이주화 대표, 뮌헨 Ablit(에이블잇) 컨설팅 

차량용 반도체 시장의 급성장: 중앙 집중화와 생성형 AI의 부상

차량용 반도체 시장의 성장

2023년 글로벌 반도체 매출은 전년도 5741억 달러에서 8.2% 감소한 5269억 달러를 기록했다. 하지만 2023년 하반기부터 매출이 점차 반등하며 꾸준한 증가세를 보이고 있다. 이러한 회복세를 이끈 주요 요인 중 하나는 자동차 및 산업 부문의 매출 증가이다(Semiconductor Industry Association). 특히, 글로벌 차량용 반도체 시장은 2022년 153억 달러로 전체 반도체 시장에서 2.6%를 차지했으나, 2023년에는 200억 달러에 달하며 전체 시장의 3.7%를 차지했다(Yole Group).

차량용 반도체 시장은 크게 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU: Micro-Controller Unit)과 애플리케이션 프로세서 유닛(APU: Application Processor Unit) 부문으로 나뉜다. MCU는 주로 파워트레인과 바디 등 차량의 하드웨어를 제어하는 데 사용되는 반면, APU는 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS: Advanced Driving Assistance Systems) 및 차량 내 인포테인먼트 시스템(IVI: In-Vehicle Infotainment)과 같은 전장 시스템에 주로 적용된다.

차량의 전장화가 가속화되고 자율주행 기술이 발전함에 따라 차량용 컴퓨팅 반도체 시장은 빠르게 성장하고 있다. 특히, APU 부문의 매출은 2022년 전체 차량용 컴퓨팅 반도체 매출의 39%에서 2023년 53%로 큰 폭의 성장을 기록했으며, 이 중에서도 ADAS 관련 APU 부문의 성장이 두드러졌다(Yole Group).

ADAS: 중앙화와 AI 알고리즘 처리를 위한 고성능 반도체의 필요

ADAS는 차량에 탑재된 다양한 첨단 기술과 시스템을 통해 운전자의 안전과 편의를 극대화하는 역할을 한다. 카메라, 레이더(radar), 라이다(LiDAR) 등 다양한 센서를 활용해 차량 주변의 장애물, 보행자, 도로 상황 등을 실시간으로 모니터링하고, 이를 통해 운전자의 주행을 보조한다. ADAS의 대표적인 기능으로는 차선 유지, 충돌 방지, 자동 긴급 제동, 주차 보조, 후방 모니터링 등이 있으며, 각 기능은 관련 센서들이 수집한 데이터를 기반으로 작동한다. 수집된 데이터는 AI 기반의 소프트웨어, 즉 머신러닝과 딥러닝 알고리즘을 통해 실시간으로 처리된다. 이때 분석된 정보를 바탕으로 차량의 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit)에 신호를 전달해 브레이크나 조향과 같은 주요 하드웨어를 제어한다. 또한, ADAS 소프트웨어는 클라우드 시스템 또는 서버와 연결돼 지속적으로 학습하며 최신 교통 정보와 도로 상황을 반영할 수 있다.

ADAS는 자율주행 기술의 필수적인 요소로, 완전 자율주행으로 나아가는 중요한 단계를 구성한다. 글로벌 OEM들은 대부분 자율주행 레벨 2 수준에 도달한 상태이며, 일부 OEM들, 특히 테슬라와 중국의 전기차 제조사들인 Nio, Xpeng, Li Auto는 특정 조건에서 핸즈 오프(hands-off) 주행이 가능한 레벨 2+ 자율 주행 차량을 출시했다. 한편, 추가로 아이즈 오프(eyes-off) 주행 기술을 통합한 레벨 3 이상의 차량을 양산하는 제조사는 2024년 8월 기준으로 벤츠, 혼다, BMW에 불과하다. 자율주행 차량 개발은 대부분의 OEM들이 추구하는 미래 모빌리티 로드맵의 핵심 목표로, 앞으로 더 높은 수준의 자율주행 차량이 시장에 등장할 것으로 예상된다.

자율주행 기술의 발전은 운전 중 운전자의 개입을 최소화해, 결과적으로 운전자의 자유도가 증가한다. 반면, 차량이 처리해야 할 데이터의 양은 기하급수적으로 증가하면서, 기존 데이터 처리 방식인 각 센서에 할당된 개별 ECU에서 데이터를 분산 처리하는 것은 한계가 있다. 대용량 데이터를 빠르고 효율적으로 처리하기 위해서는 통합된 도메인 컨트롤러가 필수적이다. 이러한 중앙화된 ADAS 아키텍처는 다수의 센서에서 수집된 데이터를 실시간으로 통합 처리함으로써 자율주행 시스템의 정확성과 신뢰성을 더욱 높이는 역할을 한다. 나아가 이 같은 ADAS 아키텍처의 발전은 자율주행 기술의 진보에 있어 핵심적인 요소로 자리 잡고 있다.

인포테인먼트: 콕핏 프로세서의 중앙화와 생성형 AI 구현

현재 자동차 시장에서 전장화와 전동화가 핵심 트렌드로 자리 잡음에 따라, 고객들은 차량 구매 시 성능보다 안전 기능 및 운전자와 탑승자의 편의를 제공하는 첨단 기술을 우선시하는 추세가 두드러진다. ADAS가 운전자의 안전을 위한 다양한 기능을 제공하듯, IVI와 텔레매틱스는 주행 중 편의를 극대화하는 기능들을 제공한다. 이러한 기능들은 차량 콕핏에 탑재되며, ADAS와 마찬가지로 콕핏(Cockpit) 아키텍처 역시 중앙화의 흐름 속에 단일 중앙 도메인 컨트롤러로 통합되고 있다.

콕핏은 운전자와 탑승자가 주행 중 다양한 안전 및 편의 기능을 직접 체험하는 핵심 공간으로, 글로벌 OEM들은 고화질 디스플레이와 차량용 음성 비서 기능 등을 통해 스마트폰과 유사한 사용자 경험을 제공하는 데 주력하고 있다. 특히, 글로벌 OEM들은 클라우드 기반의 생성형 AI(Generative AI)를 차량에 적용함으로써 운전자와 차량이 상호작용하고, 고객의 요구를 즉각적으로 처리하는 개인화된 편의 기능을 구현한다. 예를 들어, 폭스바겐은 ChatGPT를 적용하고, Nio는 생성형 AI가 적용된 Nomi와 같은 자체 음성 서비스 솔루션을 적용함으로써 고객의 사용자 경험을 한층 더 향상시키고 있다.

<중앙화로 진화하는 차량 전기/전자 아키텍처와 이에 따른 고성능 반도체의 필요>

[자료: Yole Group 자료 정리]

차량 레벨의 전기/전자(E/E) 아키텍처의 중앙화와 고성능 차량용 반도체의 필요

ADAS와 IVI와 같은 도메인별 통합 컨트롤러의 도입은 차량 레벨의 전기/전자 아키텍처의 중앙화를 가속화하며, 기존의 분산형 구조에서 도메인 기반 아키텍처(Domain Architecture)로의 전환을 촉진했다. 특히, ADAS는 컴퓨터 비전을 통해 방대한 데이터를 수집 및 처리하는데 고성능 컴퓨팅 프로세서가 필수적이므로, 전장 아키텍처 중앙화의 핵심 동력으로 작용했다. 더 나아가, 신생 전기차 OEM들은 차량 개발 초기 단계부터 소프트웨어 중심의 차량을 목표로 설정해 데이터 수집 및 처리의 효율성을 극대화하는 한편, 전력 관리까지 최적화된 차량 아키텍처를 설계한다. 대표적인 사례로 Xpeng의 클러스터 도메인 아키텍처(Clustered Domain Architecture)와 테슬라의 조날 아키텍처(Zonal Architecture)가 있다. 중앙화된 전기/전자 아키텍처 채택으로 차량 내 ECU의 수는 감소했지만, 각 ECU가 담당하는 기능의 범위는 급격히 확장됐다. 이에 따라, 높은 연산 능력을 제공하는 고성능 차량용 컴퓨팅 반도체의 적용이 필수적으로 요구되고 있다.

차량 내 AI 알고리즘의 적용과 진화

차량에서도 고성능 프로세서가 탑재된 차량에서는 AI 알고리즘의 연산 및 처리가 가능해지며, 이를 통해 고도의 ADAS 기능들을 비롯한 자율주행을 구현될 수 있게 됐다. 대표적으로 그래픽 처리 장치(GPU: Graphics Processing Unit)와 신경망 처리 장치(NPU: Neural Processing Unit)에서 병렬적으로 처리돼 연산 속도가 크게 향상되며, AI의 실용성이 극대화된다. 예를 들어, 테슬라는 ADAS 프로세서에 주로 NPU를 적용해 자사에서 개발한 AI 알고리즘의 연산을 최적화했다. 반면, Nvidia의 Orin 차량용 SoC(System-on-Chip)는 OEM의 요구에 맞춰 다양한 AI 알고리즘을 최대한 효율적으로 처리할 수 있도록 GPU를 주로 적용했다.

<좌-생성형 AI 기반의 지능형 음성 비서 Xiao P, 우-Xpeng P7 모델에 적용된 Xiao P의 14가지 스타일> 

[자료: Xpeng 홈페이지]

ADAS는 주로 이미지 데이터 처리에 특화된 AI 모델의 연산을 담당하는 반면, 콕핏에서는 대규모 언어 모델(LLM: Large Language Model)을 기반으로 한 생성형 AI가 탑재돼, 운전자와 탑승자에게 한층 진화된 편의 기능을 제공한다. 예를 들어, Xpeng은 클라우드 기반으로 LLM을 활용한 AI 모델이 적용된 지능형 음성 비서인 ‘Xiao P’를 통해 운전자와의 대화를 기반으로 한 개인 맞춤형 편의 기능을 제공한다.

차량용 반도체 에코시스템의 변화와 OEM과의 전략적 관계의 중요성

차량용 반도체는 소프트웨어 중심 차량의 핵심 부품으로, 차량 브랜드의 전동화 기술력을 결정짓는 중요한 요소로 자리 잡고 있다. 반도체의 선택에 따라 차량의 아키텍처와 소프트웨어가 결정되며, 이는 반도체 공급업체를 변경하는 것이 매우 어렵고 비용이 많이 소요되는 것을 의미한다. 따라서 OEM들은 자연스럽게 반도체 공급업체에 대한 의존성이 높아지게 되고, 따라서 이들과의 전략적 협력 관계는 가격 협상 및 공급망 확보 측면에서 필수적이다. 반면, 테슬라를 비롯한 몇몇 중국 전기차 OEM들은 이러한 의존성을 줄이고 자사의 기술을 적용하기 위해 독자적인 반도체를 개발해 차량에 탑재하고 있다. 이러한 접근 방식은 많은 비용을 들 뿐만 아니라, 시장을 선도하는 반도체 설계 업체들과 경쟁할 만한 기술력과 자원이 필요하기 때문에 현실적으로 쉽지 않다.

특히, ADAS 프로세서는 차량용 반도체 중에서 특히 높은 연산 능력을 요구하며, 이 성능은 곧 탑재된 차량의 브랜드 기술력을 상징하는 요소로 작용하기도 한다. 대표적인 기업으로는 Mobileye와 Nvidia가 있다. Mobileye는 2023년 기준으로 글로벌 ADAS 프로세서 매출에서 41억 달러 중 거의 절반을 차지하며, ADAS 비전 프로세서(Vision Processor) 시장을 선도하고 있다(Yole Group). 주요 글로벌 OEM 파트너로는 BMW, VW, Stellantis 등이 있다. Nvidia는 전체 ADAS 프로세서 시장에서 11%의 점유율을 기록하며, 테슬라와 함께 ADAS 중앙 프로세서(Central Processor) 시장을 주도하고 있다. Nvidia는 고성능 반도체 공급 정책을 유지하며, 궁극적으로 하나의 칩에서 모든 ADAS 관련 기능을 수행하는 것을 목표로, 벤츠와 여러 중국 전기차 OEM들에게 (Nio, Xiaomi, Xpeng, BYD 등) 칩을 공급하고 있다.

콕핏 프로세서 분야에서는 퀄컴이 2023년 글로벌 시장에서 약 29%의 점유율을 기록하며 시장을 선도하고 있다(Yole Group). 퀄컴은 콕핏 어플리케이션 뿐 아니라 커넥티비티 부문에서도 두각을 나타내며, 대부분의 글로벌 OEM에 공급을 확대해 가고 있다. 이러한 기술력을 바탕으로 퀄컴은 ADAS 프로세서 분야로도 기술력을 점차 확장하며, 차량 프로세서 시장에서의 지배력을 강화하고 OEM의 의존도를 높이고 있다.

한편, ADAS와 IVI 기능을 하나의 프로세서에서 처리할 수 있는 통합 프로세서 개발이 최근 본격화되고 있다. 이 과정에서 ASIL(Automotive Safety Integrity Level)-B 이하의 비교적 낮은 수준의 안전 인증을 충족해야 하는 IVI 프로세서에 ASIL-D 수준의 높은 안전 인증을 충족하기 위해 더 높은 연산력을 필요한 ADAS 프로세서를 통합해야 하는 기술적 과제를 해결해야 한다. 대표적으로 Leapmotor는 Four-Leaf Clover 플랫폼에 적용했고, 퀄컴 역시 ADAS와 IVI 기능을 통합할 수 있는 아키텍처를 구현한 프로세서 개발을 발표했다. 이와 같은 퀄컴의 기술적 진보는 차량용 반도체 시장에서 더욱 강력한 지배력을 확보하게 될 것을 시사한다.

나아가 차량 내 생성형 AI 연산 능력을 효과적으로 실현하기 위한 위한 반도체 업체들 간의 협업도 시작됐다. 2023년 3월, Nvidia와 Mediatek은 전략적 파트너십을 발표하며 Nvidia의 GPU 칩렛(chiplet)에 Mediatek의 SoC를 접목시키는 방식을 통해 차량용 SoC에 Nvidia의 차량용 운영 체제와 병렬 연산 플랫폼인 CUDA를 포함한 AI 관련 소프트웨어를 구동함으로써 차량 내에 AI를 통해 ADAS 기능과 콕핏의 기능을 통합 및 관리할 수 있는 솔루션을 제공할 것이라 밝혔다.

<2023 COMPUTEX에서 발표된 Mediatek과 Nvidia 차량용 칩렛 협업 발표>

[자료: COMPUTEX Press Conference]

OEM과 차량용 반도체 업체 간 전략적 관계 형성

글로벌 OEM들은 급변하는 자동차 시장에서 변화에 대응하기 위해, 배터리와 차량용 반도체를 핵심 부품으로 정하고 차량용 반도체 업체들과 전략적인 협업 관계를 강화하고 있다. 특히, 코로나 팬데믹 동안 글로벌 공급망 관리 실패로 인해 발생한 생산 차질을 경험하면서, OEM들은 지속 가능한 공급망 관리의 중요성을 절실히 깨닫게 됐다. 이에 따라 OEM들은 주요 부품 공급업체들과의 긴밀한 협력 관계 구축이 필수가 됐다.

OEM의 공급망 관리 전략은 외부 소싱과 내재화로 나뉜다. 전기차의 핵심 부품인 배터리와 반도체는 가장 고가의 부품으로, OEM들은 배터리에 대해서는 자체 생산 계획을 세우고 있지만, 차량용 반도체는 외부 조달이 필수적인 품목이다. 이러한 상황에서 가격 경쟁력과 안정적인 공급망 확보는 OEM에게 중요한 과제로 자리 잡고 있으며, 이를 위해 ADAS와 IVI 프로세서를 구분해 여러 업체로부터 소싱하는 것을 선호한다. 결과적으로 OEM과 차량용 반도체 업체 간의 긴밀한 전략적 파트너십의 중요성이 더욱 부각됐고, 이를 통해 OEM들은 가격 경쟁력을 확보하고 안전한 공급망을 유지하고자 한다.

<폭스바겐 그룹 반도체 서밋>

[자료: Audi Sustainability 홈페이지]

폭스바겐 그룹은 배터리와 차량용 반도체를 핵심 부품으로 지정하고, 내부적으로 전략적 조달 관리 부서를 신설해 부품의 공급 안정성과 가격 경쟁력 확보에 주력하고 있다. 이를 위해 배터리와 반도체 공급 업체들과 정기적인 미팅과 긴밀한 소통을 통해 각 부품의 개발 진행 상황과 프로젝트 현황 및 OEM 내의 구매 전략과 연계해 공유하고 있다. 특히, 아우디는 폭스바겐 그룹을 대표해 2022년부터 매년 ‘반도체 서밋’을 개최하고 있으며, 이 행사에 주요 차량용 반도체 공급업체와 Tier 1, 2 협력 업체들을 초대한다. 행사 목적은 OEM 입장에서 유연하고 탄력적인 반도체 공급망을 구축하고, OEM의 반도체 사양 요구 사항을 사전에 공유함으로써 공급업체들이 수익성 높은 제품 라인을 확보하고, 궁극적으로는 안정적인 반도체 공급망을 확보함으로써 공급업체와 장기적인 협력 기반을 다지는 것이다.

시사점: 성공적 글로벌 비즈니스를 위한 차량용 반도체 협력사의 조건

고성능 차량용 반도체에 대한 수요가 급증하면서, 우수한 기술과 품질, 가격 경쟁력, 그리고 전략적 협업 가능성을 갖춘 차량용 반도체 협력사들에는 글로벌 시장 진출의 기회가 확대되고 있다. 특히, AI 알고리즘을 처리할 수 있는 고성능 반도체의 적용 가능성은 OEM의 전장화 기술력을 상징할 정도로 경쟁력 있는 기술력은 협력사를 선택하는 데 매우 중요한 기준이 되고 있다. 그러나 고성능 반도체의 도입은 가격 상승을 동반하기 때문에, 가격 경쟁력 확보가 그 어느 때보다 중요해지고 있다. 유럽의 경우, 러시아-우크라이나 전쟁으로 인한 에너지 비용 상승과 높은 물가로 인해 협력사들은 지속적인 비용 절감의 압박을 받고 있다. 이러한 환경에서 기술 개발을 통해 제품 자체의 가격 경쟁력을 높이는 동시에, 특히, 글로벌 협력사의 경우, 물류와 조달 과정의 비용을 최적화해 공급망의 안정성을 유지하면서도 가격 경쟁력을 강화할 수 있는 방안을 반드시 고려해야 한다.

또한, OEM과 반도체 공급업체 간의 전략적 장기 협업의 중요성이 점점 더 부각되고 있다. OEM들은 차량 사양에 맞춘 맞춤형 반도체를 요구하기 때문에, 이들과의 신뢰 기반 네트워킹은 공동 개발 또는 전략적 파트너십의 가능성으로 이어질 수 있다. 특히, 고성능 반도체는 OEM에 새로운 영역이기 때문에, 단순한 부품 공급을 넘어, 관련 협력사들과 전략적 관계를 바탕으로 지속적인 소통을 통해 기술적·사업적 이해를 도모하고자 하는 협업을 선호하는 분위기다.

이러한 협력의 출발점은 글로벌 OEM 그리고 반도체 공급업체들과의 네트워킹을 통해 그들의 실질적인 수요를 파악하고, 협업의 기회를 모색하는 것이다. 특히, 2024년 10월 16일 KOTRA 뮌헨 무역관 주최로 열리는 ‘Korea Europe Semiconductor Day’와 2024년 11월 12일부터 15일까지 뮌헨에서 열리는 ‘SEMICON EUROPA’와 같은 행사에 적극 참여함으로써, 차량용 반도체 시장의 변화를 학습하고 관련 기업들과 소통하며 비즈니스 기회를 창출하는 것은 글로벌 시장 진출의 시작이 될 것이다.

※ 해당 원고는 외부전문가가 작성한 정보로 KOTRA의 공식 의견이 아님을 알려드립니다.