파운드리 모델

1. 개요

파운드리 모델은 반도체 설계와 제조를 분리하는 비즈니스 모델을 의미한다. 1987년 모리스 창이 설립한 TSMC는 최초의 순수 파운드리 기업으로, 설계와 제조를 분리하는 모델을 제시했다. 파운드리 기업은 팹리스 반도체 회사로부터 설계를 받아 반도체 칩을 생산하며, 팹리스 회사는 설계 및 연구 개발에 집중한다. 주요 파운드리 기업으로는 TSMC, 삼성전자, 글로벌파운드리 등이 있으며, TSMC는 세계 최대 파운드리 기업으로 최첨단 공정 기술을 선도하고 있다. 반도체 산업은 기술 발전과 투자 비용 증가, 설계와 제조 간 협력 필요성 증대, 지적 재산권 보호 등의 과제에 직면해 있다.

2. 역사

원래 반도체 기기를 설계하고 생산하는 기업들은 마이크로 전자 장치 제조를 담당했다. 이 제조업체들은 제조 공정과 마이크로 회로 설계의 연구 개발에 모두 관여했다.

1987년, 모리스 창은 정부 산업기술연구원의 기업 분사를 통해 최초의 순수 파운드리 기업인 TSMC를 설립했다. 이는 카버 미드가 미국에서 옹호했지만, 비용 문제로 추진하기 어려웠던 모델이었다. 설계와 제조의 분리는 파운드리 모델로 알려졌으며, 팹리스 반도체 제조는 반도체 파운드리에 아웃소싱되었다.

팹리스 회사는 반도체 제조 능력이 없어 상업 파운드리에 제조를 위탁한다. 팹리스 회사는 IC 제품의 연구 개발에 집중하고, 파운드리는 물리적 제품의 제조 및 시험 방법에 집중한다. 파운드리가 반도체 설계 능력이 없는 경우, 순수 파운드리 반도체 회사이다.

팹리스와 파운드리 회사로의 절대적인 분리가 필수는 아니다. 많은 기업들이 두 가지 작업을 모두 수행하며 기술의 긴밀한 결합으로부터 이점을 얻는다. 일부 기업들은 자체 설계를 일부 제조하고, 가치 (마케팅)를 보거나 특별한 기술을 추구하는 경우 다른 설계를 외주하거나 제조하기도 한다. 파운드리 모델은 생산성을 최적화하려는 비즈니스 모델이다.

2.1. 초기 파운드리 모델의 등장

1980년대 이전에는 대부분의 반도체 기업들이 설계와 제조를 모두 하는 수직 통합형(IDM) 모델을 따랐다. 그러나 1987년 모리스 창이 설립한 TSMC는 최초의 순수 파운드리 기업으로, 설계와 제조를 분리하는 새로운 모델을 제시하였다. 이는 카버 미드가 미국에서 옹호했지만, 비용 문제로 추진하기 어려웠던 모델이었다.

MOSIS 서비스는 상업 파운드리의 잉여 생산 능력을 활용하여 소규모 설계자들에게 저렴한 제조 서비스를 제공했다. 설계자들은 설계를 제출하고, 상업 회사의 여유 생산 능력을 활용하여 제조되었다. 상업 회사(파운드리 역할)는 이미 공정을 운영하고 있었으므로, MOSIS로부터 추가 비용을 지급받는 셈이었다. 또한, 과잉 생산 능력을 가진 공장은 값비싼 자본 장비가 유휴 상태로 남는 것을 피하기 위해 MOSIS 설계를 실행할 수 있었다.

하지만 MOSIS는 상업 파운드리의 부수적인 사업이었기 때문에, 고객 서비스에 대한 보증이 거의 없었고, 상업 파운드리의 선택에 따라 설계, 개발 흐름, 사용 가능한 기술이 결정되는 등 한계가 있었다. 또한, 상업 파운드리는 독점적이고 이식 불가능한 준비 단계를 요구하거나, 영업 비밀 보호를 위해 까다로운 비밀 유지 계약 절차를 거친 후에만 설계자에게 데이터를 공개하기도 했다.

2.2. 전용 파운드리의 등장과 성장

타이완 반도체 제조 회사(TSMC)는 1987년 산업기술연구원의 기업 분사로 설립된 세계 최초의 전용 파운드리이다. 이는 카버 미드가 옹호했지만, 비용 문제로 추진하기 어려웠던 모델이다. 설계와 제조의 분리는 파운드리 모델로 알려지게 되었으며, 팹리스 반도체 제조는 반도체 파운드리에 아웃소싱되었다.

전용 파운드리는 팹리스 고객에게 몇 가지 주요 장점을 제공한다.
* 첫째, 완제품 IC 제품을 공급 채널에 판매하지 않아 팹리스 고객과 직접 경쟁하지 않는다.
* 둘째, 고객의 요구에 따라 생산 능력을 확장할 수 있으며, 소량의 셔틀 서비스와 대규모 생산 라인을 모두 제공한다.
* 셋째, 업계 표준 EDA 시스템을 기반으로 하는 "COT-플로우"(고객 소유 툴링)를 제공하여 고객이 설계 프로세스를 완벽하게 제어할 수 있도록 했다.

팹리스 회사는 반도체 제조 능력이 없어 상업 파운드리에 제조를 위탁한다. 팹리스 회사는 IC 제품의 연구 개발에 집중하고, 파운드리는 물리적 제품의 제조 및 시험 방법에 집중한다. 파운드리가 반도체 설계 능력이 없는 경우, 순수 파운드리 반도체 회사이다.

3. 주요 파운드리 기업

모리스 창이 1987년에 설립한 TSMC는 최초의 순수 파운드리 기업이다. 설계와 제조의 분리는 파운드리 모델로 알려졌으며, 팹리스 반도체 회사는 제조를 반도체 파운드리에 아웃소싱한다. 파운드리는 다른 회사를 위해 집적 회로(IC)를 생산하는 반도체 제조 공장을 운영한다. 텍사스 인스트루먼트, IBM, 삼성전자와 같은 종합 반도체 회사(IDM)도 이해 상충이 없을 경우 파운드리 서비스를 제공한다.

3.1. 글로벌 주요 파운드리 기업

3.2. 연도별 파운드리 매출 순위

(1) 현재 글로벌파운드리에 인수됨

(1) 2008년에 CR Logic과 합병, IDM 파운드리로 재분류됨


{| class="wikitable" style="text-align=left;"
|+ 2004년 상위 10개 순수 파운드리 반도체 회사
!2004년 순위
!회사
!원산지
|-
|1
|TSMC
|대만
|-
|2
|유나이티드 마이크로일렉트로닉스 코퍼레이션(UMC)
|대만
|-
|3
|차터드(Chartered)
|싱가포르
|-
|4
|세미컨덕터 매뉴팩처링 인터내셔널 코퍼레이션(SMIC)
|중국
|-
|5
|동부/아남
|[[

4. 기술 및 경제적 과제

반도체 산업은 다른 모든 산업과 마찬가지로 여러 과제와 난관에 직면해 있다.

칩의 각 세대가 발전함에 따라 최첨단 기술을 유지하는 데 드는 비용은 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 재정적 부담은 대형 파운드리 업체와 팹리스 고객 모두에게 영향을 미친다. 새로운 파운드리 설립 비용은 1를 초과하며, 이 비용은 결국 고객에게 전가될 수밖에 없다. 많은 파운드리 업체들은 연구 개발 및 설비 유지 비용을 분담하기 위해 경쟁업체와 합작 투자를 시작하기도 한다.

한편, 칩 설계 회사는 때때로 특허 소유자와 광범위한 상호 라이선스 계약을 체결한 라이선스 파운드리로부터 제품을 구매함으로써 다른 회사의 특허를 피하기도 한다.

4.1. 미세화 기술의 발전과 투자 비용 증가

반도체 산업은 기술이 발전함에 따라 각 세대 칩의 최첨단 기술을 유지하는 데 드는 비용이 꾸준히 증가하고 있다. 특히 파운드리 건설에는 막대한 설비 투자가 필요한데, 이는 설치하는 장비가 고가인 것뿐만 아니라 클린룸 건설 비용이 매우 크기 때문이다. 클린룸은 제조하는 전자 회로를 정상적으로 작동시키기 위해 공기 중의 먼지나 미세 입자를 제거해야 하는 공간으로, 미세 공정이 발전할수록 클린룸 제조 비용은 기하급수적으로 증가한다.

1990년대 이후, 게이트 길이가 250nm, 180nm, 130nm, 90nm 등으로 짧아지면서 클린룸의 청정도를 더욱 높여야 했고, 이에 따라 클린룸 건설, 유지 및 관리에 막대한 비용이 필요하게 되었다. 이러한 막대한 투자는 모든 회사가 감당하기 어려웠기 때문에, 반도체 설계는 하지만 생산 라인을 갖지 않는 팹리스 회사가 등장하고, 제조 전문 회사가 등장하면서 설계와 제조가 분업되는 형태가 나타났다. 이러한 업계 형태를 반도체 업계의 수평 분업이라고 부른다.

2000년대 중반부터는 미세화 기술이 더욱 고도화되면서 회로 설계와 반도체 공정 기술을 분리하여 제품을 제조하는 것이 어려워졌다. 이에 따라 파운드리뿐만 아니라, 각종 반도체 제조사들이 긴밀하게 협력하여 제조하는 DFM 기술을 추진해야 할 필요성이 제기되고 있다.

4.2. 설계와 제조의 긴밀한 협력 필요성 증대

2000년대 중반부터 미세화 기술이 고도화되면서, 회로 설계와 반도체 공정 기술을 분리하여 제품을 제조하는 것이 어려워졌다. 이는 회로의 성능 향상, 전력 소비 감소, 그리고 수율 향상을 위해 설계와 제조 간의 최적화가 필요하기 때문이다.

따라서 파운드리 기업뿐만 아니라, 각종 반도체 제조사들이 보다 밀접하게 연계하면서 제조를 하는 DFM(Design for Manufacturing, 제조를 고려한 설계) 기술을 추진할 필요성이 증대되고 있다. 즉, 파운드리 기업과 팹리스 기업 간의 긴밀한 협력, 나아가 반도체 장비 및 재료 기업과의 협력이 파운드리 모델 산업의 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소로 부상하고 있다.

4.3. 지적 재산권 보호 문제

팹리스 기업의 설계 데이터 유출 및 도용은 파운드리 산업의 주요 문제점 중 하나이다. 노골적인 설계 복제는 칩의 특징적인 기능으로 쉽게 식별될 수 있지만, 모든 절차, 공정 시스템, 작동 방식 또는 개념을 포함한 데이터는 경쟁사에 의해 도용될 수 있다. 이는 경쟁사가 수개월 또는 수년의 지루한 역설계 작업을 절약할 수 있게 한다.

5. 한국의 파운드리 산업

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