(408) 844-7100 자동차 IC 부족 현상이 지속되고 있습니다.
반도체 공학
2021년 5월 20일
현재의 차량용 반도체 부족 현상은 조만간 끝나지 않을 것입니다.
2020년 초 코로나19 팬데믹이 전 세계 공급망에 큰 타격을 입혔을 때, 특히 자동차 제조업체들은 큰 타격을 입었습니다. 약 8주간의 공장 가동 중단 기간 동안 칩 주문을 취소한 자동차 OEM 업체들은 나중에 중요한 IC의 공급이 증발한 것을 알게 되었습니다.
오스틴에 있는 칩 제조업체의 팹을 폐쇄한 텍사스의 대규모 겨울 얼음 폭풍, 일본 나카에 있는 르네사스 일렉트로닉스의 웨이퍼 팹에서 발생한 대형 화재, 대만에서 계속되는 가뭄 등 여러 다른 사건으로 인해 팬데믹이 더욱 악화되었습니다. 이러한 모든 사건으로 인해 자동차 IC 재고가 심각하게 감소했습니다.
차량용 칩의 출시 시점에 대한 예측은 다양합니다. 가장 낙관적인 전망은 올해 말, 아마도 3분기 또는 내년 초에 공급 부족이 완화될 것이라는 것입니다. 그러나 업계 분석가들에 따르면 TMSC, 인텔 등에서 더 많은 칩 파운드리 용량이 가동될 것으로 예상되는 2022년 또는 2023년까지도 자동차 IC 부족 현상이 지속될 가능성이 높습니다.
주요 자동차 OEM의 자동차 IC 주문이 크게 감소하면서 길고 복잡한 반도체 공급망에서 주문이 막바지로 몰리고 전 세계 거의 모든 자동차 제조업체에서 압연 공장 가동이 중단되는 등 이미 해당 산업에 막대한 비용이 발생하고 있습니다. 칩 경색은 제너럴 모터스, 포드, 스텔란티스(구 피아트 크라이슬러)의 디트로이트 3사부터 대부분의 주요 유럽, 일본, 한국 자동차 제조업체에 이르기까지 거의 모든 자동차 제조업체에 영향을 미쳤습니다.
거의 모든 주요 자동차 제조업체가 주기적인 공장 가동 중단 또는 감속을 발표했으며, 일부는 극단적인 조치를 취하기도 했습니다. 가장 큰 타격을 입은 Ford는 회사의 인기 차량이자 가장 수익성이 높은 차량인 F-150 픽업트럭을 만드는 데 필요한 칩이 없어 판매에 차질을 빚었고, 나중에 IC가 도착할 때까지 트럭을 주차장에 주차해 두었다가 다시 가동하는 방법을 택해야 했습니다. 포드는 앞서 반도체 공급 부족이 2021년 상반기까지 이어질 경우 포드의 이자 및 세금 차감 전 조정 수익에 10억 달러에서 25억 달러 사이의 영향을 미칠 것이라고 발표한 바 있습니다. 포드는 4월 28일 2021년 1분기 실적 발표에서 362억 달러의 매출에 33억 달러의 순이익을 기록했으며, 글로벌 반도체 부족과 원자재 비용 상승으로 인해 전년 대비 25억 달러의 비용 증가에 직면했다고 언급했습니다. 또한 포드는 1분기에 약 20만 대, 즉 생산량의 17%를 잃었으며 2022년까지 반도체 부족이 완전히 해결되지 않을 것으로 예상한다고 말했습니다.
공급 부족의 원인은 무엇일까요?
자동차 업계의 칩 문제는 주로 공장이 완전히 폐쇄된 약 8주간의 팬데믹 기간 동안 OEM이 IC 주문을 줄인 데서 그 원인을 찾을 수 있습니다. 갑자기 재택근무가 시작되면서 PC, 노트북, 태블릿, 라우터 및 기타 네트워킹 장비를 포함한 모든 유형의 전자 기기에 사용되는 칩에 대한 수요가 예상치 못하게 폭발적으로 증가하면서 전자 부문의 모든 곳에서 수요가 폭발적으로 증가했습니다. 이로 인해 이전에는 자동차 부문을 대상으로 하던 일부 시장이 잠식되었습니다.
"공급/수요 불균형 문제를 해결하기 위한 과제를 가장 잘 이해하려면 한 걸음 물러나서 스마트폰이 처음 나온 이후 15년 동안 어떻게 여기까지 왔는지 살펴보는 것이 중요합니다."라고 글로벌파운드리의 자동차 사업부 부사장 겸 총괄 매니저인 카말 쿠리(Kamal Khouri)는 말합니다. "초소형 컴퓨팅 중심 칩이 한 길을 걸었고, 터치스크린, 사각지대 감지, 통신 및 스마트 결제와 같은 장치의 사용자 경험을 개선하는 풍부한 기능을 갖춘 칩이 다른 길을 걸었습니다. R&D와 투자는 소형 칩에 집중되었고, 기능이 풍부한 칩은 조용히 기술 및 경제 성장의 원동력이 되었습니다."
오늘날의 전례 없는 반도체 수요는 디지털 전환의 가속화, 재택근무/재택학습의 급증, 5G 슈퍼 사이클의 시작, 글로벌 무역 영향 등이 복합적으로 작용한 결과입니다. 코로나19 팬데믹 초기에는 자동차 판매가 약화되었고, 그 영향은 공급망을 통해 연쇄적으로 퍼져나갔습니다.
"동시에 다른 고객들, 주로 노트북, 태블릿, 와이파이, 스트리밍 공급망에 속한 고객들은 전 세계적으로 재택근무와 재택학습으로 전환되면서 수요가 급증했습니다."라고 Khouri는 말합니다. "몇 달 후, 예기치 않게 자동차 산업이 반등하고 수요가 증가했습니다. 자동차 제조업체들이 공급망에 다시 참여하려고 시도했을 때 이미 다른 고객들이 한정된 반도체 생산 능력의 대부분을 확보하고 있었습니다."
팬데믹 이전에는 칩 부족 현상이 없었습니다. 실제로 DRAM 시장의 가격 약세로 인해 반도체 판매량은 소폭 감소했습니다. "2019년에는 실제로 칩 부족이 없었습니다. 전체 반도체 산업은 오히려 7% 감소했습니다."라고 세미코 리서치의 사장인 짐 펠드한은 말합니다. "일종의 조정의 해였습니다. 물론 자동차에도 메모리가 사용됩니다. 서버와 같은 다른 산업만큼 광범위하지는 않지만 엄청난 가격 상승이 있었습니다. 2019년에는 약간의 경기 둔화가 있었고 조정의 해였기 때문에 메모리 가격이 실제로 하락했지만 단가는 하락했습니다."
팬데믹이 닥치자 자동차 회사들은 생산량을 줄였습니다. "자동차 회사들은 몇 주 동안 문을 닫았고 GDP는 30% 정도 감소했습니다."라고 펠드한은 말합니다. "상황이 매우 암울해 보였고 자동차 산업에서 많은 위축이 있었습니다. 그냥 앉아서 할부금을 갚아야 하는 자동차가 엄청나게 많았죠. 자동차 시장이 얼마나 강세를 보일지 전혀 예상하지 못했죠."
한편, 팬데믹으로 모든 것이 중단된 동안 재택근무를 하는 사용자들은 노트북, 태블릿, 대형 모니터, 더 빠른 데스크톱, 공유기 등 다양한 전자기기를 구입하여 집에서 더 효율적으로 일하고 있었습니다. "수년 동안 우리는 사람들이 비즈니스 측면을 포함하여 PC를 업데이트하고 업그레이드하는 속도가 느리다고 말해왔습니다."라고 Feldhan은 말합니다. "하지만 팬데믹이 원인이 될 것이라고는 아무도 생각하지 못했습니다."
2019년과 2020년에 자동차 시장, 특히 Tesla와 몇몇 다른 자동차 제조업체의 전기차에 대한 공급 부족이 있었다고 펠드한은 말했습니다. "Tesla는 실리콘 카바이드 MOSFET의 최초 채택자였는데, 공급이 부족했습니다."라고 그는 말했습니다. "두 개의 제조업체(테슬라와 도요타)가 있었고, 그들은 대부분의 실리콘 카바이드를 소비했습니다. 사실 Toyota는 탄화물이 훨씬 더 효율적이기 때문에 표준 실리콘 MOSFET 대신 탄화규소 MOSFET을 검토하고 있었지만 공급 부족을 우려했습니다. 그리고 공급 부족에 대한 우려 때문에 플러그인 및 하이브리드 차량에 이 기술을 사용하지 않기로 결정했습니다. 팬데믹이 발생하면 전자제품 구매에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 잘못 계산했거나 깨닫지 못했기 때문에 모든 자동차 회사들이 구매를 줄인 것입니다. '원할 때 켜면 되겠지'라는 생각이었을 겁니다. 하지만 많은 용량이 다른 일에 휩쓸려 버렸죠."
예를 들어,DRAM은 다양한 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다. 하지만 차량용 칩은 특수 공정과 더 넓은 온도 범위가 필요하며, 현장에서 고장 나면 비용이 많이 듭니다. 자동차 OEM은 극한의 조건에서 극도로 낮은 결함률로 긴 수명을 기대합니다.
무엇이 부족하고 누가 무엇을 만드는가?
공급이 부족한 대부분의 차량용 IC는 마이크로컨트롤러 (MCU)로, 일반적으로 구형 200mm 및 300mm 팹의 보다 성숙한 공정 노드에서 생산됩니다. 대부분의 추정치에 따르면 자동차 IC 리드 타임은 26주, 또는 칩 제조에 사용되는 MCU의 유형과 반도체 공정 노드에 따라 훨씬 더 길어질 수도 있습니다.
2020년 4월부터 칩 부족 현상을 추적해 온 IHS Markit의 공급망 및 기술 팀은 최근 이 주제에 대한 백서( )를 발표했습니다. "이러한 제약의 원인은 OEM의 수요 증가와 반도체 공급 제한의 결과이기 때문에 두 가지 요인이 모두 해결될 때까지는 해결되지 않을 것입니다."라고 필 암스루드 IHS Markit ADAS, 반도체 및 부품 수석 수석 애널리스트는 설명합니다. "원인이 자연재해라면 공급망은 적절한 복구 계획으로 대응할 것이고, 이를 실행하는 데 몇 달 또는 몇 분기가 걸리겠지만 이미 계획은 존재합니다. 이는 공급과 수요의 균형을 맞추는 경우이며, 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)의 리드 타임이 26주 이상이기 때문에 적어도 올해 3분기까지는 공급망 제약이 지속될 가능성이 높습니다."
특히 문제가 되는 것은 차량에 들어가는 반도체 콘텐츠의 양이 증가하고 있다는 점입니다. 오늘날 거의 모든 신차에는 자동차 전자 장치가 탑재되어 있으며, 이는 가장 화려한 옵션이 장착되지 않은 모델도 마찬가지입니다. 이러한 추세는 지난 수십 년 동안 지속되어 왔지만, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)의 등장, 전기 및 하이브리드 차량에 대한 관심, 기존 차량의 연결 기능 증가로 인해 비교적 최근에 이르러서야 파운드리가 자동차를 최우선 순위로 삼게되었습니다.
자동차 산업에서 IC는 차체, 커넥티비티, 융합/안전, 인포테인먼트, 파워트레인 등 다섯 가지 영역 중 하나에 속합니다. 현재 공급 부족은 이 모든 영역에 영향을 미치고 있습니다.
"일부 사람들은 지금 우리가 겪고 있는 문제가 차량에 탑재된 새로운 반도체 애플리케이션의 결과라고 말합니다."라고 암스루드는 말합니다. "하지만 현재 제약을 받고 있는 것은 대부분 MCU이며, 이는 레거시 자동차의 많은 부분입니다. 엔진 제어, 변속기 제어, 스티어링, 에어백, 라디오 등입니다. 레이더, 전방 카메라 등 일부 ADAS와도 관련이 있습니다. 하지만 이런 문제가 발생하는 이유는 MCU가 말 그대로 자동차의 모든 곳에 있기 때문입니다. 자동차를 주문하고 최신 기능 몇 개만 떼어내서 가져올 수 있는 게 아닙니다. 아니요, 자동차가 작동하려면 마이크로컨트롤러가 여러 개 들어가야 합니다. 따라서 ADAS 때문에 이런 일이 발생하는 것은 아닙니다. 자동차에 더 많은 전자 장치를 탑재하는 것이 추세입니다."
암스루드는 차량용 MCU는 주로 45nm 이상의 공정 노드에서 제작된다고 말합니다. "28nm 범위에서 몇 가지 예외가 있을 수 있지만 주로 45, 90, 100, 130nm 범위가 될 것입니다. 이러한 영역에서는 확장이 많이 이루어지지 않았다는 점에서 일종의 최악의 시나리오입니다."
이는 저렴한 중고 8인치 장비의 부족으로 인해 더욱 악화되고 있습니다. 이제 팹은 새로운 8인치 장비와 새로운 12인치 장비에 거의 동일한 투자를 해야 합니다. 암스루드는 "경제성을 고려할 때 12인치 장비를 도입하면 레거시 프로세스가 아닌 첨단 프로세스에 더 많이 사용하는 경향이 있습니다."라고 말합니다. "8인치 웨이퍼보다 12인치 웨이퍼에서 약 50% 더 많은 것을 얻을 수 있습니다."
현재 자동차 애플리케이션에 사용되는 오토모티브 IC가 너무 많기 때문에 부품 하나만 누락되어도 조립 라인이 사실상 중단될 수 있습니다. 암스루드는 "다이오드나 커패시터 또는 2단자 장치처럼 간단한 부품 하나 때문에 제조 라인이 중단되는 경우를 자동차 업계에서 이미 경험한 적이 있습니다."라고 말합니다. "항상 쉽게 대체할 수 있는 것은 아니며, 소프트웨어가 관련되지 않은 경우에는 더욱 그렇습니다. MCU의 경우 모든 반도체 공급업체가 거의 동일하게 영향을 받고 있습니다. 'A 공급업체에서는 MCU를 구할 수 없지만 B 공급업체에서는 구할 수 있다'고 말할 수 있다고 해도 문제는 두 공급업체 간에 소프트웨어가 호환되지 않는다는 것입니다. 1달러짜리 부품이든 1페니짜리 부품이든 일반 자동차에는 약 1,200개의 반도체가 들어가는 것으로 추정됩니다. 여기에는 다이오드부터 메모리 장치, 자동차에 들어가는 가장 강력한 SoC까지 모든 것이 포함됩니다. 따라서 모든 차량에는 1,200개의 기회가 존재하며, 이 중 하나가 없으면 자동차를 만들 수 없습니다."
아끼지 않는 자동차 OEM
이는 전 세계적인 공급 부족으로 이어졌습니다. 거의 모든 OEM이 어느 정도는 마찬가지입니다. "정말 전반적으로 그렇습니다. 한국에서도 일부 공장을 폐쇄했습니다."라고 세미코의 펠드한은 말합니다. "포드는 부분적으로 F-150을 생산하고 있습니다. 생산 라인을 멈추고 칩을 확보할 때까지 기다렸다가 다시 생산 라인에 투입하는 거죠. 포드에게 가장 수익성이 높은 차량은 F-150입니다. 하지만 엔진 컨트롤러는 F-150에 있든, V-8 엔진이 탑재된 다른 차량에 있든 동일한 엔진 컨트롤러일 것입니다."
제너럴 모터스는 생산량을 줄였습니다. 혼다와 닛산도 총 25만 대의 차량을 줄이겠다고 발표했습니다.
"폭스바겐은 특히 미국에서 컴퓨터 칩 경색으로 인해 운영에 차질을 빚고 있다고 말했고, 도요타는 생산 라인 교대 근무를 간헐적으로 줄일 것이라고 발표했습니다."라고 펠드한은 말했습니다. "그래서 아무도 고통을 피할 수 없는 것 같습니다."
글로벌파운드리의 쿠리는 단기적으로는 공급 부족이 어려울 것이라고 말했습니다. "중기적으로는 수요와 공급의 불일치를 해결하고 고객이 필요로 하는 칩을 공급할 수 있을 것입니다. 장기적으로는 매우 밝습니다. 자동차 제조업체들은 이런 일이 다시는 일어나지 않도록 할 것입니다. 우리는 이미 1차 자동차 공급업체와 새로운 직접 파트너십을 맺어 생산 능력을 확보하고 파운드리와 더욱 긴밀하고 전략적인 파트너십을 모색하고 있습니다."
전기자동차로의 전환과 인포테인먼트, 레이더, ADAS 등 향상된 기능으로 인해 자동차의 실리콘 함량이 계속 증가함에 따라 이 긴밀한 공급망의 중요성은 더욱 커질 것입니다. "컴퓨팅은 배터리를 관리하고 전기 모터, 브레이크, 조명 및 기타 중요한 시스템을 작동시키는 등 자동차의 핵심이 되었습니다."라고 Khouri는 말합니다. "창문을 올리고 내릴 수 있는 마이크로 컨트롤러부터 레이더와 ADAS를 비롯한 안전 기능, 정교한 엔진 기능에 이르기까지 오늘날 차량의 모든 구석에 칩이 탑재되어 있습니다. 이제 자동차는 하나의 장치이며, 우리가 기대하는 기능들은 칩이 널리 퍼져 있지 않으면 존재할 수 없습니다."
긴 오토 리드 타임, 복잡한 인증
관련된 오토 IC에 따라 칩 리드 타임은 일부 부품의 경우 통상 16~18주에서 훨씬 더 길어지는 등 경제 위기 기간 동안 크게 늘어났습니다. 이는 부분적으로는 자재 가용성 때문이고, 부분적으로는 공급이 부족한 칩 제조 장비 때문이기도 합니다. 자동차 IC의 복잡한 공급망에는 일반적으로 칩 제조업체로부터 직접 주문하기보다는 자동차 전장 공급업체와 칩 유통업체를 통해 칩을 구매하는 경우가 많습니다.
"일반적으로 현재 전반적인 반도체 공급은 매우 타이트합니다. 어떻게든 수요를 충족할 수 없는 상황입니다."라고 대만의 자동차 애플리케이션용 특수 메모리 및 ADAS 시스템 제조업체인 Winbond Electronics의 미주 영업 담당 부사장인 I-Wen Huang은 말합니다. 팬데믹이 닥치기 전에는 반도체 장치를 제조하여 완제품으로 고객에게 배송하는 데 걸리는 일반적인 주기가 4개월이었다고 황 부사장은 말했습니다. 많은 부품의 경우 리드 타임이 5~6개월로 늘어났습니다.
황은 적어도 2021년 말이나 심지어 2022년까지 부족 현상이 지속될 것으로 보고 있습니다. "내년 수요가 얼마나 커질지에 따라 달라집니다."라고 그는 말합니다. "올해는 확실히 반도체 제조업체에 물어보면 '죄송하지만 올해 생산 능력은 이미 고객들이 모두 예약했습니다'라고 대답할 것입니다."
현재 지연은 부분적으로 기판 재료 부족 때문이라고 황은 말합니다. 윈본드는 웨이퍼를 만들지 않기 때문에 자동차 칩을 만들기 위한 기판 수급이 지연되고 있습니다. 리드 타임에 영향을 미치는 다른 요인으로는 반도체 장비 부족이 있습니다. 그러나 또 다른 주요 장애물은 자동차 IC의 품질 인증이 매우 까다롭다는 점과 자동차 및 트럭이 조립될 때만 부품을 납품하는 자동차 업계의 오랜 적시 납품(JIT) 비즈니스 모델입니다.
황은 자동차 산업은 매우 엄격하고 엄격한 프로세스를 사용하기 때문에 IC의 인증을 받는 데 오랜 시간이 걸린다고 말했습니다. "일반적으로 1년 이내에 차량용 디바이스의 인증을 받을 수 없습니다."라고 그는 말하며 자동차 전자장치에 대한 엄격한 통제가 안전을 보장한다고 지적했습니다. "자동차 고객이 제품을 주문하면 제조 과정에서 매우 엄격한 공정을 거쳐야 하기 때문에 자동차 고객에게 공급하려면 리드 타임이 더 길어지고 제조 과정에서 더 많은 품질 관리 프로세스를 적용합니다. 자동차 고객은 모든 세부 단계를 지정합니다. 대체 소재에 대한 검증을 거치지 않았기 때문에 대체재를 사용할 수 없습니다."
자동차 제조업체가 자동차 IC를 단일 소싱하면 한 자동차 애플리케이션용으로 설계된 칩을 다른 자동차 제조업체의 애플리케이션용으로 특별히 제조된 유사한 디바이스로 교체하는 것도 불가능합니다. "모든 자동차 제조업체는 고유한 설계와 고유한 사양을 가지고 있습니다. 예를 들어 르네사스 ADAS 디바이스는 인텔의 디바이스와 같지 않을 수 있습니다."라고 황은 말합니다. "따라서 모든 하드웨어와 소프트웨어가 맞춤화되어 있기 때문에 교체가 불가능합니다."
자동차 업계에서 OEM은 각 제조업체 내에서 공통 플랫폼 디자인을 사용하지만, 서로 다른 OEM 간에는 공통점이 없습니다. "예를 들어 Ford라는 자동차 제조업체는 여러 모델에 공통 플랫폼 디자인을 사용하지만 모두 Ford 자동차라고 할 수 있습니다."라고 Huang은 말합니다. "하지만 그들이 설계하고 개발한 플랫폼은 제너럴 모터스의 자동차에는 사용할 수 없습니다. 따라서 이 업계에는 공통점이 없습니다. 모든 것이 맞춤형이기 때문에 공급이 매우 복잡해집니다."
파운드리 용량 확장
올해 초 자동차 IC 경색이 위기 상황에 이르자 업계는 새로운 솔루션을 찾기 위해 분주하게 움직였습니다. 인텔은 파운드리 사업에 다시 진출할 계획을 발표했습니다. 한편 TSMC는 향후 3년간 총 1,000억 달러를 투자할 계획이라고 밝혔습니다. 그리고 4월 28일, UMC는 대만 타이난 사이언스 파크에 있는 300mm Fab 12A 6단계(P6)의용량 확장 계획( )을발표했습니다.
또한 미국 정부는 반도체 산업 지원을 늘릴 수 있습니다. 바이든 행정부는 4월 12일 많은 자동차 및 반도체 CEO가 참여한 가운데 열린 가상 글로벌 칩 서밋에서 새로운 산업 자금 지원을 승인하기 위해 의회의 지원을 구하겠다고 약속했습니다. 바이든 계획은 행정부가 제안한 인프라 계획의 일환으로 미국 반도체 산업을 복원하는 데 약 500억 달러를 투입할 예정이며, 궁극적으로 자금 지원에 대한 의회의 승인이 필요합니다.
하지만 자동차 IC 생산 능력의 회복은 예상보다 훨씬 더 오래 걸릴 수 있습니다. 현재 건설 중인 신규 팹은 거의 2년 동안은 온라인 상태가 되어 유효 수율을 생산하지 못할 가능성이 높지만, TSMC는 실제로 대만에 올해 온라인 상태가 되는 일부 팹을 보유하고 있다고 Semico의 연구 책임자인 Adrienne Downey는 지적했습니다.
펠드한은 "올해와 내년 초까지 인력 부족이 지속될 것으로 예상됩니다."라고 덧붙였습니다. "정확한 날짜를 말하기는 어렵지만 내년 중반까지 갈 수도 있습니다. 매년 공정과 수율이 조금씩 개선되어 더 많은 칩을 생산할 수 있는 것처럼 보이기 때문에 현재 팹이 올해 얼마나 잘 실행하느냐가 관건입니다. 하지만 공급 부족으로 인해 OEM이 시장에서 요구하는 만큼의 제품을 만들 수 없게 된다면 그 수요는 바뀔 것입니다. 그런 일이 더 많이 발생할수록 공급 부족이 더 오래 지속될 것입니다. 밀어붙여야 하는 상황이 오면 내년 4월까지 갈 것 같습니다."