산업 리포트 memo - Semiconductor

Investment
Published

November 17, 2024

Semiconductor

Players

  • 반도체 산업 value chain (Source: LS증권)

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  • 메모리/비메모리 반도체 (Source: LS증권)

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DRAM

  • DRAM은 모바일이랑 서버 수요가 중요하다는 것 확인
  • 삼성전자 (005930), SK하이닉스 (000660), Micron Technology (MU) 순
  • Legacy에서는 CXMT가 치고 올라오고 있고
  • Commodity 시장이었던 곳이 HBM의 등장으로 제품군이 2개로 쪼개짐
    • AI향으로 나갈 수 있으나 쌓아 올려서 접합하면서 수율이 박살나는 HBM
    • 그 이전에 commodity였던 DRAM
  • DRAM demand/market share (Source: LS증권)

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NAND

  • 삼성 1위, Kioxia/Western Digital (WDC) 2위, SK하이닉스 3위, Micron 3위

    • Kioxia에 SK하이닉스 지분이 있으니… 뭐 대충 2.5등이라고 봐도 괜찮을듯

  • 수요처가 다양한 편이나 여전히 모바일이 주도

  • Server쪽은 locality 때문에 생각보다 HDD 수요가 있는 편

  • NAND demand/market share (Source: LS증권)

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  • Computer science 전공자라면 memory hierarchy 공부할 때 locality 개념을 배움
    • temporal locality - 가장 최근에 조회한 데이터를 다시 한 번 조회할 가능성이 높음
    • spatial locality - 조회한 아이템과 물리적으로 가까운 위치에 저장된 데이터를 조회할 가능성이 높음
  • Bryant and O’Hallaron, Computer Systems: A Programmer’s Perspective, Third Edition

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  • 대충 이런 사유 때문에 server 쪽에서 quantity로 보면 HDD > SSD이지 않나
  • 생각보다 데이터가 쌓이기만 하지, 쓰는 데이터는 꽤나 정해져 있을 것
    • 이런 관점에서 오래된 과거 이메일 지워서 greenhouse gas 줄이자는 주장도 나오는 것…
    • 이메일은 무한하게 쌓이기만 하는데 정작 읽는건 최근에 온 메일이다보니
  • 아무튼 정확한 reasoning은 아니지만, SDD가 HDD를 전면적으로 대체하는 것이 아니고, 생각보다 server 쪽에서 수요가 받쳐주지 않는 원인을 대략적으로 이렇게 이해하고 있음

Memory tech node

  • 어쨌거나 저쨌거나 DRAM은 선단공정화가 정말 빠르게 진행되고 있음

  • 이제 DRAM은 HBM이랑 legacy DRAM을 구분해서 share를 표시하지 않으면 꽤나 왜곡이 있을 예정

  • 심지어 HBM은 후공정 중요도가 높은 제품이라 선단공정 노드만으로 DRAM 시장에서의 경쟁력이라던가 업황을 한 번에 알아보기에는 한계가 있을 것이라는게 내 생각

  • DRAM/NODE tech node (Source: LS증권)

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시스템 반도체

  • 영원토록 Intel (INTC), AMD (AMD)의 영역인 CPU 시장
  • Mobile AP는 자사 칩 쓰는 애플 빼고는 전부 ARM (ARM) based로 미디어텍이랑 퀄컴이 2황
  • 삼성전자는 이번 갤럭시 최신기종 스냅드래곤 채택으로 곧 사라질 예정
    • 시스템 반도체 아키텍쳐 다 까뒤집고 제로부터 설계해야 한다는 썰이 있는데 아예 아니땐 굴뚝에서 연기나는 것 아님
  • 시스템 반도체 market share (Source: LS증권)

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AI chip

  • GPU는 NVIDIA (NVDA), AMD인데 CPU랑은 다르게 NVIDIA의 독주
  • AI chip은 보면 자체 설계 비중이 조금씩 올라갈 거라고 예상하고 있고
    • 이 때문에 ASIC 쪽에서 경쟁력 있는 Broadcom (AVGO), 다른 architecture를 제공하는 ARM이 주목받는 것
  • GPU/AI chip market share (Source: LS증권)

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비메모리 반도체 생태계

  • 한국만 메모리/비메모리 반도체로 구분

  • 글로벌은 시스템/메모리/아날로그 반도체로 구분

  • 비메모리 semiconductor value chain (Source: LS증권)

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  • Semiconductor front-end process (Source: LS증권)

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  • Semiconductor back-end process (Source: LS증권)

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Front-end process

  • 반도체 웨이퍼는 일본 2사 (Shin-Etsu Chemical (TSE: 4063), Sumco (TSE: 3436)), 대만의 GlobalWafers (TPEX: 6488)랑 SK실트론이 사실상 과점
  • 저거 반도체 잉곳을 만들기 위해 실리콘을 녹이는 도가니가 초고순도 모래로 만들어야 한다는데, 그걸 미국의 광산 단 한곳에서만 채취할 수 있다… 뭐 그런 내용도 봤음
    • 이 때문에 중국의 반도체 굴기는 이루어질 수 없는 꿈 같은 것이라는 주장
  • 반도체 웨이퍼 제조 및 설계 순서, 웨이퍼 market share (Source: LS증권)

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주요기업

  • Lithography: ASML (ENXTAM: ASML, NASDAQ: ASML)

  • Development: TEL (TSE: 8035)

  • Etching: ASM (ENXTAM: ASM), Lam Research (LRCX), Applied Materials (AMAT)

  • Semiconductor front-end process (Source: LS증권)

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Oxidation layering

  • Oxidation layering process (Source: LS증권)

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Photo/Photo-resist/Lithography/Development

  • Lithography process/market share (Source: LS증권)

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  • Lithography (Source: LS증권)

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  • 멀티패너팅은 방망이 깎는 노인이라고 생각하면 됨

    • 파장이 더 짧은 광원 (ex. EUV)로 한번에 싹 깎을 수 있는걸
    • 뭉툭한 칼로 여러번 깎아서 공예하는 것

  • 반도체 공정은 수율 (생산 칩 중에 양품 칩의 비율)이 중요한데 그래서 공정을 반복적으로 거치지 않고 한큐에 쭉 가는게 제일 중요함

  • 멀티패터닝마냥 여러 공정 loop를 돌아야되면 그 과정에서 수율이 떨어지는 문제가 생김

  • 공정마다 수율을 잡아야 하는 과제는 항상 있지만, 아무리 수율이 높은 공정이여도 확률의 곱셈법칙마냥 수율이 떨어짐

    • 90% 수율 공정을 10번 거치면 34%까지 떨어짐
    • 투자에서 복리의 반대라고 생각하면 됨

  • 이 때문에 선단공정만 막아도 중국의 반도체 굴기는 꽤나 꺾일 수 밖에 없음

  • 반도체에서 반드시 달성해야 하는 규모의 경제를 그냥 원천 봉쇄하는 행위

  • 물론, 미래에 기술적으로 어떤 돌파구를 만들게 될지는 모름

  • Multi patterning/ArF vs. EUV comparison (Source: LS증권)

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Etching

  • Types of etching process (Source: LS증권)

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  • Etching process/market share (Source: LS증권)

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  • Etching parts/NAND roadmap (Source: LS증권)

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Cleaning

  • Cleaning process/market share (Source: LS증권)

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Thin film deposition

  • Thin film process/CVD/ALD equipment market share (Source: LS증권)

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  • PVD/CVD/ALD comparison (Source: LS증권)

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  • 증착도 HKMG (High-K metal gate) 형태로 진화 중

  • 이 때문에 원자 현미경 (AFM, Atomic Force Microscope)이 필요하다고 들은 것 같음

  • High-K structure/Atomic Layer epitaxy Deposition (ALD) process (Source: LS증권)

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CMP (Chemical Mechanical Polishing)

  • 증착 이후 웨이퍼 포면의 박막을 갈아내는 공정

  • 웨이퍼 표면의 굴곡을 감소시키고 공정 효율 및 수율 개선 기대

  • HBM 적층 수가 증가하면서 두께가 얇아지고 있어서 CMP 공정 수요가 증가하고 있음

  • CMP process (Source: LS증권)

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Metal interconnect

  • 열심히 깎고 쌓은 층을 금속 배선으로 연결해야 함

  • Metal interconnect process (Source: LS증권)

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Back-end process

  • Back-end process (Source: LS증권)

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Wafer test

  • Wafer test equipment structure/Probe card market share (Source: LS증권)

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Back grinding

  • 웨이퍼 후면을 갉아내는 공정

  • 웨이퍼 두께를 줄여 적층 수를 증가시킬 수 있다는 장점이 있음

  • 갈아낼 때 깨지거나 휘는 현상이 있음 - warpage

  • Back grinding (Source: LS증권)

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Singulation

  • 웨이퍼 위의 칩을 개별로 나누는 공정 - dicing, sawing

  • 칼로 자르다가 레이저로 자르고 이제는 플라즈마로 자르기 시작

  • Singulation process/Dicing/Sawing equipment market share (Source: LS증권)

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Bonding, molding

  • Wire/flip chip bonding/Underfill process (Source: LS증권)

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Marking, solderball mount

  • Solderball/bump development (Source: LS증권)

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Package test

  • Test equipment/socket market share (Source: LS증권)

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Inspection, Metrology

  • Inspection/mask review equipment market share (Source: LS증권)

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Advanced packaging

  • 더이상 노드 미세화로 투자 대비 효용이 안나옴

  • 심지어 양자역학의 세계로 들어가서… 누설 전류 같은 문제가 생김

  • 심지어 성능을 만땅으로 올려두니까 열관리가 안됨

  • 열은 성능이랑 수명에 전반적으로 영향을 미치는데, packaging을 어떻게 하는지가 중요해짐

  • 원래는 다이 하나에다가 다 쑤셔넣는 쪽으로만 연구했는데 웨이퍼 단위로 고민하기 시작

  • 겸사겸사 수율도 올리고 이것저것 시도해보니 결과가 괜찮아짐

  • AMD Chiplet은 Intel에서도 모방

  • Node development expense trends/Chiplet technology (Source: LS증권)

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FO-WLP (Fan Out Wafer Level Packaging)

WLP

  • 가공이 완료된 웨이퍼 위에 기판을 대신하는 RDL (Re Distribution Layer)이라는 재배선층을 놓은 후 절단하는 방식
  • 한 번에 패키징을 진행하는 만큼 생산성과 원가 층면에서 우위가 있음

FO (Fan Out)

  • 기존 fan in 구조에서 미세화로 인해 범프를 놓을 공간이 부족해짐
  • I/O를 다이 밖으로 빼는 방식으로 전환 - fan out
  • FO-WLP 기술로 TSMC (TWSE: 2330, NYSE: TSM)는 2016년부터 아이폰 AP 독점 중
    • 이건 물론 삼성전자가 삽질 및 경쟁자로 부상한 영향도 있음…
  • WLP/FO-WLP (Source: LS증권)

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FO-PLP (Fan Out Panel Level Package)

  • 이제 웨이퍼를 벗어나서 panel 단위로 해보려고 하는듯

  • 아직은 초기 중에서도 초기로 보임

  • FO-PLP technology (Source: LS증권)

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CoWos (Chip on Wafer on Substrate, 2.5D packaging)

  • 서로 다른 칩을 silicon interposer로 연결하는 기술

  • Silicon interposer가 비싸다고 함

  • CoWoS/EMIB packaging (Source: LS증권)

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Hybrid bonding (3D packaging)

  • 범프를 사용하지 않음
  • 수평으로 그냥 연결해버리는 방식
  • 비용이나 수율 문제로 시스템 반도체 일부에만 도입되어 있음
  • Hybrid bonding 장비 업체
    • 네덜란드: BE Semiconductor Industries (ENXTAM: BESI) - 글로벌 독점
    • 국내: 한미반도체 (042700), 한화인더스트리얼솔루션즈 (489790) - 개발 중
  • 3D packaging (Source: LS증권)

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HBM (High Bandwidth Memory)

  • HBM market share (Source: LS증권)

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  • HBM NVIDIA qualification test schedule (Source: LS증권)

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  • HBM manufacturing process (Source: LS증권)

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  • HBM value chain (Source: LS증권)

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  • GDDR vs. HBM/HBM structure/HBM market share (Source: LS증권)

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LPCAMM (Low Power Compression Attached Memory Module)/PIM (Processing in Memory)

LPCAMM

  • 기존 노트북 DRAM은 탈부착이 가능한 SO-DIMM을 사용하는데, 전력 효율이 낮음
  • LPDDR이 AI 칩에서 사용되고 있음
    • 전력 효율이 더 좋으나 보드에 납땜이 되서 나옴
    • 근데 온보드로 나오면 당연히 탈부착보다 좋아야지… 하는 생각이 드는데
    • 뭐… 애플마냥 편의성은 버리고 램으로 가격장사하는 방식도 가능…
  • LPCAMM은 SO-DIMM과 LPDDR의 장점만 갖춘 형식

PIM

  • 메모리 내에서 일부 간단한 연산을 하도록 구현

  • Memory → CPU → GPU/Memory로 이어지는 CPU의 연산 독점을 해소하고자 하는 방안인듯

  • 병목도 줄이고 전력 효율도 높이고

  • LPCAMM/PIM structure (Source: LS증권)

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On Device AI

  • Training/Inference chip/AI edge device market share estimates (Source: LS증권)

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Glass substrate

유리 기판

  • 미세 선폭 구현

  • 대면적 수율 향상

  • 전력 무결성

  • Glass substrate comparison (Source: LS증권)

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Semiconductor market

  • Global market share by semiconductor value chain (Source: LS증권)

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  • Front-end process domestic value chain (Source: LS증권)

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  • Back-end process domestic value chain (Source: LS증권)

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References

  • 반도체 톺아보기 (2024-11-06, LS증권)

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