차량용 반도체: IT반도체 기업이 아니라 자동차 부품 기업

차량 전장화는 기계식/유압식 장치를 대체하는 관점(자동차 대중화)에서 진행되었으나, 현재는 부품 대체가 아닌 편의성 강화(크루즈 컨트롤, 차량용 네트워크 등)로 가치 창출을 하고 있는 분야인데 차량용 반도체는 전장부품의 구성품으로 활용되고 있습니다.

기존 차량용 반도체(전력 반도체, ECU, 센서)는 과점화 및 자동차 공급망 내 고착화에서 전기차 도입으로 시장 규모가 확대되고 있음에도 신규 업체가 진입하기에는 높은 진입장벽을 보유하고 있습니다. 또한 다수 이해관계자 존재로 극심한 변화도 어려운 상황입니다.

특히, 자동차가 아닌 스마트폰 등 IT기술 기반 신규 진입자는 자율주행/통신 등 新반도체에서 기회를 찾아야 합니다. IT업종과 다르게 기술적인 변화가 매우 더딘 분야임에도 전기차 보급 트렌드로 인한 양적 성장을 무시할 수 없습니다. 기존 자동차 반도체는 크게 전력(Power) 반도체, ECU, 센서 반도체로 분류되다가 테슬라의 등장으로 자율주행 반도체가 탄생했습니다.

(1) 전력 반도체: 자동차 전장을 구성하는 기본 소재

전력 반도체는 전기 활용을 위한 변환(예: 교류→직류), 변압(예: 10V→100V), 분배 및 집합 기능을 수행합니다. 개별소자(다이오드, 트랜지스터), 파워IC(PMIC, Driver/Control IC)로 구분되는데 성능보다 중요한 '안전성' → 미세공정(高집적도) 필요성이 낮다는 특징을 가집니다.

· 완성차 업체와 조율 능력 필요: 자동차 부품(※ 자동차 부품수: 내연기관 3만 개, 전기차 1만 개)마다 요구 전압/전력이 달라서 1차 부품업체(보쉬, 콘티넨탈)가 완성차 업체와 이야기하며 직접 만드는 경우 많은 편

· 종합 반도체 모델(IDM) 중심: 지멘스(인피니온), ABB, 알스톰과 같은 중전(重電) 기업이 설계/제조를 자체적으로 담당

· 안전성 요구: 미세공정으로 인한 불량 리스크보다는 웨이퍼 크기 확장(8인치→12인치), 신소재(GaN, SiC) 개발로 대응

· 선단(Advanced) 미세공정을 요구하지 않으므로 증설 비용(CAPEX)은 적은 편

· 향후 경쟁력은 미세화보다는 신소재 대형 웨이퍼 구현 여부(신소재 웨이퍼 비용 축소)

글로벌 차량용 전력 반도체는 2020년 38억 달러에서 2025년 47억 달러로 성장(CAGR 4.7%. MarketsandMarketsTM)할 것으로 전망됩니다. 차량용 전력 반도체 주요 기업으로는 인피니온(독일), 온세미컨덕터(미국), 미쓰비시전기(일본) 등 상위 7개 기업이 시장의 70%를 점유하고 있습니다. 신규 업체의 진입이 어려운 분야로 (1) 자동차 완성차 업체에 대한 영업력 및 안정성 검증 요구 (2) 중전업체의 (기존 산업용으로 쓰이던 것을) 차량용 전력반도체 비중 확대 가능 등의 원인이 있습니다.

(2) ECU: 전기차 경쟁 심화, 수요가 갑자기 넘쳐버린 반도체 제품

ECU는 전기 신호를 제어하는 역할로 제어(특정 장치로 신호 전달, 예: On/Off), 연산(조건에 맞추어 결과값 도출) 수행을 합니다. MCU(Micro Controller Unit=CPU+ROM+RAM)는 기반 내장장치(임베디드 시스템)로 가전용으로 많이 사용되는데 (MCU 제조) NXP, 르네사스, ST마이크로, 인피니온에서 (ECU제작) 보쉬, 콘티넨탈, 델파이, 덴소로 변화하고 있습니다. 현재 출시되는 자동차는 모든 장비 하나하나(예: 엔진, 변속기, 에어백, ABS 등)마다 ECU가 들어갑니다. 완성차 1대 당 대략 70~100개 이상의 ECU를 사용합니다.

ECU 내 제공 기능별 연산 능력 수준의 차별화로 해당 제품도 종류가 많습니다(예: 자율주행 연산 VS 헤드라이트 On/Off). 파워트레인, 섀시 제어 등 주행 기능 반도체가 인포테인먼트, 통신과 같은 반도체보다 기술력이 더 요구되고 있습니다.

테슬라 '모델3'은 ECU의 집중화를 보여주는데 ECU 사용량이 5개에서 자동차 전장화가 진행되어도 ECU 사용량이 감소될 수도 있습니다. 터치스크린 조작을 통해 버튼별 ECU가 모두 제거되면, 공급망 관리 용이 및 재고관리 비용 감소, 네트워크 접속 용이성 등의 장점을 가지게 됩니다. 이는 자동차 공급망이 없어 발생한 혁신이지만, ECU 집중화로 오류 발생시 차량 시스템이 모두 정지되고, 모델 다양화가 어렵다는 단점이 존재합니다. 또한 기존 자동차 업체도 차량 각 장치의 정보를 하나로 모아 처리하는 '메인 ECU'가 있으나 효율성은 다소 떨어집니다. 향후 ECU의 패러다임 변화는 '테슬라'의 시장 점유율에 달려 있습니다(테슬라 점유율 올라가면 ECU 사용량 감소 가능성 있음).

글로벌 자동차 ECU 시장은 2019년 413억 달러에서 오는 2027년에는 685억 달러까지 성장할 것으로 전망됩니다(CAGR 6.6%, Bizwit Research). 높은 진입장벽 보유하고 있어 낮은 수익성(휴대폰/PC 대비 적은 반도체 수요 + 多품종으로 표준화 어려움)을 나타내는 반면 높은 품질을 요구받고 있습니다(안정성 측면).

(3) 센서/MEMS: 지금 프리미엄 옵션일 뿐이나 자율주행 시대에는 주요 부품으로 도약

센서는 차량 상황/외부 정보를 수신하여 전달하는 역할을 합니다. MEMS기반 센서는 반도체 기술을 응용하여 초소형화 센서를 구현합니다. 센서는 자동차 전동화(구동방식을 내연기관에서 전기모터로 전환)로 나아가는 핵심으로 완전 자율주행 시 핵심 장비로 부상했습니다. 고급차일수록 센서를 많이 사용하는데 현재는 자동차 핵심장비보다는 운전 편의성을 높이기 위한 부가적인 옵션으로 활용되고 있습니다.

자동차에는 소수의 고성능 센서(스마트폰)보다 다수의 저가형 센서를 채택하는 것이 효율이 높습니다. 대표적인 센서는 카메라(가시광선), 레이더(전파), 카메라를 기본으로 하여 레이더/라이다를 보조 센서로 주로 활용합니다. 카메라용 센서칩은 이미지센서이고, 자동차용 이미지센서 핵심 플레이어는 온세미컨덕터(미국)와 옴니비전(중국)입니다. 소니와 삼성은 모바일용이 차량용보다 수익성이 높은 데다가 고해상도 진전에 따른 초점 문제 존재로 자동차 분야의 진입이 소극적입니다.

레이더용 센서칩은 자동차용 레이더칩을 별도로 개발한 인피니온과 NXP가 주도권을 확보했습니다. 라이다는 테슬라에서 채택하지 않고 있습니다.(생산단가와 에너지 소모량이 레이더 대비 열위)

(4) 자율주행 반도체: 자율주행을 위해 태어난 차량용 반도체

자율주행 반도체는 새롭게 등장한 반도체 분야로 테슬라는 CPU-NPU 결합형태의 자율주행 반도체 칩(제품명: Full Self-Driving Chip)을 제작하고 있습니다. 테슬라는 초기 설계는 인피니온에 위탁하고 하드웨어는 엔비디아 GPU를 활용하다가 2017년부터 자체 설계로 전환했습니다.

상당한 미세공정 요구하는데 테슬라 FSD Chip 14nm(삼성과 5nm 공정 생산 연구 중)와 기존 반도체(60~100nm 내외)가 있습니다. 공급망 관점에서 IDM체제가 구축된 기존 반도체와 달리 자율주행 반도체는 설계(팹리스)-생산(파운드리) 형태로 진행될 것으로 기대됩니다. 자율주행 반도체 플레이어에는 테슬라(제품명: FSD-Chip), Nvidia(Tegra Xavier), 인텔(Mobileye EyeQ)가 있습니다.

결론: 자율주행 혁신 기업의 꿈이 검증 받는 시점.

단기적으로 전기차 시장 성장 수혜에 초점

7월에 있었던 테슬라 AI데이 개최에 많은 관심이 쏟아졌습니다. 자율주행 소프트웨어 알고리즘(신경망)이 진전되어야 하드웨어 요구 스펙도 올라가게 됩니다. 기존 자동차 산업은 다수 이해관계자 존재로 변화가 쉽지 않습니다. 자율주행 조기도입 및 공급망 단순화와 같은 혁신을 만들고 글로벌 판매 성과를 내는 자동차 기업은 현재까지 '테슬라'가 유일해 테슬라의 행보에 관심을 계속 집중되고 있습니다.

중장기적으로 테슬라, 엔비디아, 인텔(모빌아이)와 같이 자율주행 핵심 기술을 가진 기업이 유망하다고 판단하지만 현재 주력 사업에서 3사 모두 리스크 요인을 크게 받고 있습니다.

· 테슬라: 전기차 경쟁 심화. 개화 단계이나 완성차 업체들이 빠르게 전기차로 대응하면서 점유율 감소 우려 커짐

· 엔비디아: 7월 20일 액면분할 상장 앞두고 주가 급등. 중국 가상화폐 채굴장 단속 이후 중고 GPU 가격 하락 중

· 인텔: CPU 미세공정 지연으로 AMD에게 점유율을 빼앗기고 있음. 인텔 CPU 점유율 데스크탑 50%, 서버 95%

단기적으로 기존 자동차 반도체칩 생산 업체로 접근하고 있습니다. 현재 자동차 반도체칩 부족 현상이 MCU 생산 문제로 지적되는 만큼 반도체 공급 정상화와 향후 전기차 시장 확대에 따른 전력/ECU 업체의 양적 성장을 기대할 수 있습니다.

자동차 반도체 수급 정상화 과정에서 차량용 반도체 투기성 재고 물량 출회가 가능하나 전기차 시장 확대 속도를 감안하면 영향력은 제한적일 것으로 보입니다(전기차 시장 규모 성장 속도: 2020~2030 CAGR 29%, Deloitte).

출처 : 미래에셋증권 웹진
기고 : 글로벌주식컨설팅팀 한인섭 선임매니저