Toyota가 TSMC의 구마모토(熊本) 제2공장을 건설하는 합병회사 JASM에 대한 투자를 결정했다. 그 배경에는 차량용 반도체에 닥쳐온 “한 자릿수 나노”시대가 있다. 제2공장에서는 6nm 세대의 양산도 계획하고 있다. “Level 3” 이후의 자율주행 기술에 반드시 필요한 한 자릿수 나노 세대의 반도체를 둘러싸고, 자동차 메이커는 개발 및 조달을 위한 체제 구축이 시급한 상황이다.

◆ 반도체의 기술 세대

반도체는 회로선 폭을 기술 세대로 사용한다. 숫자가 작아질수록 연산능력과 절전성능이 높아진다. 현재 양산되고 있는 최첨단 제품은 3나노 세대다. 다만 기술 세대의 호칭과 실제 회로 폭은 기술 발전의 과정에서 괴리가 있다. 실제 회로 폭이 3nm인 것이 아니라 성능 상으로 3나노 상당이라는 의미로 사용되고 있다.

사토 코지(佐藤恒治) 사장은 지난해 취임 초기부터 EV에 대해 “소프트웨어 서비스를 유연하게 운용할 수 있는 그릇”이라고 표현했다. 무선으로 기능을 업데이트 하는 “OTA”와 주행의 질을 자유자재로 변경할 수 있는 시스템 등 첨단 기능을 실현하려면 첨단 반도체가 반드시 필요하다.

TSMC는 구마모토현에 건설 중인 제2공장에서 6나노 세대의 반도체 등을 생산할 예정이다. 이번에 JASM에는 Toyota와 더불어 기존 주주인 Denso와 Sony도 추가 투자한다.

KPMG FAS의 오카모토 준(岡本准) 담당자는 구마모토 제2공장이 생산하는 것은 “JASM의 주주인 Sony, Toyota용으로 공급되는 차량용 첨단 반도체가 될 것”이라고 언급했다. 자율주행의 진화와 ADAS의 고도화에 필요한 “차량용 반도체의 고성능 및 고효율화를 목표”로 하는 것이다.

첨단 반도체를 확보하기 위해, Toyota가 투자에까지 나서는 이유는 무엇일까. 오카모토 담당자는 “차량용 첨단 반도체는 고급차 1대 당 1~2개를 탑재하며, 진행속도는 완만하다”고 보고 있다. 첨단 세대의 반도체는 스마트폰이나 서버 등 가전제품의 수요가 많다. 칩의 사용량이 상대적으로 적은 자동차 산업은 불리한 입장인 만큼, 자동차 메이커가 강한 책임을 보여줄 필요가 있다.

자동차에 사용되는 반도체는 현재, 성숙된 기술 세대가 대부분이다. 미국 상무부가 정리한 최종 제품별 반도체 기술 세대의 점유율을 살펴보면 28나노 세대 이하가 사용되는 비율은 스마트폰 등의 모바일 기기가 73%, 개인용 PC가 88%인 것에 비해, 자동차는 17%에 불과했다.

실제 자동차의 “손발”을 제어하는 마이크로 컨트롤러는 28 나노 세대 이전의 제조 기술이, 전압이나 전류 처리를 하는 아날로그 반도체는 그보다 이전 세대의 제조 기술이 주류를 이루고 있다. 스마트폰 등에 비해 개발기간이 길고, 높은 품질 기준을 충족할 필요가 있기 때문에 차량용 반도체의 진화는 비교적 느리게 이루어지고 있다. 이런 상황 속에서도 최근 높은 처리능력을 발휘하는 SoC의 영역에서는 첨단 세대의 반도체 기술이 사용되게 되었다. 대표적인 분야는 두 가지다.

하나는 차량용 카메라와 센서에서 수집되는 정보의 처리다. ADAS 등에 응용되기 때문에, 즉시 처리해서 움직임에 반영시킬 필요가 있다. 카메라 분야에서 선행해온 이스라엘의 Mobileye는 2021년 “EyeQ5”부터 7나노 세대의 기술을 적용했다. BMW의 《3 Series》 등에 탑재된 것으로 보인다.

  
▲ Mobileye의 반도체 “EyeQ”

나머지 하나는 콕핏의 영역이다 통신, 디지털의 이미지 처리 등의 용도인 SoC부터 시작하여 자율주행 관련 시스템으로 영역을 넓히고 있다. 강점을 보이는 기업은 Qualcomm이다. GM의 고급 EV Cadillac 《Celestiq》에는 5나노 세대 기술로 제조된 Qualcomm의 “Snapdragon Ride”가 탑재된다.

Honda가 중국에서 판매하는 SUV 《CR-V》에서 2022년에 탑재가 시작된 Level 2의 운전지원기능 “Honda SENSING 360”에서는 Renesas Electronics의 SoC인 “R-Car S4”가 사용되고 있다. 사용되는 것은 12나노 세대의 제조기술이다. 현재 기술 수준이라면 수 나노 세대의 반도체를 사용할 필요성은 없다. 다만 보다 많은 센싱 결과를 통합하려면 높은 처리능력이 필요해진다.

EV 등에서는 한정된 전력을 효율적으로 사용해야만 한다. 영국 리서치기업 Omdia의 스기야마 카즈히로(杉山和弘) 컨설팅 디렉터는 “Level 3 이상을 실현하려면 고성능이며 소비전력이 적은 디바이스가 필요하며, 7나노 세대보다 첨단의 수요는 늘어날 것”이라고 지적한다. 홍콩의 리서치기업  Counterpoint에 따르면, 조금 더 앞을 고려하면 “Level 4는 Level 3과 비교했을 때 SoC의 진입장벽과 비용이 월등히 높아질 것”이라고 한다. 기존의 완성차 메이커와 공급업체가 단독으로 개발기란 쉽지 않다.

첨단 반도체를 개발하기 위해 일본의 자동차업계의 움직임도 본격화되고 있다. 2023년 12월에 Toyota와 Honda 등의 자동차 메이커 5개사에 Denso, Renesas, Socionext 등이 추가로 참여하면서 총 12개사가 “자동차용첨단SoC기술연구조합(ASRA)”을 설립했다. 목적은 “Chiplet 기술”을 응용한 차량용 SoC의 연구개발이다. Chiplet은 반도체 적용 기술이다. 기술 세대가 다른 여러 개의 반도체를 하나의 칩에 집적해서 효율적으로 성능을 끌어낼 수 있다.

ASRA는 2028년까지 Chiplet 기술을 완성시켜 2030년 이후에 양산차에 탑재하는 로드맵을 그린다. 2030년 이후 실제 적용한다면 한자릿수의 나노 세대 기술을 사용할 가능성이 높다. 반도체와 그 위에서 가동시키는 소프트웨어는 자율주행 시대의 경쟁력을 결정한다.

한편 비용도 추가되기 때문에 고급차 중심인 유럽, 미국의 자동차 메이커는 Qualcomm의 제품을 전면 적용하기로 결정하는 등 스마트폰과 같은 수평 분업 모델로 옮겨가고 있다. Level 3보다 미래의 자율주행 실현을 고려한 반도체의 개발, 조달 전략을 어떻게 그려갈 것인가. 일본의 자동차 메이커도 분수령을 맞이하고 있다.