반도체 칩은 무어의 법칙으로 잘 알려진 것처럼, 작게 만들수록 생산단가, 칩의 성능, 전력 모두가 좋아지는 마법같은 비즈니스이다. 포토리소그래피(포토공정)라는 기술을 써서 웨이퍼에 수백~수천개의 동일한 칩 설계도를 그려 놓는데, 작게 그릴수록 웨이퍼 한장에 그릴 수 있는 칩의 갯수가 많아져서 생산성이 극대화 된다. 네덜란드의 ASML 라는 회사는 전세계 유일하게 EUV 자외선을 이용한 포토공정 장비를 생산하고 있는데, 이전 세대 DUV 파장 193nm 대비 13.5nm 로 약 14배 작게 회로를 그릴 수 있어 이 장비를 몇 대 확보하느냐가 첨단 반도체 업계의 중요한 전략이 되고 있다.
머리카락보다 약 10,000배 쯤 얇은 13.5nm 의 폭으로 가로,세로를 정교하게 움직이려면, 결론적으로 웨이퍼 한 장을 만들기 위해 더 많은 전기를 사용해야 한다. ASML 에서 제공하는 보고서에 따르면 웨이퍼 한 장당 들어가는 전력량은 이전 세대 기술(DUV) 대비 23배 정도 더 많이 투입이 되어야 한다1.
비싸게 만들어도 비싸게 팔 수 있으면 문제가 되지 않는다. 전세계에서 가장 비싸고 대중적으로 잘 팔리는 칩은 아이폰에 들어가는 칩이다. 애플 제품 뿐만 아니라 인텔, 퀄컴, 엔비디아 등 내노라 하는 반도체 설계 업체들 모두가 nm 급의 칩을 생산하고 싶어하기 때문에, 전 세계 두 곳 밖에 없는 TSMC 와 삼성전자 와 같은 파운드리 업체에 적극적으로 문의를 하는 상황이다. 수요에 비해 공급이 부족하기 때문에 작년(22년)까진 1위 파운드리 업체인 대만의 TSMC 는 높은 마진을 가지고 판매할 수 있었다. 하지만, 앞으로 마주할 수 밖에 없는 에너지 효율 문제는 반도체 미세화를 위해서 EUV 사용을 과연 지속할 수 있는지 의문을 가지게 된다.
반도체 업계가 동아시아의 두 나라인 한국과 대만에서 발전하게 된 이유는 값싼 노동력과 정부 지원을 빼놓을 수 없다. 지원 중에는 전기를 저렴한 가격에 사용할 수 있다는 것도 포함된다. 22년 기준 한국과 대만은 kWh 당 약 0.1달러 수준이고, 일본은 0.2달러로 약 2배 정도 비싸다. 미국은 경제수준에 비해 저렴한 0.15달러 수준, 유럽 중 EUV 장비를 생산하는 네덜란드는 0.7달러로 7배 수준이다2. 단순 추정을 하면, 21년 기준 TSMC 는 약 18TWh 를 사용해서 약 2.4조 정도의 전기 요금 계산서를 받았을 것이다. 매출 68.26조 기준 3.5% 정도 지만, 판매관리비 7.29조 의 32.9% 를 차지한다3. 삼성전자(반도체 및 전 제품)는 그에 비해 약 7.67% 정도만 전기 요금으로 부담했을 뿐이다4. TSMC 는 22년 기준 약 80대의 EUV 장비를 보유하고 있으며, 연간 10TWh 의 전력량을 사용하는 것으로 추정된다5. 삼성전자가 계속해서 EUV 장비 확보에 투자한다면 TSMC 처럼 막다른 골목을 마주하게 될 것이다.
가까운 미래에는 상황이 나아질까? 대만과 한국의 전기 요금 인상에 대한 정부의 입장은 큰 차이가 없어 보인다. 국가 산업 경쟁력의 하나로 산업용 전기 요금 인상을 막고 싶어 하나, 대만전력과 한국전력 모두 11조, 32조 정도의 적자를 안고 있기 때문에 정치의 힘만으로 국제 에너지 가격의 상승 막을 수는 없을 것이다6. 한국전력은 적자 폭을 만회하기 위해서 23년 올해 kWh 당 51.6원을 올려야 된다는 입장이고, 1분기 13.1원의 상승은 이미 확정이 됐다7. 한국전력의 주장대로 전기 요금 인상을 하게 되면, 22년 전력량 추이대로 계산을 했을 때 삼성전자는 23년도 약 1조 정도 추가 전기요금을 부담해야 된다.
현재 TSMC 는 대만 본국이 아닌 미국의 애리조나와 일본의 구마모토현에 각각 생산기지를 만들고 있다. TSMC 의 경영자들은 장기적으로 RE100 을 위해서라도, 에너지 비용의 증가를 막기 위해서라도 생산 기지의 다변화를 꾀하고 있다. 인플레이션으로 인한 전세계적 반도체 수요 감소와 그로 인한 감산으로 운영 비용 절감이 그 어느 때보다 강하게 요구 되고 있다. 세계적인 탄소감축 기조와 더불어 에너지 비용 관리라는 또 하나의 렌즈로 반도체 업계를 바라 본다면 기업 활동을 더 잘 이해할 수 있으리라 본다.
출처
1. ASML, <2022 Annual Report>, https://www.asml.com/en/investors/annual-report/2022
2. GlobalPetrolPrices.com, https://www.globalpetrolprices.com/electricity_prices/
3. TSMC, <2021 Sustainability Report>, https://www.tsmc.com/english/aboutTSMC/dc_csr_report
4. 삼성전자, <2021 사업보고서>, https://www.samsung.com/sec/ir/reports-disclosures/public-disclosure/
5. <日耗电3万度 台积电计划关闭部分EUV光刻机：先进工艺过剩>, <<Fast Technology>>, 2022/09/01, https://news.mydrivers.com/1/856/856394.htm
6. <電價穩定基金將見底 今年電價難凍漲>, <<Liberty Times Net>>, 2023/02/02, https://ec.ltn.com.tw/article/paper/1564749
7. <기재부 '동결' vs 산업부 '인상'…2분기 전기요금 '진통>, <<뉴스핌>>, 2023/03/23, https://www.newspim.com/news/view/20230323000570
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