차량용 반도체 세계 시장 동향 및 전망
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차량용 반도체 세계 시장 동향 및 전망
이준명 수석연구원
국제무역통상연구원
작년 말부터 지속되고 있는 차량용 반도체 공급부족 사태로 인해 글로벌 자동차 업계의 생산량 감축 기조가 장기화되고 있다. 여기에 일본 지진, 미국 텍사스 한파 등 자연재해까지 반도체 공급 차질을 부추기면서, 전 세계적인 자동차 생산감소가 예상된다. 공급 차질의 핵심인 MCU(마이크로컨트롤러)의 리드타임이 26∼38주까지 늘어나는 것을 감안할때 차량용 반도체 공급 차질은 짧게는 올 3분기까지, 길게는 내년까지도 이어질 전망이다.
차량용 반도체의 수급 불균형은 코로나19에 따른 완성차‧부품 기업들의 수요예측 실패와 IT기기, 서버 등 타 산업용 반도체의 수요 급증이 맞물리면서 초래되었다. 자동차 업계는 코로나19로 인한 수요 급감에 대비하여 반도체 주문량을 줄였으나 코로나19 백신 개발, 경기부양책 등의 효과로 신차 주문량이 예상보다 빠른 회복세를 보였다. 뿐만 아니라 모바일‧PC용 반도체에 비해 마진율이 낮고 출하량마저 적은 차량용 반도체는 반도체 파운드리 기업의 공급계획 상 후순위로 밀려나 있어 현재의 공급부족 사태가 단기간에 해소되기란 어려운 일이다.
이번 차량용 반도체 품귀 사태는 단순히 단기에 해소될 일시적 현상이 아니라 미래 모빌리티 산업의 주도권 경쟁이 달린 문제로, 기업과 국가 차원에서 적극적인 대응이 필요하다. 글로벌 반도체 기업들은 자동차 산업을 미래 신성장동력으로 보고 이미 전기차 및 자율주행 기술 경쟁에 활발히 뛰어들었다. 글로벌 반도체 기업 임원 149명을 대상으로 한 2019년 설문 조사에 따르면, 향후 3년간 높은 수익률이 예상되는 반도체 분야로 사물인터넷(IoT)에 이어 자동차가 2위에 올랐다. 미국, EU, 중국 등 세계 주요 자동차 생산국들은 이번 차량용 반도체 품귀 사태를 계기로 반도체의 자체 공급망을 확보하기 위해 대규모의 투자를 포함한 중장기 대책 마련에 나서고 있다.
▲ 아직 규모는 작지만 빠르게 성장 중인 차량용 반도체 시장
세계 차량용 반도체 시장규모는 2020년 380억 달러로 추정된다. 이는 전체 반도체 시장의 약 9.6%에 불과한 비중이지만, 성장 속도는 빠르다. 2016~2019년 중 차량용 반도체 매출액은 연평균 9.0%씩 성장하면서 산업용, 소비자용 반도체 등을 포함한 전체 반도체 매출의 연평균 증가율 5.5%를 크게 상회하였다.
차량용 반도체의 세부 품목별로 살펴보면, 아날로그IC, 마이크로컨트롤러(MCU), 로직IC 등의 순으로 시장규모가 크다. 이번 공급부족 사태의 주인공인 차량용 MCU는 전체 MCU 시장의 절반 이상(매출액 기준)을 차지하고 있으나, 로직IC의 경우 차량용의 비중이 전체 시장의 4% 수준으로 그다지 높지 않다.
한편, 제조사별로는 NXP(네덜란드), 인피니언(독일), 르네사스(일본) 등 3대 기업을 포함해 매출 상위 10개 기업이 세계 차량용 반도체 매출의 60%를 차지하고 있다. 이들 기업은 대부분 설계와 생산을 겸하는 종합 반도체 기업(IDM)이지만, 비용 절감을 위해 팹라이트를 지향하며 오랫동안 첨단 생산공정 투자에 그다지 적극적이지 않았기 때문에, 고성능 MCU나 자율주행용 AI 반도체와 같은 최신 반도체는 대만 TSMC 등 파운드리 기업에 생산량의 상당 부분을 위탁하고 있다.
차량용 반도체 수요는 전기차의 보급과 자율주행 기술의 발전에 힘입어 향후 큰 폭으로 증가할 전망이다. 차량에 탑재되는 반도체의 부가가치는 금액 기준으로 기존 내연기관차 대비 전기차 2.1배, 자율주행차(레벨4-5) 3.2배로 증가가 예상된다. 이에 따라 차량용 반도체의 세계 시장규모는 2024년 600억 달러에 이를 전망이다.
▲ 모빌리티 산업 트렌드 3가지로 본 차량용 반도체 시장 전망
전기차와 자율주행 기술의 발전으로 자동차가 점차 ‘바퀴 달린 IT기기’로 변모함에 따라 차량용 반도체가 자동차 산업의 핵심부품으로 부상하고 있다. 차량용 반도체의 역할은 개별 자동차 부품을 제어하는 단순 기능에서, 다양해진 전장부품 및 소프트웨어와 대규모 데이터를 오류 없이 통합, 제어하는 복합 기능으로 확대되고 있다. 미래 모빌리티 산업의 3가지 핵심 트렌드인 ‘전장화(Electrified)’, ‘연결성 심화(Connected)’, ‘자동화(Automated)’는 고성능, 고품질의 차량용 반도체 없이는 실현할 수 없다.
[트렌드①: 전장화] 차량용 반도체의 수요 확대와 밸류체인 재편
‘전장화(Electrified)’란 차량 내 기계부품의 비중이 줄어드는 대신 전장부품과 소프트웨어의 비중이 증가하는 현상이다. 전장부품 및 소프트웨어 시장은 향후 연평균 7%씩 성장하여 2030년에는 4,690억 달러 규모에 도달할 전망이다. 차량용 반도체가 집약된 전자/도메인 제어장치(ECU/DCU) 부문은 전장부품 및 소프트웨어 시장에서 2030년 기준 33.2%의 막대한 비중을 차지할 것으로 예상된다. 전장부품과 소프트웨어의 기능이 점점 더 복잡하고 다양해짐에 따라, 이들을 얼마나 효율적으로 통합하고 커스터마이징하느냐가 향후 차량용 반도체 시장의 중요한 경쟁력 요소가 될 것이다.
차량용 반도체의 수요와 활용범위는 전장화 수준과 소프트웨어 확장성이 큰 부품군을 중심으로 대폭 확대될 전망이다. 대표적으로 ADAS(첨단운전자보조시스템)/AD(자율주행), 전기 파워트레인/친환경(xEV), 인포테인먼트/텔레매틱스 등이 있다. 전체 차량용 반도체 시장에서 이들 부품군이 차지하는 비중은 2019년 43%에서 2040년 80%로 두 배 가까이 성장이 예상된다.
전장화 트렌드는 자동차 산업의 전통적인 밸류체인을 빠르게 변모시키고 있다. 전장화의 확대는 인터넷, 모바일, 통신 등 타 산업의 글로벌 빅테크 기업들이 모빌리티 시장에 진출하는 기회요인으로 작용하기 때문이다. 미국의 애플, 중국의 바이두 등 글로벌 IT기업들은 운영체제(OS) 및 소프트웨어 설계에서의 경쟁력 우위를 바탕으로 모빌리티 산업에 진출하여 플랫폼 비즈니스 모델을 구축 중이다. 미국의 퀄컴, 엔비디아 등 글로벌 반도체 기업들 역시 통신, 컴퓨터 등 고유 분야의 칩셋 개발 기술을 기반으로 모빌리티 분야에 사업영역을 확장하고 있다.
새로운 플레이어의 등장으로 자동차 산업의 밸류체인은 일방향 구조에서 쌍뱡항 구조로 재편되고 있다. 기존 밸류체인이 전장부품 기업이 반도체 기업으로부터 납품받은 반도체에 주변장치, 소프트웨어 등을 통합해 이를 완성차 기업에 제공하는 일방향 구조였다면, 향후 밸류체인은 진영 간 경계가 허물어지면서 연구개발, 위탁생산 등 전략적인 협업과 M&A, 플랫폼 경쟁이 공존하는 쌍방향 구조가 될 것으로 보인다. 한편, 이와 같은 협업 방식에서 벗어나 전장부품, 통합 OS 등 모빌리티 밸류체인 전반에 걸쳐 자체 개발 역량을 키우려는 테슬라와 같은 움직임도 존재한다.
이와 같은 밸류체인 변화에 대응하여 차량용 반도체, 전장부품, 완성차 기업 등 자동차 산업의 전통 플레이어들은 기존 하드웨어 부문의 비교우위를 공고히 하는 가운데 소프트웨어 부문의 역량을 확대하는 데 주력하고 있다. 보쉬는 마이크로소프트와 클라우드 기반 차량용 소프트웨어 플랫폼을 공동 개발하고 있고, 현대차 역시 OS 자체 개발 역량 확보를 위해 최근 계열사들을 통합했다. 차량 기능의 고도화는 추가적인 하드웨어 탑재가 아닌 소프트웨어 업데이트에 의해 구현되는 추세이므로, 이들 전통 기업들의 소프트웨어 역량 강화는 생존을 위해서는 필수적이다.
[트렌드②: 연결성 심화] 반도체 및 제어장치, 분산형에서 통합형으로 전환
모빌리티 제품 및 서비스의 연결성 심화는 곧 복잡도의 증가를 의미한다. 전장부품 및 소프트웨어 간 연결이 복잡해지면서 많은 양의 데이터를 안전하면서도 신속, 정확하게 처리해야 하는 기술적 요구가 크게 증가하고 있다. 차량 내 부분적 오류가 전체 차량 또는 외부 네트워크로 연결된 다른 차량의 안전 및 보안을 위협할 우려가 존재하기 때문이다.
복잡해진 차량 기능을 안전하고 효율적으로 제어하기 위해 차량용 반도체를 비롯한 자동차의 전기/전자(E/E) 아키텍처는 단일화, 통합화되는 추세에 있다. 우선 반도체 부문에서는 복잡한 컴퓨팅 작업과 복합 기능 수행에 유리한 통합형 반도체 ‘SoC(System On a Chip)’의 활용이 확대되고 있다. SoC의 대표적인 예로는 스마트폰이나 태블릿PC에 탑재되는 애플리케이션 프로세서(AP)를 들 수 있는데, 기존 MCU에 비해 차량의 소형‧경량화, 제조 비용 절감, 다수 기능의 복합적 구현 등에 장점이 있어 차량용 반도체 기업도 활발히 개발 중이다.
E/E 아키텍처 또한 분산형 구조에서 통합형 구조로 발전 중이다. 기존에는 각각의 ECU가 독립적으로 서로 다른 기능을 수행하는 분산형 구조였다면, 앞으로는 ECU들을 기능별로 도메인에 묶어 제어하거나 통합 ECU 및 OS를 통해 중앙에서 관리하는 통합형 구조로 발전할 전망이다. 통합형 E/E 아키텍처는 자율주행 전기차을 구현하기 위해서는 필수적인 요소다. ECU 탑재량을 줄이고 배선 및 네트워크를 단순화할 수 있어 비용과 차체의 무게, 소비전력 등의 측면에서 전기차의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라, 다수의 센서에서 수집한 데이터를 중앙에서 한꺼번에 처리해야 하는 자율주행 기술에도 적합하기 때문이다.
다만 분산형에서 통합형 구조로의 전환은 급진적이기보다는 점진적일 것으로 보인다. 통합형 E/E 아키텍처 도입에 따른 ECU 개수의 감소는 자동차 부품기업들에는 당장의 매출 감소를 의미하기 때문에, 많은 기업의 이해관계가 얽혀있는 기존 밸류체인에서 급진적인 도입은 현실적으로 쉽지 않다. 또한 자율주행, V2X 통신 기술 안전성에 대한 표준화와 통신 인프라 안정화 작업이 아직 충분히 진행되지 못한 것도 도입의 걸림돌이다. 따라서 인포테인먼트와 같이 소프트웨어 업데이트가 필수적이고 통신 지연에 따른 안전사고에서 비교적 자유로운 부품군부터 통합화가 이루어질 것으로 보인다
[트렌드③: 자동화] 자율주행용 AI 반도체의 부상
자율주행 기술 발전은 전장화, 연결성 심화와 함께 차량용 반도체 산업 성장의 핵심 요인이다. 현재 상용화된 레벨2 자율주행 단계에서 향후 레벨4~5 수준의 완전 자율주행으로 발전할 경우 차량에 탑재된 반도체의 부가가치는 약 7배 증가할 전망이다. 자율주행차가 실시간으로 수집하는 방대한 양의 데이터를 빠르고 정확하게 처리하기 위해서는 고성능의 차량용 반도체가 필수적이다.
무엇보다도 차량용 AI 반도체의 성장에 주목할 필요가 있다. 차량용 AI 컴퓨팅의 세계 시장규모는 2019년 1.4억 달러에서 2025년 27.5억 달러로 연평균 73%라는 높은 성장률이 예상된다. 특히 그중에서도 추론용 AI 반도체가 각광받고 있다. 데이터 센터 서버를 거치지 않고 차량 자체에서 AI 연산이 가능한 엣지 컴퓨팅(Edge computing) 기술이 적용되어, 자율 주행중 발생한 데이터를 인지하고, 판단, 제어하는 실시간 추론에 적합한 방식이다.
향후 모빌리티 산업의 패권 경쟁은 AI 반도체 기반의 자율주행 칩과 이를 실제 자율주행으로 구현하는 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼을 중심으로 전개될 전망이다. 현재 엔비디아, 모빌아이(인텔), 테슬라가 GPU, NPU 등 AI 반도체를 SoC 형태로 조합한 자율주행 칩을 개발해 시장을 주도하는 가운데, 구글, 바이두 등 IT기업들도 독자 칩 개발 경쟁에 뛰어들고 있는 상황이다.
전통기업들도 이러한 각축전에 자신들의 영향력을 행사하기 위해 고군분투 중이다. NXP, 인피니언 등 차량용 반도체 기업들은 카메라, 레이다, 라이다 및 V2X 등 자율주행용 고성능 반도체로 사업영역을 확장 중이다. 폭스바겐, BMW 등 완성차/OEM 기업들은 칩 제조사들로부터 납품받은 솔루션을 활용하여 자율주행 S/W 플랫폼(OS, 미들웨어 등) 자체 개발을 시도 중이다. 한편, 완성차/OEM 기업과 반도체 기업 간 직접적인 협업의 증가로 인해 기존 밸류체인에서 두 진영 간 중간다리 역할을 하던 전장부품 기업의 입지는 예전보다는 다소 위축될 수 있다
▲ 모빌리티 산업 트렌드를 반영해 산업의 기초 경쟁력부터 키워나가야
빠르게 변하는 모빌리티 시장의 판도에서 우리는 무엇을 해야 할까. 차량용 반도체의 국산화율은 현재 5% 미만으로 알려져 있다. 따라서 앞으로 성장이 유망하고 우리가 강점을 지닌 분야를 중심으로 산업의 기초 경쟁력부터 키워나가야 한다. 자율주행, 인포테인먼트 등 고부가가치 반도체를 중심으로 자체 생산역량을 확보하는 한편, AI 반도체나 신소재 기반 전력 반도체 등 잠재 성장성이 큰 품목으로 산업의 포트폴리오를 조금씩 넓혀야 한다. 또한 글로벌 기술 환경의 변화에 민첩하게 대응하기 위해서는 국내, 해외를 막론하고 기업 간 활발한 기술협력이 필요하다.
1) 팹라이트(Fab-light)는 종합 반도체 업체(IDM)가 비용을 절감하거나 칩 설계에 집중하기 위해 파운드리에 생산을 위탁(특히 첨단공정)하는 비중을 점차 늘려나가는 현상을 말함
2) 도메인 제어 장치(DCU, Domain Control Unit)는 중앙처리장치(Central Gateway)와 연결되어 각 도메인과 그 이하 ECU들을 제어하는 부품
3) BMIC(배터리 관리용 IC), PMIC(동력 관리용 IC), IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 등
4) E/E(Electric/Electronic) 아키텍처는 차량 전체의 전기 및 전자 시스템의 구조를 의미하며, 구성 부품 간 연계성과 기능 확장성 등을 고려하여 개발 초기 단계에서 수립함
5) 도메인(Domain)이란 개별적으로 작동하는 ECU들을 파워트레인, ADAS, 차체, 샤시, 인포테인먼트 등 차량의 주요 기능별로 통합하여 제어방식을 효율화한 시스템
6) 차량-사물 통신(Vehicle-to-everything, V2X communication)은 차량에서 차량에 영향을 주는 사물로 정보를 전달하는 것(차량→물체) 또는 그 반대 방향(물체→차량)의 과정을 의미하며, ‘연결대상(X)’에 따라 V2I(차량-인프라), V2N(차량-네트워크), V2V(차량-차량), V2P(차량-보행자), V2D(차량-부품), V2G(차량-그리드) 등이 있음
7) 인공지능의 학습 및 추론을 위해 대규모 데이터의 저전력, 초고속 연산 처리에 특화된 반도체
8) 모바일, 자율주행차 등 단말기기(edge)의 위치에서 데이터를 처리하는 컴퓨팅 방식으로, 데이터센터에서 데이터를 처리하는 클라우드 컴퓨팅과 반대 개념
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