"미세화 한계 봉착, 해법은 AI 신소재"… 美 어플라이드 "소재 강국 日과 초협력"

실리콘 웨이퍼 위 회로 선폭을 좁혀 집적도를 높여오던 반도체 미세화(Scaling) 기술이 양자역학적 한계와 극심한 발열이라는 물리적 벽에 부딪힌 가운데, 세계 최대 반도체 공정 장비 기업인 미국 어플라이드 머티어리얼즈(Applied Materials·AMAT)가 인공지능(AI)을 활용한 차세대 반도체 신소재 발굴을 전면에 내걸고 소재·부품·장비(소부장) 강국인 일본 생태계와의 협력을 대대적으로 강화하고 나섰다.

기존 실리콘 기반 물질의 한계를 뛰어넘을 새로운 원자 단위 화합물과 유전체 소재를 선점하는 것이 향후 AI 반도체 패권의 승부처로 떠오른 데 따른 행보다.

특히 장비, 소재, 부품부터 첨단 패키징까지 전 공급망이 완벽히 집적된 유일한 국가인 일본의 인프라를 활용해 차세대 AI 반도체 공정 전환을 주도하겠다는 포석이다.

9월 14일(현지시각) 일본 종합 경제 미디어 닛케이 아시아(Nikkei Asia) 인터뷰 보도에 따르면, 어플라이드 머티어리얼즈 일본법인을 총괄하는 나카오 히토시(Hitoshi Nakao) 대표는 닛케이와의 단독 인터뷰에서 "미세화의 물리적 벽을 돌파할 유일한 대안은 혁신적인 재료공학이며, 이를 가속하기 위해 AI를 연구개발 전반에 전격 도입했다"고 밝혔다.

나카오 대표는 향후 반도체 산업에서 가장 결정적인 경쟁 기준으로 주저 없이 '재료 기술(Material Technology)'을 꼽았다.

그는 "지난 수십 년간 반도체의 성능 확장은 기본이 되는 물리적 재료의 근본적 변화 없이 선폭을 좁히는 방식으로 진행되어 왔다"며 "그러나 선폭이 2나노 이하로 좁아지면서 전자 누설과 저항 증가 등 전통적인 소형화 기술의 한계가 명확해졌다"고 진단했다.

이어 "소형화를 대체하고 보완할 수 있는 완전히 새로운 물성의 신소재 도입이 불가피하다"고 강조했다.

어플라이드 머티어리얼즈는 강점인 원자층 증착(ALD)과 재료공학 기술에 AI 알고리즘을 결합해 수만 가지 화합물 후보군 중 최적의 원자 조합과 반응 특성을 초고속으로 시뮬레이션하는 시스템을 가동하고 있다.
나카오 대표는 "AI 신기술을 통해 신소재 선정과 분석 속도를 비약적으로 끌어올리고 있다"며 "일본 기업을 포함한 글로벌 파트너사들과 손잡고 이 혁신 소재들을 양산 라인에 신속히 도입해 반도체 산업 전체의 구조적 변화를 이끌 것"이라고 역설했다.


어플라이드 머티어리얼즈가 일본 시장에 집중하는 이유는 독보적인 '소부장 클러스터의 완결성' 때문이다.

나카오 대표는 "일본은 제조 장비, 화학 소재, 정밀 부품, 완성 칩 제조 장치 등 반도체 생산에 필요한 모든 기능적 사슬이 한 국가 내에 모여 있는 세계 유일한 지역"이라며 "다양한 플레이어가 집중되어 있어 복합적인 실험과 파일럿 개발을 가장 빠르게 진행할 수 있는 최적의 환경을 갖추고 있다"고 평가했다.

특히 생성형 AI의 폭발로 GPU와 고대역폭 메모리(HBM)를 수평·수직으로 엮어내는 2.5D 및 3D '첨단 패키징(Advanced Packaging)' 기술이 핵심 병목으로 떠오르면서, 이 분야의 전통 강자인 일본의 위상이 다시금 급부상하고 있다는 설명이다.

어플라이드 머티어리얼즈는 일본 현지 소재 기업 및 후공정 파트너들과 차세대 기판 및 하이브리드 본딩 공정 개발을 위해 긴밀한 공동 연구를 확대하고 있다.


나카오 대표는 반도체 부활을 노리는 일본과 글로벌 업계 공통의 최대 위협 요인으로 '전문 인재의 극심한 부족'을 지목했다.

그는 "차세대 반도체 인재를 적극적으로 육성하지 못한다면, 엔지니어링 기술 인력 결핍으로 인해 산업 전체의 성장 속도가 둔화될 위험이 매우 크다"고 경고했다.

이를 타개하기 위해 어플라이드 머티어리얼즈는 지난 8월 일본 진출 이래 최초로 현지 대학생 대상 인턴십 프로그램을 전격 론칭했다.

단순 채용 설명회를 넘어 대학 내 STEM(과학·기술·공학·수학) 아웃리치 강좌를 개설하고, 지방정부 및 교육 기관과 연계해 학생들이 실제 수십억 원을 호가하는 첨단 반도체 공정 장비를 직접 가동하고 다뤄볼 수 있는 실무 교육 과정을 대폭 확충하고 있다.

어플라이드 머티어리얼즈의 AI 기반 신소재 개발과 일본 소부장 연대 강화는, 향후 ‘무어의 법칙이 물리적 한계에 부딪힌 포스트 미세화 시대에 원자 단위 재료 혁신과 첨단 패키징을 통해 AI 연산 성능의 새로운 돌파구를 열려는 글로벌 반도체 장비 공룡의 기술적 승부수’인 동시에 ‘장비와 소재가 결합된 일본의 완결형 반도체 클러스터를 글로벌 테크 기업들의 필수 불가결한 첨단 R&D 전초기지로 재각인시키는 중대한 이정표’로 작용할 전망이다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com