중국 반도체 굴기의 미래 (번외편)

시리즈를 마무리했다고 생각했는데, 최근에 발간된 일본의 충격적인 보고서가 있고, 이 내용이 중국의 반도체 굴기와도 장기적으로는 연결되는 부분이 있어, 공유해 봅니다. 혹시 도배로 보인다면 죄송하다는 말씀 드립니다. 코멘트는 환영합니다. 제가 아는 범위 내에서 최대한 대응해 드리겠습니다.

*참고
1. 중국 반도체 굴기의 미래 1편: https://pgrer.net/freedom/87871
2. 중국 반도체 굴기의 미래 2편: https://pgrer.net/freedom/87922
3. 중국 반도체 굴기의 미래 3편 (완): https://pgrer.net/freedom/87930
4. 중국 반도체 굴기의 미래 부록편: https://pgrer.net/freedom/87937

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각국의 기술 경쟁은 표면적으로는 첨단 기술의 쟁패로 보이지만, 그 이면을 들여다 보면, 뿌리 단계부터 이미 경쟁은 격심해지고 있다. 대부분의 기술의 뿌리는 어디인가? 아마도 그것은 기초과학에 대한 학문적 연구에서부터 시작할 것이다. 당연히 세계 선진 각국은 자국의 기술력 강화와 독립성 쟁취 위해, 기초 과학에 대한 투자를 게을리하지 않고 있고, 이는 수 년에서 길게는 수십 년의 간격을 두고 결국 첨단 기술로 이어지기 때문에, 당장 내일의 경쟁력이 아니라, 다음 세대, 다다음 세대의 국가 경쟁력을 위해 더욱 집중적인 투자를 아끼지 않고 있다.

첨부한 첫번째 그림은 최근 일본에서 조사 보고된 각국의 최신 각 분야 연구 논문 점유율 분석 자료이다.*,**
*https://nistep.repo.nii.ac.jp/?action=pages_view_main&active_action=repository_view_main_item_detail&item_id=6700&item_no=1&page_id=13&block_id=21
**보다 간결한 KISTI 보고서 버전: http://mirian.kisti.re.kr/insight/insight.jsp

보고서에 나타난 것처럼, 지난 2016-2018년, 3년 간 해외 각 분야의 과학기술 관련 학술 저널에 출판된 연구 논문에 대한 주요국의 점유율이 상세하게 비교 분석되고 있다. 이 데이터에서, 검은색 선은 전체 논문, 빨간색 선은 상위 10% 인용도를 보이는 논문 (이른바 영향력이 있는 논문)의 점유율을 의미한다 (전체 논문 점유율은 절대 점유율로, 상위 논문 점유율은 상대 점유율로 보정됨).

우선 한국의 데이터를 보자. 잘 알려져 있다시피, 한국의 가진 최강의 기초과학 엣지는 역시 재료과학 (Materials science)이다. 그 다음으로 화학, 물리학, 공학이 평균 대비, 꽤 강세를 보인다. 상대적으로 지구환경, 임상의학, 기초생명과학 분야가 약세다. 재료과학은 전체 점유율과 비등할 정도로 상위 논문 점유율이 유지되는데, 이는 한국에서 나온 재료과학 논문들이 양과 질 모두 세계 탑클래스임을 의미한다. 이는 최근 20년 넘게 지속된 나노과학 분야에 대한 정부의 집중적인 투자가 빛을 발하고 있는 것으로 해석될 수도 있다. 화학 역시 비슷한 기조이지만 점유율 자체는 재료과학보다는 다소 낮다. 그래도 화학 역시 논문의 양과 질 모두 준수한 편이다. 다만 생명과학 쪽의 괴리가 조금 아쉬우며, 이는 한국의 생명, 의료분야 관련 기초 연구가 아직도 세계 수준에는 이르지 못하고 있음을 단적으로 보여 주는 지표다. 물론 이 역시 20년 전에 비하면 일취월장한 수준이기는 하다. 만약 투자가 지금처럼 지속되고, 특히 생명과학 분야의 벤처들의 성공 사례가 꾸준히 알려지면, 이 분야에 대한 투자 선순환이 이루어져서, 결국 생명과학, 임상의학 분야의 연구력도 제 궤도에 오를 수 있을 것이다.

이번에는 다른 나라의 데이터를 살펴 보자. 전반적으로 고른 논문 점유율을 보이고 있는 나라는 독일이며, 영국은 출판된 논문 점유율 대비, 상위 논문의 점유율이 훨씬 강력하게 분포하고 있다. 특히 영국은 임상의학과 기초생명과학, 지구환경과학이 강세다. 오히려 재료과학이나 공학은 상대적으로 큰 영향력이 없다 (물론 전 분야 다 탑 클래스다). 미국 역시 임상의학, 기초생명과학, 환경지구과학 분야가 강세이고, 물리학과, 재료과학, 화학도 강세를 보이는데, 공학은 그저그런 (점유율과 상위 점유율이 비슷) 수준이다. 미국의 제조업 경쟁력이 약화되고 있다는 추세와 일맥상통하는 부분으로도 볼 수 있다.

흥미로운 부분은 일본이다. 일본은 예상과는 다르게 학문 전 분야에서 그 영향력이 점점 줄고 있는 모양새다. 즉, 90년대 후반부터 거의 매년 과학 분야 노벨상을 배출해 온 과거, 그리고 지금까지의 영광을 앞으로도 재현할 가능성이 점점 떨어지고 있는 것이 여실히 보인다. 물론 여전히 화학과 물리학은 한국보다 상대적으로 강세지만, 논문의 점유율 대비, 그 영향력은 현저히 떨어지는 모양새다. 이러한 추세가 지속되면 대략 20-30년 정도의 시차를 두고 과학 분야의 원천 연구 결과가 노벨상으로 연결되는 것을 감안했을 때, 일본은 2020년대-30년대까지는 간혹 노벨상을 배출하겠지만, 2040년대 이후부터는 그럴 가능성이 매우 떨어질 것으로 예상된다. 일본의 공학과 재료과학, 수학 같은 분야에서는 오히려 그 영향력이 한국에 약간 못 미친다. 물론 논문 점유율, 영향력 논문 점유율만 가지고 학문의 영향력 전체를 논하기는 무리이지만, 이는 그 자체로도 정말 의외의 결과다. 또한 일본의 임상의학, 기초생물학 연구력 역시 생각보다 약하다. 상위 논문 점유율과 논문 점유율의 괴리가 가장 큰 분야로 보인다.

기초과학의 강국이라고 당연히 생각했던 프랑스의 결과도 충격적이다. 대부분 분야의 논문 점유율이 2-3% 수준이며 그나마 물리학이 상대적으로 강세이고, 나머지 분야는 프랑스의 위명을 생각하면 그저 그런 수준이다. 물론 기초과학기술 전 분야에 걸쳐 논문 점유율과 상위 논문 점유율이 크게 차이 나지 않고 있다는 부분은 프랑스가 고르게 알찬 연구를 하고 있는 것이라고도 볼 수 있겠지만, 화학, 물리학, 수학의 상위 논문 점유율은 한국과 딱히 차이나 보이지 않는다. 역시 의외의 부분이다. 임상의학, 기초생물학 분야 역시 대동소이하다. 전통의 독일은 확실히 화학, 물리학 점유율이 높은 편인데, 수학은 의외로 약한 모습을 보인다. 그래도 노벨상을 다수 수상한 과학기술 분야 전통의 선진국이라고 부르는 나라들 중, 제일 고른 축에 속하는 연구력을 보인다. 생각보다 생명과학, 임상의료의 연구 역량이 타분야 대비 우수하며, 공학은 의외로 다소 약한 모습을 보이고 있다. 독일의 제조업 경쟁력이 향후 어떻게 변할지 궁금해지는 부분이기도 하다.

그런데 이러한 데이터들은 별로 충격적인 것은 아니다. 오히려 가장 충격적인 데이터는 중국에서 나타난다. 지난 20년 간 논문의 편수뿐만 아니라, 그 질까지 급성장했다고 대략 알려져는 있었는데, 이렇게 최신 분석 결과를 보니, 그 성과가 더욱 두려울 정도로 눈이 부시다. 화학, 재료과학은 가히 세계 최강이라고 부를만한 수준이고, 공학, 수학 역시 어느새 탑클래스가 되었다. 물리학과 지구환경 쪽 역시 탑 클래스 등극이 눈앞에 온 것으로 보인다. 상대적으로 임상의학과 기초생물학 분야가 약해 보이지만, 이 마저도 탑 클래스가 되는 것은 시간 문제로 보인다. 특히 재료과학과 화학 논문의 영향력은 그 어떤 나라보다도 훨씬 크다는 점이 충격적이다 (첫번째 첨부 그림 참조). 더 경각심을 가져야 할 부분은, 이들의 영향력 상승속도가 세계에서 제일 빠르다는 점이다 (두번째 첨부 그림 참조).

앞서 중국의 반도체 굴기 시리즈에서 현재 상태의 중국 반도체 기술 수준이 타 선진국에 비해 2-3세대 정도 차이 난다고 이야기했지만, 사실 중국이 미국의 제재에 아랑곳하지 않고 존버하면서 계속 자력갱생을 밀고 나갈 수 있다면, 그 이면에는 아마도 이러한 기초과학 분야의 성과 누적이 자리잡고 있다는 자신감이 있을 것이다. 물론 기초 과학, 특히 반도체와 관련 있을 법한 물리학, 재료과학, 공학, 화학 분야의 연구 성과들이 바로 시차 없이 반도체 기술 분야의 경쟁력으로 이어지는 것은 아니다. 그렇지만, 어느 정도 시차를 두고 이러한 기초 연구 성과 중 상당 부분이 전략적으로 실제 차세대 반도체 기술로 이어질 가능성은 상존한다. 특히, 리쏘그래피 이후의 차세대 반도체 기술 성립은 신소재 개발이 핵심이다. TMDC (transition metal dichalcogenide) 같은 2D 화합물 반도체, 그래핀 (graphene) 같은 탄소 신소재, 반도체 나노와이어 (nanowire), 나노쉬트 (nanosheet), 나노막대 (nanorod), 나노리본 (nanoribbon), 양자 셀룰러 오토마타 (quantum cellular automata), gate all around (GAA) FET, 3진수 로직 구조, 4진수 로직 구조, 스핀트로닉스 (spintronics), 광컴퓨터 (optical computer), 실리콘 포토닉스 (silicon photonics), 스커미온 자성재료 (Skyrmion magnetic materials), 뉴로모픽 기술 (neuromorphic technology), 인공신경망이 물리적으로 구현 가능한 소재 (physical system for artificial neural network) 등, 아예 기존과 전혀 다른 개념의 소재나 소자의 아키텍쳐링이 이제는 점점 필요해지는 시점이 도래하고 있다. 이런 차세대 기술들은 회사에서보다는 연구의 큰 제약 없는 국가 연구소나 연구중심 대학교에서 하는 경우가 많은데, 연구비가 특수 장비나 소재 문제로 다량 소모되는 경우가 빈번하다 보니, 웬만한 나라들은 전략적으로 기초 R&D 투자를 전방위적으로 확대 감행하기 어렵다. 그런데 중국은 지난 20년 간 중앙 정부와 공기업, 지방 정부 차원에서 꾸준히 이러한 기초 연구들을 각 학교와 기관으로 경쟁적으로 밀어 주고 있으니, 결국 성과가 나오기 시작하는 것이고, 과거 몇 년 전만해도 인해전술이라고 비웃던 수준에서, 이제는 네이처 사이언스 급 논문에서도 심심찮게 순수 중국 저자들의 연구를 찾아 볼 수 있을 만큼, 이들의 실력은 괄목상대하고 있다. 10년만 더 지나면 아마 우리에게 알려진 각 분야의 저명 학술지 논문의 저자 절반이 중국인, 편집진의 대다수가 중국인, 심지어는 일부 저널 퍼블리셔의 절반도 중국 자본으로 넘어갈 수도 있다 (이미 그러고 있다). 학문의 주도권이 넘어가는 것과 기술의 주도권이 넘어가는 것은 일반인들 입장에서는 체감이 다를지 모르지만, 결국 이들이 시차를 두고 순차적으로 반영된다는 것을 생각하면, 이는 결코 마음 편하게 현재의 기술 격차로 안심할 수 있는 상황은 아니다.

다른 것보다 반도체 굴기의 맥락에서 보았을 때, 중국의 재료과학, 물리학, 화학 분야의 눈부신 약진이 한편으로는 부럽고 한편으로는 두려움으로 다가 온다. 이들 분야의 연구, 특히 신소재 개발을 위한 실험과학 분야의 연구는 실제로 신물질 특허, 신공정 특허로 쉽게 연결될 수 있고, 이를 바탕으로 중국의 수백, 수천 개 반도체 소재/공정/소자 관련 기업에서는 인력과 자본을 갈아 넣어 백 개 중에 한 개, 천 개 중에 한 개를 골라낸다는 각오로 신기술 개발에 매진할 수 있다. 우리나라가 백 개의 후보 소재 가운데 간신히 한 개의 신소재를 찾고 있을 때, 중국 연구진은 같은 시간 동안 만 개의 후보 소재 가운데 백 개나 찾아낼 수도 있는 것이다. 그리고 그 백 개의 물질을 모조리 특허 걸어 버리고, 원천 기술을 독점할 수도 있다. 차세대 반도체 기술의 breakthrough가 과연 어디에서부터 터질 것인지는 아무도 쉽게 예상할 수 없지만, 결국 이 100, 10,000개의 후보 기술 중에서 무조건 나와야 하는 사정을 생각한다면, 그리고 시간과 자원, 그리고 돈과 인력은 중국 편이므로, 중국은 차세대 반도체 기술 전쟁 국면에서 장기간 성 안에 틀어 박혀 버티기 모드로 들어 갈 자신감이 생길 법도 하다.

그렇지 않아도 신소재 선행 연구 관련하여 한국과 중국은 겹치는 포지션이 많다. 가장 대표적인 신소재 관련 저널인 Advanced Materials이나 Advanced Functional Materials 紙 같은 경우, 한 호에 나오는 수십 편의 논문 중, 적어도 절반 이상은 중국인이 주저자/책임저자인 페이퍼, 그리고 적어도 15-20% 정도는 한국인이 주저자/책임저자인 페이퍼로 이루어져 있다. 나머지는 일본, 유럽, 미국 저자들로 채워지고 있다. 결국 신소재 연구의 파이 싸움은 한국과 중국의 양강 구도로 흘러가는 모양새인데, 점점 중국인들이 그 포션을 넓혀가고 있고, 한국 연구진의 성과는 점점 경쟁에서 밀리는 형국이다. 아마 5년 내로 이들 highly prestigious 신소재 기술 관련 저널의 중국인 저자 비율은 70-80%까지 육박할 수 있고, 나머지 신소재 관련 ACS Nano, Nature Mater, Nature Nanotech, PRL, PRB, JACS, Chem Mater, Small, Angewandte Chemie 같은 저명 저널들에서의 추세도 그리 달라지지는 않을 것이다.

한국의 반도체 원천 기술 역시 이러한 재료과학 분야의 선행 연구가 반드시 백업이 되어야 하는데, 이런 맥락에서 볼 때, 사실 걱정스러운 점이 한 두 개가 아니다라는 결론에 이를 수 밖에 없다. 더 큰 문제는 중국이 양으로 음으로 중국 회사든, 중국 정부든, 연구비를 한국 연구자들에게 개방 형태로 수주하게끔 허락하는 경우인데, 그렇지 않아도 연구비에 목마른 한국 연구자들이 이러한 펀드를 받을 경우, 연구 IP가 중국에 귀속되는 것을 막을 방도가 별로 없다. 적어도 중국 측과 연구 성과를 공유해야 하며, 나중에 기술이전이라도 해야 할 경우가 생긴다면, 아마도 중국 회사가 협상 우선권을 갖게끔 조항이 삽입될 것이다. 재주는 한국인이 부리고 돈은 중국 회사가 버는 구조가 21세기에 다시 재현될 수 있다.

재료과학뿐만 아니라, 사실 중국은 학문 전 분야에 걸쳐, 그것이 응용이든 기초든, 가리지 않고 학문을 할 사람이라면 1,000인, 심지어 10,000인(?) 계획까지 내세우며 무조건 나라 가리지 않고 인재를 긁어 모으고 있으며, 성과에 비례하는 파격적인 인센티브를 책정함으로써, 상상 이상의 고액의 연봉을 보장함으로써 A, S급 세계 수준의 학자들을 대거 채용하고 있다. 조교수급 교원이라도 마음만 먹으면 풍족한 연구비 수주를 통해 몇 년 안에 랩에 50명 가까운 대학원생, 포닥이 우글거리게 만들 수 있을 정도다. 잘 나가는 조교수는 그 해 받아 가는 인센티브가 자신이 속한 대학의 총장 연봉보다 많은 경우도 허다하다. 5명짜리 랩에서 나오는 쥐어 짜 나오는 논문과, 50명짜리 랩에서 공장 돌리듯 나오는 논문이 맞붙는다면, 전투에서 누가 이길 것인지는 굳이 따져 보지 않아도 된다. 규모와 투자에서 밀리는 경우라면, 결국 밀리는 쪽은 전쟁에서 지지 않기 위해 선택과 집중을 할 수 밖에 없고, 양보다도 질에 집중하는 전략만이 살 길이 될 터인데, 문제는 중국은 선택과 집중이라고 할 건덕지도 없을 정도로 전 방위 투자를 미칠듯이 아끼지 않고 있고, 그 퀄리티도 예전과는 비교가 불가능할 정도로 매년 급상승 중이니, 한국은 이미 추월 당한 분야는 점점 격차가 벌어질 것이고, 아직 약간이라도 앞서 있는 분야마저 몇 년 안에 중국에 따라 잡히게 될 것이다. 전쟁에서 도저히 이길 방도가 보이지 않는 것이다.

가장 두려운 시나리오는 한국의 이공계 분야 기초, 응용 연구가 결국 중국에게 점진적으로 학문적으로 종속되는 경우인데, 앞서 이야기한 펀딩 문제와 더불어, 각 저명 저널의 편집진이나 리뷰어가 중국인으로 도배되었을 시, 중국과 어떤 식으로든 연계가 되는 학자들이 조금 더 유리해질 것이라는 점에서, 충분히 학문적으로 예속될 가능성이 보인다. 매년 급증하는 한국 내 중국 유학생, 특히 대학원생과 포닥들이 학위나 포닥 과정을 마치고 본국으로 귀국하는 경우 역시 점점 늘어날텐데, 그 과정에서 그나마 가지고 있던 한국 연구 중심대학들의 경쟁력은 점점 깎일 가능성도 문제적 요소다. 그렇지만 학문의 교류는 반도체 기술처럼 장벽을 친다고 해결될 수 있는 성질의 것이 아니다. 물론 억지로 중국인들을 과학 연구에 참여시키지 않는 것을 생각하는 미국의 정치인들도 일부 있을 수 있겠으나, 기술의 장벽과는 다르게, 학문의 장벽은 그 자유를 침해하고, 인종차별적 요소가 가득하다는 맥락에서 절대 허용되어서는 안 될 부분이다. 그것은 근본적으로 인류 문명과 존엄성을 퇴보시키는 행위이기 때문이다. 중국이 자국의 재정이 허락하는 한, 앞으로도 기초 학문 연구에 막대한 연구비를 지속적으로 쏟아 부을 것이고, 이는 시차를 두고 세계 속 중국의 학문적 포지션을 높이고 그 영향력을 강화시키는 것으로 발현될텐데, 우리나라는 이에 대해 군비경쟁을 무작정 따라 할 수도 없는 노릇이고, 결국 정부와 회사가 할 수 있는 한 최대로 연구개발에 매진하되, 고부가가치 분야로의 선택, 초격차를 위한 집중적인 전략 투자, 연구개발인력의 고급화와 정규직화, 세계 최고 수준에 맞춘 임금의 상향 보전 등으로 이 격차를 최대한 벌어지지 않게 매달리는 수 밖에 없다.

기술의 종속 이전에, 학문의 종속이 시작되면, 결국 우리집 마당의 감나무 뿌리를 이웃집에 통째로 내어 주는 격이 되고, 감나무 과실의 소유권은 결국 이웃집에게 먼저 돌아가게 되는 법이다. 한국은 정신 단디 차리고 이 백척간두의 상황에서 반드시 학문의 뿌리를 지켜야 한다. 판단을 그르치면, 찬 바람 부는 가을, 옆집으로부터 니네 불쌍하다고 말린 홍시 몇 조각 빌어 먹거나 얻어 먹는 신세로 전락할 수도 있다. 가을이 오기까지 시간은 그렇게 많이 남아 있지 않다.