입하며 기술 선도를 선언했다. 그러나 이 ‘세계 최초’의 시도는 앞서 언급했듯 심각한 수율 문제로 이어지며 오히려 독이 되었다. 결국 삼성은 당초 2027년으로 계획했던 1.4나노 양산 계획을 2029년으로 연기하고, 모든 역량을 2025년 하반기 양산을 목표로 하는 2나노 GAA 공정의 안정화에 집중하는 ‘올인’ 전략으로 선회했다. 이는 3나노에서의 실패를 만회하기 위한 배수진이다. TSMC의 신중한 전략: 반면, TSMC는 3나노 공정에서 검증된 핀펫 기술을 유지하며 애플과 같은 핵심 고객사에게 높은 수율과 안정적인 공급을 보장하는 실리적인 전략을 택했다. TSMC는 삼성과 마찬가지로 2025년 양산을 목표로 하는 2나노 공정에서 처음으로 GAA 기술을 도입할 계획이다. 운명의 대결: 2나노 공정은 파운드리 시장의 미래 패권을 결정지을 중대한 분수령이다. 3나노의 실패로부터 값비싼 교훈을 얻은 삼성은 2나노 GAA 공정의 수율을 TSMC와 동등한 수준까지 끌어올리기 위해 사활을 걸고 있다. 최근 보도에 따르면 삼성의 2나노 수율은 55~60% 수준까지 올라왔으며, 연말까지 TSMC의 시험생산 수율(약 60%)과 비슷한 70%를 목표로 하고 있다. 만약 삼성이 높은 수율과 성능을 갖춘 2나노 GAA 공정을 성공적으로 선보인다면, TSMC로 떠나갔던 고객들을 되찾고 파운드리 사업을 극적으로 반전시킬 기회를 잡을 수 있다. 하지만 여기서도 실패한다면, 삼성 파운드리는 ‘만년 2등’이라는 꼬리표를 떼기 어려울 것이며, 2030년 시스템 반도체 1위라는 비전은 사실상 폐기 수순을 밟게 될 것이다. 3.3 메모리의 미래: HBM4와 그 너머 HBM 기술 경쟁은 이미 HBM4와 그 이후의 시대를 향하고 있다. 미래 메모리 기술은 단순히 용량과 속도를 높이는 것을 넘어, 연산 기능과의 융합을 통해 데이터 처리의 근본적인 병목 현상을 해결하는 방향으로 진화하고 있다. HBM4 로드맵: 2026~2027년 상용화가 예상되는 HBM4는 데이터가 오가는 통로(인터페이스)를 2048비트로 두 배 확장하고, 하이브리드 본딩과 같은 차세대 패키징 기술을 필수적으로 요구하게 될 것이다. 특히 로직 다이(HBM 컨트롤러가 위치한 최하단 칩)와 메모리 다이를 함께 패키징하는 ‘로직-메모리 융합’이 본격화되면서, 메모리 기술과 파운드리 기술의 경계가 허물어질 전망이다. 근접 메모리 컴퓨팅 (NMC, Near-Memory Computing): 프로세서와 메모리 간의 데이터 이동으로 발생하는 지연 시간과 전력 소모, 이른바 ‘메모리 월(Memory Wall)’ 문제를 해결하기 위해 연산 장치를 메모리에 최대한 가깝게 배치하려는 연구가 활발하다. KAIST 연구팀은 HBM 스택의 최상단에 프로세서 다이를 직접 쌓아 올리는 NMC 아키텍처를 제안했다. 시뮬레이션 결과, 이 구조는 특정 연산에서 기존 GPU 대비 최대 13%의 성능 향상과 상당한 전력 소모 절감 효과를 보였다. PIM과 CXL: 삼성전자는 메모리 반도체 내부에 직접 AI 연산 기능을 통합하는 ‘PIM(Processing-In-Memory)’ 기술을 선도하고 있다. HBM-PIM은 데이터 이동 없이 메모리 자체에서 일부 연산을 수행하여 시스템 전체의 효율을 극대화하는 혁신적인 기술이다. 이와 함께, 데이터센터에서 CPU, GPU, 메모리 등 다양한 자원을 보다 유연하고 효율적으로 연결하고 공유할 수 있게 해주는 차세대 인터페이스 ‘CXL(Compute Express Link)’ 역시 메모리 시장의 판도를 바꿀 핵심 기술로 주목받고 있다. 이러한 기술의 진화 방향은 명확한 시사점을 던진다. 미래 반도체 리더십은 단일 칩의 성능이 아닌, 여러 이종 칩을 얼마나 잘 통합하고 융합하는지에 따라 결정될 것이다. 이는 메모리, 로직, 파운드리, 패키징 등 전 분야에 걸쳐 높은 기술력을 보유한 기업(삼성이 파운드리를 회복할 경우)이나, 각 분야의 강자들이 긴밀한 동맹을 맺은 생태계(TSMC-SK하이닉스 연합)에 절대적으로 유리한 환경이다. 경쟁의 본질 자체가 바뀌고 있는 것이다. Part IV: 아킬레스건: K-반도체 생태계의 구조적 취약성 이 장에서는 대한민국 반도체 산업의 장기적인 안보와 성장 잠재력을 저해하는 근본적인 약점들을 비판적으로 평가한다. 화려한 제조 역량 뒤에 가려진 소재·부품·장비, 인력, 그리고 팹리스 생태계의 취약성은 반드시 해결해야 할 시급한 과제다. 4.1 소부장이라는 숙제: 계속되는 의존성 한국 반도체 산업의 구조는 ‘제조’에 극도로 편중된 기형적인 형태를 띠고 있다. 반도체 생산의 기반이 되는 소재(소재), 부품(부품), 장비(장비), 이른바 ‘소부장’ 분야의 경쟁력은 세계 최고 수준의 제조 역량에 한참 미치지 못하는 심각한 불균형 상태에 놓여 있다. 2019년 일본의 수출 규제 조치 이후, 정부와 기업은 소부장 국산화를 위해 막대한 투자를 단행했다. 고순도 불화수소 국산화와 같은 일부 가시적인 성과가 있었던 것은 사실이다. 그러나 5년이 지난 지금, 핵심 분야의 해외 의존도는 여전히 위험할 정도로 높다. 특히 반도체 장비의 국산화율은 20% 수준에 머물러 있으며 , 핵심 장비의 77.5%를 미국, 일본, 네덜란드 3개국으로부터의 수입에 의존하는 구조가 고착화되었다. 가장 심각한 문제는 첨단 공정의 심장이라 할 수 있는 극자외선(EUV) 노광 장비다. 네덜란드의 ASML이 전 세계에서 독점적으로 공급하는 이 장비 없이는 7나노 이하의 최첨단 반도체 생산이 불가능하다. 현재 파운드리 1위 기업인 대만의 TSMC는 약 150대의 EUV 장비를 보유한 반면, 삼성전자의 보유량은 그 3분의 1 수준인 50~60대에 불과하다. 이는 단순히 장비 구매력의 차이를 넘어, 첨단 공정 연구개발과 양산 능력에서 근본적인 격차를 야기하는 전략적 병목 현상이다. 이러한 의존성은 EUV 장비 자체에만 국한되지 않는다. EUV 공정에 필수적인 펠리클(마스크 보호막), 블랭크 마스크 등 핵심 소재 및 부품 분야에서도 에스앤에스텍, 에프에스티 등 국내 기업들이 수년간 개발에 매달리고 있지만 아직 본격적인 상용화에는 이르지 못하고 있다. 이는 한국의 기술 자립도가 얼마나 취약한지를 단적으로 보여주는 사례다. 4.2 인적 자본의 결손: 다가오는 위기 기술 패권 경쟁의 시대에 가장 중요한 자산은 ‘사람’이지만, 한국 반도체 산업은 심각하고 구조적인 인력난에 직면해 있다. 산업의 지속적인 성장을 고려할 때, 2031년까지 약 12만 7천 명의 인력이 부족할 것으로 전망된다. 특히 AI, 자율주행차 등 신산업의 부상으로 시스템 반도체 설계와 같은 고도의 R&D를 수행할 석·박사급 고급 인력에 대한 수요는 폭발적으로 증가하고 있다. 정부는 이러한 위기에 대응하기 위해 향후 10년간 15만 명의 반도체 인재를 양성하겠다는 야심 찬 계획을 발표했다. 대학 관련 학과 정원을 확대하고, 기업과 연계한 계약학과를 신설하며, 반도체 아카데미를 운영하는 등 다각적인 노력을 기울이고 있다. 그러나 이러한 양적 확대만으로는 문제의 근본을 해결할 수 없다. 정작 늘어난 학생들을 가르칠 역량 있는 교수진이 부족하며, 대학원생과 R&D 인력에 대한 처우가 해외 경쟁 기업에 비해 열악하여 핵심 인재들이 해외로 유출되거나 의대 등 타 분야로 이탈하는 현상이 심화되고 있다. 단순히 졸업생 수를 늘리는 것을 넘어, 최고의 인재들이 반도체 산업에 매력을 느끼고 평생을 바쳐 연구에 매진할 수 있는 환경을 조성하는 질적인 전환이 이루어지지 않는 한, 인력 부족은 한국 반도체의 미래를 갉아먹는 만성적인 질병으로 남을 것이다. 4.3 미완의 과제, 균형 잡힌 포트폴리오: 팹리스 사막 한국 반도체 생태계의 또 다른 구조적 결함은 ‘팹리스(Fabless)’ 분야의 부재다. 시스템 반도체 산업의 핵심이자 부가가치의 원천인 반도체 설계(Design) 분야가 극도로 취약한 것이다. 삼성전자와 SK하이닉스라는 거대한 종합반도체기업(IDM)이 생태계 전체를 지배하는 구조 속에서, 한국의 시스템 반도체 세계 시장 점유율은 3%라는 초라한 성적에 머물러 있다. 정부는 팹리스 산업 육성을 위해 중소 팹리스 기업들이 시제품을 제작할 수 있도록 지원하는 MPW(Multi-Project Wafer) 프로그램을 확대하고, 설계 전문 기업인 디자인하우스를 육성하는 등 다양한 정책을 추진해왔다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 국내 팹리스 기업들은 퀄컴, 애플, 엔비디아와 같은 글로벌 공룡들과의 경쟁에서 좀처럼 활로를 찾지 못하고 있다. 규모의 경제, 최고 수준의 인재 확보, 그리고 브랜드 파워에서 절대적인 열세에 놓여 있기 때문이다. 설상가상으로, 이들이 의존해야 할 국내 파운드리(삼성전자)마저 최첨단 공정에서 신뢰를 잃으면서, 국내 팹리스 기업들은 최고의 기술을 안정적으로 공급받을 통로마저 확보하기 어려운 이중고를 겪고 있다. 결국, 인재 부족과 팹리스 산업의 취약성은 서로가 서로의 발목을 잡는 부정적인 피드백 루프를 형성한다. 세계적인 팹리스 기업이 없으니 최고의 설계 인재들이 성장할 토양이 없고, 최고의 인재가 없으니 세계적인 팹리스 기업이 탄생하기 어려운 악순환이 반복되고 있는 것이다. Part V: 지정학적 체스판: 분절된 세계에서의 항해 이 장에서는 대한민국 반도체 산업의 경쟁 규칙을 근본적으로 재편하고 있는 외부 정책 및 지정학적 압력을 분석한다. 미중 기술 패권 경쟁은 한국에게 더 이상 남의 이야기가 아닌, 생존과 직결된 현실이 되었다. 5.1 미국 반도체 과학법의 딜레마: 황금빛 새장 미국이 자국 내 반도체 공급망을 재건하기 위해 제정한 ‘반도체 과학법(CHIPS and Science Act)’은 한국 기업들에게 달콤한 유혹인 동시에 벗어날 수 없는 ‘황금빛 새장’으로 작용하고 있다. 매력적인 제안: 이 법안은 미국 내에 반도체 생산 시설(팹)을 건설하는 기업에게 삼성전자가 받게 될 64억 달러 규모의 직접 보조금을 포함한 막대한 재정 지원과 25%의 투자세액공제 혜택을 제공한다. ‘가드레일’이라는 족쇄: 그러나 이 보조금을 받는 대가는 혹독하다. 수혜 기업은 향후 10년간 중국과 같은 ‘우려 국가’에서 첨단 반도체(18나노 이하 D램, 128단 이상 낸드, 16나노 이하 로직) 생산 능력을 5% 이상 확장할 수 없다는 ‘가드레일(Guardrail)’ 조항을 따라야 한다. 실존적 위협: 이 조항은 전체 낸드플래시의 약 40%, D램의 약 40%를 중국에서 생산하고 있는 삼성전자와 SK하이닉스에게는 치명타다. 가드레일 조항은 사실상 이들 기업이 가장 비용 효율적으로 운영해 온 중국 공장의 기술 업그레이드와 증설을 동결시켜, 장기적인 원가 경쟁력에 심각한 타격을 입힌다. 이는 단순한 제약을 넘어, 수십조 원에 달하는 기존 투자를 좌초시킬 수 있는 실존적 위협이다. 추가적인 의무: 보조금 수령의 대가는 여기서 그치지 않는다. 수혜 기업은 예상치를 초과하는 이익이 발생할 경우 그 일부를 미국 정부와 공유해야 하며, 공장 근로자들을 위한 보육 지원 계획을 상세히 제출하고, 미국산 제품을 우선적으로 사용해야 하는 등 각종 부가적인 의무를 이행해야 한다. 결국 반도체 과학법은 단순한 인센티브 프로그램이 아니라, 한국 기업의 글로벌 생산 거점을 미국의 전략적 의도에 맞춰 고통스럽고 비용이 많이 드는 방식으로 재편하도록 강제하는 강력한 도구인 셈이다. 5.2 각국의 반도체 육성 전략 비교 글로벌 반도체 패권 경쟁이 심화되면서, 주요국들은 자국 산업을 보호하고 육성하기 위해 전례 없는 규모의 지원책을 쏟아내고 있다. 그러나 각국의 지원 방식과 강도에는 현저한 차이가 있으며, 이는 한국의 정책적 위치를 상대적으로 취약하게 만들고 있다. 대한민국 (K-칩스법 & K-반도체 벨트): 한국의 지원책은 대기업 기준 15%의 시설투자 세액공제를 핵심으로 하는 ‘K-칩스법’과, 622조 원 규모의 민간 투자를 기반으로 용인에 세계 최대 규모의 반도체 클러스터를 조성하는 ‘K-반도체 벨트’ 전략에 초점이 맞춰져 있다. 그러나 이 정책의 실효성에는 근본적인 한계가 존재한다. 한국경제연구원의 분석에 따르면, 한국의 높은 최저한세율(17%) 때문에 기업들은 세액공제 혜택을 온전히 누리지 못한다. 즉, 아무리 공제 혜택을 받아도 최소 17%의 세금은 내야 하므로, K-칩스법의 투자 유인 효과가 상당 부분 상쇄되는 구조적 문제를 안고 있다. 미국 (반도체 과학법): 540억 달러 규모의 직접 보조금과 세액공제를 결합하여, 국가 안보를 명분으로 자국 내에 반도체 생산 시설을 유치하고 공급망 전체를 재편하는 데 집중하고 있다. 유럽연합 (EU 반도체법): 2030년까지 역내 반도체 시장 점유율을 20%로 두 배 늘린다는 목표 아래, 430억 유로 규모의 민관 투자를 통해 R&D, 설계 역량 강화, 그리고 ‘세계 최초(first-of-a-kind)’ 첨단 시설 유치에 주력하고 있다. 대만: ‘호국신산(護國神山)’으로 불리는 TSMC를 지원하기 위해 사실상의 ‘국가 총력 지원’ 체제를 가동하고 있다. 중앙정부와 지방정부가 직접 나서서 공장 부지 확보를 위한 주민 설득 작업을 진행하고, 타이중시 전체 전력의 38%를 TSMC가 사용할 수 있도록 하는 특별 조례를 통과시키는 등, 기업이 필요로 하는 모든 인프라를 최우선으로 제공한다. 이처럼 경쟁국들이 직접 보조금 지급과 국가 차원의 총력 지원이라는 강력한 카드를 사용하는 반면, 한국은 최저한세라는 제약이 있는 세금 감면에 의존하고 있다. 이는 글로벌 보조금 전쟁에서 한국 기업들이 상대적으로 불리한 조건에서 싸우고 있음을 의미한다. 표 3: 주요국 반도체 산업 지원 정책 비교 분석 출처: 5.3 진화하는 중국의 역할: 제약된 시장, 집요한 경쟁자 미국의 강력한 제재는 중국의 반도체 굴기에 심각한 타격을 입혔다. 특히 EUV 장비에 대한 접근이 원천 차단되면서, 중국의 최첨단 공정 기술은 사실상 7나노미터 수준에서 정체된 상태다. 그럼에도 불구하고 중국의 저력은 무시할 수 없다. 중국 최대 파운드리 업체인 SMIC는 구형 심자외선(DUV) 노광 장비와 복잡한 멀티 패터닝 기술을 동원하여 화웨이를 위한 7나노 칩을 생산하는 데 성공했다. 물론 이 칩은 TSMC나 삼성전자의 최신 칩에 비해 여러 세대 뒤처져 있으며, 낮은 수율과 성능 문제에 시달릴 것으로 추정된다. 하지만 이는 미국의 봉쇄 속에서도 어떻게든 기술 자립을 이루려는 중국의 집요한 의지와 놀라운 회복탄력성을 보여주는 사례다. 한국에게 중국은 이중적인 리스크를 안겨준다. 한편으로는 미국의 제재로 인해 자유로운 사업 활동이 제약받는 거대한 시장이자 핵심 생산 기지이며 , 다른 한편으로는 막대한 국가 보조금을 등에 업고 기술 자급자족을 추구하며 중장기적으로 한국을 위협할 잠재적 경쟁자다. 특히 범용 반도체 시장에서 중국의 추격은 이미 현실화되고 있으며, 이는 한국 반도체 산업의 수익성 악화로 이어질 수 있다. Part VI: 전략적 전망 및 ‘K-반도체 2.0’을 위한 제언 이 장에서는 앞서 분석한 내용을 종합하여 한국 반도체 산업의 미래를 전망하고, 현재의 위기를 극복하고 지속 가능한 성장을 이루기 위한 구체적이고 실행 가능한 전략을 제언한다. 6.1 종합 SWOT 분석 강점 (Strengths): HBM을 중심으로 한 세계 최고 수준의 메모리 반도체 기술력. 삼성전자, SK하이닉스 등 대규모 양산 및 제조 운영에 탁월한 역량을 갖춘 IDM 보유. 대규모 투자를 감당할 수 있는 글로벌 기업의 존재. 약점 (Weaknesses): 시스템 반도체, 특히 파운드리와 팹리스 분야의 극심한 경쟁력 취약. 핵심 소재·부품·장비(소부장)의 높은 해외 의존도. 구조적이고 만성적인 고급 R&D 인력 부족. 메모리에 편중된 불균형한 산업 포트폴리오. 기회 (Opportunities): AI 슈퍼 사이클이 촉발한 전례 없는 규모의 메모리 시장 성장. HBM 리더십을 바탕으로 PIM, CXL, NMC 등 차세대 융합 메모리 시장 선점 가능성. 용인 반도체 메가 클러스터 조성을 통한 국내 생태계 강화에 대한 정부의 강력한 의지. 위협 (Threats): 미국과 중국 사이의 지정학적 경쟁 심화에 따른 ‘고래 싸움에 새우 등 터지는’ 상황. 미국, 대만, EU 등 경쟁국들의 강력한 자국 산업 육성 정책 및 보조금 경쟁. 경쟁사들의 기술적 추격 (마이크론의 HBM 약진, TSMC의 파운드리 독주). 중국의 장기적인 반도체 자급자족 정책 및 범용 제품 시장 잠식. 6.2 2030 시나리오 시나리오 1: “메모리 패권, 로직 종속” (기본 시나리오): SK하이닉스가 HBM 시장의 리더십을 유지하고, 한국의 메모리 산업은 AI 특수를 누리며 번영한다. 그러나 삼성전자의 파운드리 사업은 TSMC와의 격차를 좁히지 못하고 만년 2위에 머무른다. 결국 한국은 세계 최고의 메모리 공급국이라는 지위를 유지하지만, 시스템 반도체 생태계는 정체되고 글로벌 기술 표준과 플랫폼에서는 해외 기업에 종속되는 ‘반쪽짜리 강국’으로 남는다. 시나리오 2: “위대한 역전” (긍정적 시나리오): 삼성전자의 2나노 GAA 공정 전략이 극적으로 성공한다. 높은 수율과 성능을 조기에 확보하여 TSMC의 대안으로 부상하고, 퀄컴, 엔비디아 등 떠나갔던 핵심 고객들을 다시 유치하는 데 성공한다. 이는 국내 팹리스 생태계에 활력을 불어넣고, 소부장 국산화와 인재 유입의 선순환을 촉발한다. 한국은 메모리와 시스템 반도체 양 날개를 모두 갖춘 균형 있고 회복탄력성 높은 진정한 반도체 강국으로 도약한다. 시나리오 3: “공동화” (부정적 시나리오): 미국의 가드레일 조항이 한국 기업의 중국 공장 경쟁력을 결정적으로 약화시킨다. 삼성의 2나노 GAA 전략은 또다시 수율 문제에 발목이 잡혀 실패로 돌아간다. 이 틈을 타 마이크론이 HBM 시장에서 한국의 점유율을 잠식하고, TSMC와 부활한 인텔이 파운드리 시장을 양분한다. 소부장과 인력 부족 문제는 더욱 심화되어, 한국 반도체 산업의 리더십은 점진적으로 침식되고 글로벌 공급망에서 그 위상이 축소된다. 6.3 ‘K-반도체 2.0’을 위한 실행 제언 현재의 위기를 극복하고 ‘위대한 역전’ 시나리오를 현실로 만들기 위해서는 기업과 정부 모두 기존의 관성을 깨는 과감한 혁신과 전략적 결단이 필요하다. 기업 리더를 위한 제언 (삼성전자 & SK하이닉스): 삼성전자: 파운드리의 위기를 단순한 기술 문제가 아닌 ‘전략적 실패’로 인정하고, 사업부에 진정한 독립성과 권한을 부여해야 한다. IDM의 일부가 아닌, 고객의 성공을 최우선으로 하는 ‘고객 중심 문화’를 확립해야 한다. ‘세계 최초’라는 타이틀에 대한 집착을 버리고, ‘세계 최고의 수율과 신뢰성’을 제공하는 데 모든 역량을 집중해야 한다. 2나노 공정의 성공은 기술 개발팀만의 과제가 아닌, 전사적인 명운이 걸린 프로젝트임을 인식하고 총력 대응해야 한다. SK하이닉스: 현재의 HBM 시장 지배력에 안주하지 말고, 이를 발판으로 NMC, PIM 등 차세대 융합 메모리 기술에 대한 선제적이고 공격적인 투자를 단행해야 한다. TSMC 등 글로벌 파트너와의 전략적 동맹을 더욱 강화하여, 수직 계열화를 추구하는 삼성이나 인텔에 대항할 수 있는 강력한 개방형 생태계를 구축해야 한다. 정부 정책 결정자를 위한 제언: K-칩스법의 전면 개편: 간접적인 세액공제를 넘어, 핵심 R&D 및 소부장 생태계 구축을 위한 ‘직접 보조금’ 제도를 과감히 도입해야 한다. 또한, 기업들이 정책의 혜택을 온전히 누릴 수 있도록 글로벌 스탠더드에 맞춰 최저한세 제도를 합리적으로 개혁하거나, 국가전략기술 투자에 대해서는 예외를 적용하는 방안을 검토해야 한다. ‘인재 전쟁’ 선포: 대학 정원 확대라는 양적 접근을 넘어, 질적 혁신에 집중해야 한다. 세계 최고 수준의 반도체 분야 석좌교수직을 신설하고, 국내외 최고 인재를 유치하기 위한 파격적인 연구 환경과 보상 체계를 마련해야 한다. 이는 단순한 교육 정책이 아닌, 국가 안보 차원의 ‘인재 확보 전쟁’으로 접근해야 한다. 전략적 기술 외교 강화: 미국과 적극적으로 협상하여, 반도체 과학법의 가드레일 조항이 한국의 기존 투자를 과도하게 제약하지 않도록 ‘기술 대 기술’ 원칙에 입각한 유연한 해석을 이끌어내야 한다. 동시에, 미국, 일본, EU 등 기술 동맹국들과 2나노 이후 차세대 기술 및 신소재 개발을 위한 공동 R&D 컨소시엄을 구성하여, 글로벌 기술 표준 경쟁에서 소외되지 않도록 해야 한다. 범용 반도체 분야에서는 중국과의 협력 관계도 실리적으로 관리하는 균형 잡힌 외교가 필요하다. 참고 자료

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