2P by neo 2달전 | favorite | 댓글 1개

반도체 공장을 20억 달러에 짓는 방법

반도체 제조 공정의 어려움과 비용

  • 반도체 제조는 복잡한 공정과 엄격한 오차 허용 기준으로 인해 일반 제조업보다 훨씬 어려움
  • 현대 반도체의 트랜지스터 크기는 나노미터 수준으로, 일반 제조업보다 수십만 배 정밀함을 요구함
  • 먼지 한 톨이나 원자 몇 개의 위치 차이로 전체 칩이 망가질 수 있음
  • 불순물의 농도나 공정 속도의 미세한 차이도 허용되지 않음
  • 반도체 제조의 역사는 이런 미세한 효과들과 치명적 영향에 맞서 싸워온 과정
  • 반도체 소자가 작아질수록 문제는 더 어려워짐
  • 현대 반도체 공장은 엄청난 정밀도와 예측가능성의 세계를 만들어내야 함
  • 공정을 방해할 수 있는 모든 효과를 차단하고, 미세한 편차를 찾아 제거해야 함
  • 이를 매년 수십만 장의 웨이퍼, 수억 개의 칩(각각 수십억 개 트랜지스터)을 생산하는 대량 생산 환경에서 유지해야 함

반도체 공장(Fab)의 구조

  • 현대 반도체 공장은 보통 4개 층으로 구성됨
  • 핵심은 제조 공정이 이뤄지는 클린룸 층
  • 클린룸 아래에는 클린룸 작업을 지원하는 장비와 배관, 배선 등이 있는 서브팹 층(보통 2개)
  • 클린룸 위에는 공기를 여과해서 순환시키는 팬과 필터가 있는 공간
  • 클린룸에는 리소그래피, CVD, 이온 주입기 등의 개별 공정 장비(프로세스 툴)가 배치됨
  • 현대 로직 반도체 공장은 월 4~5만 장의 웨이퍼 생산을 위해 1000대 이상의 공정 장비 필요
  • 300mm 웨이퍼로 전환하면서 자동 운송 장비(AMHS) 사용 필수적으로 됨
  • 클린룸은 오염 최소화 설계. 반도체 공장은 Class 10/100 수준의 청정도 유지
  • 바닥의 HEPA/ULPA 필터를 통해 공기가 아래로 내려와 순환하는 구조
  • 외부 공기 유입을 막기 위해 클린룸을 양압으로 유지
  • 최신 공장은 FOUP으로 웨이퍼를 밀폐 이동하고, 공정 장비 자체를 밀폐하는 미니환경 전략 채택
  • 진동, 빛, 정전기, 전자기파 등 모든 간섭 요인을 차단하도록 설계
  • 서브팹에는 공정 장비를 지원하는 레이저, 진공 펌프 등이 배치됨
  • 독성 화학물질 취급, 폐기물 처리 등을 위한 특수 설비와 배관 필요
  • 공장 외부에는 산소/질소 분리 설비, 초순수 제조 설비 등 지원 시설 필요
  • 대형 반도체 공장은 원자력 발전소 1기 수준의 전력 소모(100MW)

반도체 공장 건설

  • 수십만 제곱피트의 클린룸과 수백 에이커의 부지 필요
  • 수만 톤의 철골과 수십만 입방야드의 콘크리트 투입
  • 인텔은 신규 공장에 부르즈 할리파의 2배 콘크리트, 에펠탑의 5배 철골 사용
  • 정밀도 확보를 위해 수천 명의 전문 인력 필요. 인텔 신규 공장은 최대 9300명, TSMC는 1만 2천명 투입
  • blow down 후 6개월~1년의 장비 셋업 기간 필요
  • 공장 건설은 보통 24년 소요. 미국의 경우 아시아보다 더 오래 걸리고 비용도 30400% 높음

반도체 공장 건설 비용

  • 건설비의 70~80%는 공정 장비 구매에 사용됨
  • 건설비 중 기계/전기 설비 비중이 2/3 이상. 주택 건축의 경우 20% 미만
  • 장비 비용 중 가장 큰 비중은 리소그래피 장비. 전체 건설비의 20% 수준으로 공장 건물만큼 비쌈
  • 새로운 공정 노드로 넘어갈 때마다 공장 건설비 30% 상승
  • 트랜지스터 소형화에 따른 장비 가격 상승과 마스크/공정 수 증가가 주요 원인
  • 웨이퍼 크기 증가(300mm)에 따른 자동화 설비 필요도 원인 중 하나
  • 건설비 상승으로 직접 공장 보유하는 IDM 줄고, 설계와 제조 분리되는 파운드리 모델 확산

GN⁺의 의견

  • 반도체 제조는 원자 수준의 정밀도를 요구하는 극한의 엔지니어링이라 할 수 있음. 현대 문명을 떠받치는 반도체의 복잡성과 정교함을 실감케 하는 내용
  • 반도체 산업의 트렌드를 읽는데 참고할 만한 정보들이 많음. IDM에서 파운드리로의 전환, 450mm 웨이퍼로의 전환 무산 등
  • 공장 건설 비용이 왜 천문학적인지, 어떤 비용이 얼마나 드는지를 구체적으로 잘 설명해줌
  • 공정의 복잡성을 감안하면 2~4년의 건설 기간은 오히려 빠른 편이라는 점이 흥미로움. 단 미국의 경우 한국이나 대만보다 훨씬 오래 걸린다는 점은 차이
  • 초고가 공정 장비의 핵심 공급사가 ASML, Lam Research, Applied Materials, 도쿄일렉트론 등으로 한정된다는 점에서 반도체 장비 산업의 과점 구도도 읽을 수 있음
  • 반도체처럼 정교한 공정 산업이 자동화, 무인화로 가면 어떻게 될지 궁금해짐. 인건비 비중이 낮아 자동화의 메리트가 적을 것 같기도 함
Hacker News 의견
  • CHIPS And Science Act로 인해 TSMC와 Intel이 Arizona Phoenix에 새로운 반도체 공장을 건설 중이며, 이는 경제적 관점과 국가 안보 관점에서 필수적임

  • 생산까지는 수년이 걸리겠지만, 현재 건설과 미래 인력 교육, 지원 기업 생태계 등 CHIPS Act가 사람들의 삶에 미치는 영향이 벌써 나타나고 있음

  • TSMC 창업자 Morris Chang의 구술 역사 인터뷰:

    • 중국에서 대만으로, 미국에서 공부하고 일하면서 쌓은 경험과 인사이트로 대만에 TSMC를 설립함
    • 아시아 엔지니어는 꼼꼼하고 질서정연한 반면, 미국 엔지니어는 혁신적이나 덜 체계적이라고 평함. 두 그룹이 서로 보완할 수 있다고 봄
  • iPhone에서 앵그리버드를 하며 잊기 쉽지만, 현대 기술을 가능케 한 엄청난 연구, 자원, 전문 지식이 있음

  • 반도체 산업의 역사와 현재 딜레마에 대해 더 알고 싶다면 Chris Miller의 책 'Chip Wars' 추천

  • 한 고등학생이 부모 차고에서 "저예산"으로 자신만의 반도체 공장을 만든 흥미로운 영상이 있음. 6502 CPU를 집에서 만드는 것까지 보고 싶었으나 아쉽게도 그 이상 발전시키진 않음

  • Apple, Nvidia 등은 칩을 설계하고 TSMC 같은 "파운드리"에 제조를 맡기는 "팹리스" 모델로 전환함. 다양한 칩 회사의 주문을 모아 최첨단 공정 라인에 필요한 규모의 경제를 달성함

  • 장기적으로 AI 학습도 비슷한 모델이 될 수 있음

  • 전형적인 제조 공정의 공차가 최소 10배 정도 차이남. CNC 가공의 공차를 0.125mm라고 하는 건 말이 안됨

  • Moore의 제2법칙(Rock의 법칙)에 따르면 반도체 공장 비용이 4년마다 두 배가 됨. 30년 안에 단일 공장에 3조 달러 이상이 들게 되어, 경제적 고려에 의한 기술 개선의 상한선이 있음을 시사

  • 200억 달러를 확보해서 반도체 공장을 짓는 게 마치 부엉이 그리기 밈 같음

  • 반도체 공장이 엄청나게 복잡하다는 걸 알고 있었지만, 이 기사는 여전히 충격적임

  • 4천만 달러 규모 건설 현장을 방문하면 움직이는 노동자, 장비, 자재를 보며 4천만 달러가 움직이는 광경이구나 하는 생각이 듦