[차세대 반도체 전쟁 제2막](中) 폭발적으로 늘어나는 전력소모 '전력 반도체' 급부상

[편집자 주] 반도체 시장이 급변하고 있다. 오랜 시간 CPU(중앙처리장치)와 메모리 반도체 중심이었던 반도체 시장은 인공지능(AI) 기술 빅뱅 이후 GPU(그래픽처리장치) 중심으로 급히 재편됐다. AI가 부른 변화의 물결은 멈추지 않고 있으며, AI 반도체와 광학 반도체 등 새로운 반도체들의 등장을 예고하고 있다. 반도체 기술 혁신의 최전선에서 펼쳐질 미래를 함께 탐구하며, 다가올 기술적 변혁과 그에 따른 새로운 기회를 조명해본다.

첨단 ICT 기술의 발전으로 산업계가 필요로 하는 전력량이 폭발적으로 증가하며 전력 반도체가 차세대 반도체 시장의 주인공으로 부상하고 있다.

전력 반도체는 전력 관리 및 변환에 중요한 역할을 하는 반도체 소자로 전기차, 재생 에너지 시스템, 산업 자동화, 데이터센터 등 다양한 분야에서 활용된다.

27일 <메트로경제> 의 취재에 따르면 전세계적으로 클라우드 컴퓨팅과 생성형 인공지능(AI) 등 데이터센터의 전력 소모량이 폭발적으로 증가하고 유럽연합(EU)의 탄소배출 규제 시행이 닥쳐오며 전력 반도체가 주목 받고 있다.

지난 1월 IEA는 향후 2년간 전세계 에너지 사용량에 대한 전망을 발표하면서 데이터센터와 암호화폐, AI에 관련된 전력 소비를 예측했다. IEA에 따르면 지난 2022년 전세계 데이터센터의 최종 전력 수요 비중은 2%였다. 그러나 2022년 말 생성형 AI 기술 빅뱅 이후 데이터 센터의 전력 소모량은 폭발적으로 증가했다. OpenAI의 GPT-3 등 대규모언어모델(LLM)을 훈련하는 데는 약 1300MWh의 전기가 사용되는데, 이는 미국 약 130가구 의 연간 소비량에 맞먹는다. 심지어 AI 모델 훈련에 필요한 전력 에너지는 2012년 이후 3.4개월 마다 2배 이상씩 증가하고 있어 2030년 전세계 데이터 센터가 연간 사용하는 전력 소모량은 전체 전력 소모량의 7% 이상에 달할 전망이다. 인도의 연간 전력 소모량과 맞먹는다.

이미 주요 반도체들의 개발 목표 지향점은 전력 소모량 절감이지만, 전력 반도체는 메인 반도체의 전력 소모량에도 직·간접적 영향을 미쳐 중요성이 커지는 중이다. 특히 지난해 EU 배출권거래제(ETS) 혁신안이 잠정 합의되면서 산업계 전반에서 고성능 첨단 전력 반도체 수요가 늘고 있다.

최근 전력반도체는 기존의 실리콘(Si) 기반 소자에서 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 새로운 소재를 사용하는 화합물 전력반도체로 진화하면서 더 높은 전압 및 온도에서 동작할 수 있도록 발전했다. 특히 SiC와 GaN 소자는 전기차와 고효율 에너지 변환 시스템에서 중요한 역할을 하고 있어 탄소 배출 절감 효과도 보인다. 시장조사업체 올디벨롭먼트에 따르면 SiC 반도체는 2021년 10억 달러에서 2027년 62억 달러로 연평균 34% 성장할 전망이다. GaN 반도체는 2021년 1억2천만 달러에서 2027년 20억 달러로 연평균 59% 성장할 것으로 예상된다.

삼성전자와 SK그룹 또한 SiC·GaN 전력반도체 개발 경쟁에 나섰다. 업계는 국가별 화합물 전력 반도체 시장 점유율을 유럽연합(54%), 미국(28%), 일본(13%) 순으로 보는데, 우리나라의 점유율은 2% 이하로 본다.

SK그룹은 지난 2020년부터 미국 듀폰 SiC 웨이퍼 사업부를 인수하며 현지에 자회사 SK실트론CSS를 설립해 SiC에 6억 달러 규모의 투자계획을 실행 중이다. SK실트론CSS는 2022년 11월 미국 RF 반도체 업체 코보와 올해 1월 독일 인피니언과 SiC 웨이퍼 장기 공급 계약을 체결하기도 했다. 파운드리 기업인 SK키파운드리 또한 GaN 전력 반도체 생산에 주력하면서 2022년 정식 GaN 개발팀을 구성했다. 최근에는 650V GaN HEMT(고전자 이동도 트랜지스터) 소자 특성을 확보했으며, 향후 SiC까지 라인업을 넓힐 계획이다. SK파워텍은 특히SiC 전력 반도체에 주력, 2022년 예스파워테크닉스 지분 95.8%를 1200억 원에 인수했다.

삼성전자는 파운드리에서 전력반도체 생산 준비를 이어가고 있다. 지난 2023년 삼성전자는 삼성전자는 컨슈머, 데이터센터, 오토모티브 향으로 2025년 8인치 GaN 전력반도체 파운드리 서비스를 시작한다고 밝힌 바 있다.