[서울=뉴스핌] 황숙혜 기자 = 양자 컴퓨터 칩(Quantum Chip)은 일반 PC나 인공지능(AI) 용 GPU(그래픽 처리장치)와는 전혀 다른 종류의 제조 공정을 필요로 한다.

제조 장비부터 차이가 발생하는 이유는 양자 칩의 작동 원리와 재료가 다르기 때문이다. 작동 원리 측면에서 양자역학적 중첩 상태가 요구되고, 재료의 경우 실리콘이 아닌 초전도체를 기반으로 하는 양자 칩은 특수한 나노 가공과 극저온 공정, 초고진공 환경이 필수적이다.

일반 PC나 AI 칩의 경우 트랜지스터를 기본 소자로 하는 반면 양자 칩은 조셉슨 접합(Josephson Junction) 기반의 큐비트(qubit)를 기본 단위로 하고, 실온에서 작동하는 PC나 AI 칩과 달리 양자 칩은 극저온에서 작동한다.

PC와 AI 칩을 제조하기 위한 설비에는 노광 장비(EUV)와 식각기, 증착기 등이 포함되는 데 반해 양자 칩 제조에는 금속 박막 증착과 전자빔 리소그래피, 산화 및 재증착기 등의 설비가 요구된다.

테스트 장비도 상이하다. 전기적 신호 테스트가 일반적인 PC와 AI 칩과 달리 양자 칩은 마이크로파 공진 및 양자 코히런스(일관성) 측정이 필요하다.

일정 부분 교집합도 존재한다. 양자 칩이 에칭이나 리소그래피 등 일반 반도체 칩의 제조 공정을 공유한다. 하지만 조셉슨 접합을 수 나노미터 단위로 증착, 산화, 재증착해야 하기 때문에 고도로 정밀한 파라미터 제어가 요구된다.

조셉슨 접합은 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연체가 존재하는 구조다. 즉, 초전도체와 절연체, 초전도체 순의 구조를 이루는데 절연층이 최대한 얇아야 초전도 전자 쌍의 터널링이 원활하게 일어난다.

조셉슨 효과는 외부 전류나 자기장이 없을 때에도 초전도체 간의 위상 차이에 따라 전압이 발생하는 현상으로, 양자 컴퓨터 이외에 초고감도 센서와 디지털 소자 등 첨단 기술에 접목된다.

테크크런치 등 미국 IT 전문 매체에 따르면 초전도 양자 칩을 제조하기 위해서는 몇 가지 특수 장비들이 필요하다.

나노 단위의 패턴 정밀도를 요구하는 전자빔 리소그래피 장비(e-beam lithography)와 알루미늄 등 초전도 금속을 원자 단위로 증착하기 위한 초고진공 금속 증착 시스템(e-beam evaporator), 조셉슨 접합의 터널 절연층을 수 나노미터 두께로 형성하기 위한 산화 챔버(oxidation chamber), 15~20mK 환경에서 큐비트의 코히런스와 오류율을 측정하는 데 필요한 극저온 측정 설비(dilution refrigerator) 등이 특수 장비에 해당한다.

현재까지는 AI 칩 수요가 양자 칩에 비해 압도적으로 높다. AI 칩이 실수요를 형성한 데 반해 양자 칩은 아직 실험실 단계에서 소량 생산하는 실정이다. 하지만 시장 전문가들은 2030년 이후 상황이 역전될 가능성을 점친다.

양자 컴퓨터를 본격적으로 생산하기 시작하면 관련 칩과 장비에 대한 수요도 폭발적으로 늘어날 것이라는 전망이다. 다만, 양자 컴퓨터가 고가의 특수 용도에 쓰이는 장비라는 점에서 절대적인 생산 규모는 AI 칩보다 적을 것으로 시장 전문가들은 예상한다.

◆ 어플라이드 머티리얼스 = 세계적인 반도체 장비 업체 어플라이드 머티리얼스(AMAT)은 최근 수 년간 반도체 제조의 정밀도를 양자 컴퓨팅 영역으로 확장하며 이른바 양자 하드웨어의 대량 생산과 균질화를 실현하는 데 에너지를 집중하고 있다.

어플라이드 머티리얼스 칩 제조 장비 [사진=블룸버그]

업체는 1967년 창사 이후 수 십년간 축적한 반도체 제조 역량을 적극 활용해 대규모 양자 컴퓨터 구축에 필요한 특수 소재와 장비를 개발하는 데 공격적으로 뛰어들었다.

중점 연구 분야는 크게 다섯 가지로 구분된다. 먼저, 소재 공학(materials engineering)이다. 안정적인 큐비트를 구현하기 위해 불순물 없는 인터페이스를 형성하고, 노이즈를 줄여 오류 원인을 억제하는 기술이 여기에 해당한다.

업체가 캐나다의 양자 컴퓨터 업체 자나두(Xanadu)와 공동으로 진행중인 광자 양자 컴퓨팅(photonic quantum computing) 프로젝트는 초전도 전이 가장자리 센서(TES)의 300mm 제조 공정 개발을 목표로 한다.

두 개 업체는 전략적 파트너십을 체결하고 광자 양자 컴퓨팅의 핵심 감지 기술인 광자 수 분해 검출기(PNR)를 구현하는 초전도 전이 가장자리 센서(TES)용 300mm 대량 생산 호환 제조 공정을 개발하고 있다.

TES는 자나두의 큐비트 상태 조정 기술에 핵심으로, 안정적이면서 확장 가능한 양산은 내결함성(fault0tolerant) 실용적 규모의 광자 양자 컴퓨터 구축에 필수적인 요소로 꼽힌다.

어플라이드 머티리얼스는 첨단 소재 공학 및 공정 제어 전문성을 제공하고, 자나두는 양자 시스템 확장을 위한 TES 아키텍처와 통합을 주도한다. 두 업체는 데이터센터 급 양자 컴퓨팅을 위한 칩의 수율 및 품질, 더 나아가 처리량과 신뢰성 확보에 궁극적인 목표를 두고 있다.

주요 외신에 따르면 양사는 과거 진행했던 공동 연구를 기반으로 2025년 말까지 300mm 기반 TES 제조 시연 단계로 진입할 전망이다.

자나두 측은 이번 파트너십이 광학 손실을 줄이고 검출기 성능을 향상시켜 모듈형 및 네트워크형 양자 아키텍처를 실현한다는 업체의 장기 로드맵의 일환이라고 설명한다. 아울러 연구실 수준의 시제품을 상업용 생산 시스템으로 확대하기 위한 핵심 기반을 다지는 과정이라는 얘기다.

어플라이드 머티리얼스는 이와 별도로 큐오랩(Qolab)과 손잡고 오류율이 낮고 균일한 초전도 큐비트(superconducting qubit) 제조 공정의 로드맵을 구축하고 있다.

큐오랩은 어플라이드 머티리얼스의 벤처캐피탈 자회사 어플라이드 벤처스가 대규모 투자를 강행해 2022년 출범한 스타트업이다.

실용적인 양자 컴퓨터의 열쇠에 해당하는 고품질의 큐비트를 대규모로 생산하는 데 목적을 두고 창사한 큐오랩은 2023년 초기 실험에서 300mm 첨단 반도체 공정을 사용해 고품질 큐비트의 대량 생산 가능성을 입증해 IT 업계의 시선을 끌었다.

당시 기술적인 돌파구를 근거로 어플라이드 머티리얼스는 큐오랩과 협력해 큐비트 제작에 특화된 설비 구축을 추진했다.

업체는 또 큐오랩과 공동으로 확장 로드맵(roadmap for scaling)을 구축하기 위한 프로젝트를 진행하고 있다. 큐비트 규모를 수 백 개에서 수 백만 개까지 확장하는 데 목표를 둔 연구다.

마지막으로, 어플라이드 머티리얼스는 기존의 반도체 생산 및 공정 인프라를 활용해 양자 공정에 맞게 응용하는 한편 확장성을 높이는 데 주력하고 있다.

어플라이드 머티리얼스 주가 추이 [자료=블룸버그]

업체의 양자 관련 비즈니스는 개발 단계이기 때문에 실적에 아직 기여하지 못하는 상황. 경영진은 장기적인 성장 포석으로 관련 프로젝트에 투자하고 있다.

최근까지 업체의 실적은 호조를 나타냈다. AI 칩 수요가 늘어나면서 관련 장비 시장도 훈풍을 내고 있기 때문. 7월 종료된 2025 회계연도 3분기 매출액은 73억달러로, 전년 동기에 비해 7.73% 늘어난 동시에 월가의 전망치인 72억2000만달러를 웃돌았다.

같은 기간 조정 주당순이익(EPS) 역시 2.48달러를 기록해 애널리스트 전망치인 2.36달러를 상회했다. 3분기 이익은 전년 동기에 비해 8.29% 늘어났다.

다만 전망치가 투자자들의 기대치에 미달했다. 회계연도 4분기 조정 주당순이익(EPS) 전망치를 2.11달러로 제시해 월가의 예상치인 2.39달러를 밑돌았고, 매출액 전망치 역시 67억달러로 월가가 예상하는 73억4000만달러에 못 미쳤다.

경영진은 트럼프 행정부의 관세 정책과 불확실성을 보수적인 전망치의 배경으로 지목했다. 특히 중국 비즈니스가 둔화될 수 있다는 경고다.

실적 전망에 대한 실망감에 업체의 주가가 일시적으로 하락 압박을 받았지만 연초 이후 주가 흐름은 우상향 곡선을 그렸다.

나스닥 시장에서 거래되는 업체의 주가는 10월16일(현지시각) 227.72달러에 거래를 종료해 연초 이후 39% 상승했다. 이는 같은 기간 S&P500 지수 상승폭인 13%를 세 배 앞지르는 수치다. 최근 1년과 5년간 주가 상승률은 각각 23%와 261%로 집계됐다.

최근 투자은행(IB) 업계는 어플라이드 머티리얼스의 주가 전망을 낙관하는 의견을 쏟아냈다. 뱅크오브아메리카(BofA)가 10월13일자 보고서를 내고 업체의 목표주가를 250달러로 상향 조정한 한편 투자 의견을 '매수'로 올렸다. 최근 종가 대비 10% 이내로 추가 상승하는 시나리오를 제시한 셈이다.

보고서는 D램 생산에 대한 투자가 확대된 데 따라 2026년 웨이퍼 수요가 큰 폭으로 늘어날 것으로 내다봤다. AI 인프라 붐이 D램의 한 종류인 고대역 메모리 칩의 수요를 확대하는 한편 데이터센터용 D램 칩의 수요 상승을 부추기고 있다는 설명이다.

같은 날 스티펠도 보고서를 내고 어플라이드 머티리얼스의 목표주가를 215달러로 높여 잡고, '매수' 투자 의견을 내놓았다.

이어 캔터 피츠제럴드가 보고서를 통해 업체의 목표주가를 250달러로 높여 잡고, 반도체 장비 섹터의 '베스트 아이디어' 종목 리스트에 편입했다. 강력한 D램 수요와 낸드형 업그레이드가 맞물려 대만 파운드리 업체 TSMC(TSM)의 설비 투자가 확대, 어플라이드 머티리얼스에 반사이익을 제공할 것이라는 관측이다.

◆ KLA 코퍼레이션 = 웨이퍼 검사 시장에서 독보적인 세계 1위를 달리는 미국 반도체 장비 업체 KLA(KLAC)도 양자 컴퓨팅 시대를 주도할 유망주로 꼽힌다.

어플라이드 머티리얼스와 마찬가지로 기존의 기술과 장비를 양자 컴퓨팅에 최적화 하는 방향으로 확장하는 움직임이다.

KLA의 웨이퍼 검사 장비 [사진=업체 제공]

시장 전문가들도 업체가 이미 보유한 정밀 계측 및 검사 기술 전문성이 양자 칩의 품질과 신뢰성을 보장할 것으로 기대한다.

KLA는 양자 컴퓨터를 직접 개발하지 않지만 칩 제조 및 품질 관리 인프라를 제공하는 핵심 장비 업체로 입지를 구축했다.

보도에 따르면 업체는 지난 2021년 인도의 명문 공과 대학 IIT 마드라스와 공동으로 양자 컴퓨팅 및 반도체 계측 연구 협력을 공식화 했고, AI와 병렬 컴퓨팅, 양자 응용 분야까지 협력 범위를 확대했다.

업체는 미국 미시건 주에 소재한 AI 물리 모델링 센터를 통해 양자 효과로 인한 미세 결함을 감지하는 물리 기반 알고리즘 연구를 진행중이다.

업체는 미세 검사 장비로 10nm 이하 수준의 결함도 식별할 수 있다고 밝혔다. 더 나아가 양자 효과에 따른 회로 이상 탐지 기술 개발에도 속도를 내는 모습이다.

반도체 업계의 공정 제어(process control) 분야에서 독보적인 기술력을 가진 KLA는 양자 칩 제조 부문에서도 강력한 존재감을 드러내고 있다.

양자 회로는 극도로 민감한 초전도층 또는 광자 소자를 포함하기 때문에 나노 결함과 두께의 편차, 오염 제어가 큐비트의 코히런스 품질을 좌우한다.

업체는 이미 양자 칩 제조에 필요한 기술과 장비를 확보했다는 평가다. 스펙트라필름(SpectraFilm)을 포함한 초박막과 균일도 측정을 위한 장비와 X선 기반의 구조 및 프로파일 측정 장비인 악시온 X-레이 CD(Axion X-ray CD), 웨이퍼 전면과 후면, 엣지를 동시에 검사해 초정밀 결함을 제어하는 CIRCL 시리즈, 전압 콘트라스트 이미징으로 전기적 단선 및 누설을 탐지하는 eS800 시리즈 등이 대표적이다.

이들 기술은 현재 양자 소자용 사파이어와 실리콘, 니오븀 기판의 품질 검증에도 활용된다. KLA는 직접 큐비트를 제작하지 않지만 양자 칩 신뢰성 보증에 필요한 계측, 검사, 공정 모니터링 인프라의 표준 공급자로 자리잡았다는 평가다.

오펜하이머는 보고서를 내고 "KLA가 가장 성과가 좋은 양자 테마주 가운데 하나"라며 "업체가 양자 칩 공정에서 검증과 측정, 인터페이스 구축 능력을 확보하고 있다"고 전했다.

업체의 최근 분기 실적은 합격점이었다. 2025년 2분기 매출액이 31억7000만달러로 전년 동기 대비 23.59% 증가했고, 조정 주당순이익(EPS)는 9.07달러로 전년 동기에 비해 46.76% 뛰었다.

나스닥 시장에서 거래되는 KLA의 주가는 10월16일(현지시각) 1098.80달러에 거래를 마감해 연초 이후 약 73% 랠리했다. 1년과 5년 수익률은 각각 64%와 427%로 집계됐다. 주가는 10월 초 장중 기준 1155달러까지 치솟으며 사상 최고치를 기록한 뒤 일보 후퇴한 상태다.

◆ ASML 홀딩 = 전세계 극자외선(EUV) 노광 장비 시장을 독점한 네덜란드의 반도체 장비 업체 ASML 홀딩(ASML)도 양자 컴퓨팅 부문의 유망주로 꼽힌다.

EUV 리소그래피와 DUV(Deep UV) 리소그래피 장비를 제조하는 업체는 양자칩 미세 패터닝의 절대 강자로 평가 받는다.

ASML의 하이 NA EUV 리소그래피 장비 [사진=블룸버그]

패터닝이란 간단히 말해 반도체 칩 위에 회로 설계도를 그려 넣는 과정을 의미한다. 도장 찍기나 스텐실 작업과 흡사하다. 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 특수 물질을 얇게 도포한 뒤 EUV와 같은 빛을 쏘아서 원하는 회로 패턴의 모양대로 노출시키고, 빛을 받는 부분 또는 받지 않는 부분을 화학 약품으로 녹여낸다.

남은 패턴을 마스크로 사용해서 그 아래 물질을 깎아내거나 새로운 물질을 쌓는 소위 식각 및 증착 작업이 패터닝의 마지막 과정이다.

ASML의 EUV는 머리카락 굵기의 수 천분의 1 크기로 패턴을 만들 수 있는 기술로 알려져 있다. 양자 컴퓨터의 부품은 특히 패턴이 조금만 틀어져도 작동하지 않기 때문에 EUV 리소그래피를 이용한 극도로 정밀한 패터닝이 필요하다고 업계 전문가들은 설명한다.

업체의 EUV 리소그래피는 반도체 회로를 3nm 이하로 패터닝 할 수 있게 하고, 2025년 본격 출하된 하이(High)-NA EUV는 2nm 이하 서브나노미터의 정밀도를 갖췄다.

주요 외신에 따르면 EUV 리소그래피는 고밀도 큐비트의 양자 칩을 생산하는 데 적용되는 추세다. 이 때문에 ASML을 포함한 빅테크는 물론이고 스타트업도 기존 반도체 장비 부문의 전문성과 기술력을 지렛대 삼아 양자 아키텍처를 개발하는 데 뛰어드는 움직임이다.

특히 세계 유일한 EUV 리소그래피 기술을 보유한 ASML은 양자 컴퓨터 칩을 제조하는 데 빼놓을 수 없는 존재로 손꼽힌다. 양자 칩은 기존의 반도체 칩에 비해 훨씬 복잡하고 미세한 구조를 취하기 때문에 업체의 EUV 기술 없이는 생각하기 어렵다는 얘기다.

초전도체를 기반으로 한 양자 컴퓨터의 조셉슨 접합 같은 핵심 부품은 ASML의 EUV 리소그래피가 제공하는 정밀도가 필수라는 것.

시장 전문가들은 업체의 양자 컴퓨팅 역량이 직접적인 연산 기술보다 초정밀 리소그래피를 통한 양자 하드웨어 제조 인프라를 제공하는 데 있다고 설명한다.

정밀성과 함께 균일성 측면에서도 ASML의 기술력이 적용된다. 업체의 EUV 리소그래피는 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일한 패턴을 만들 수 있기 때문이다.

양자 이외에 AI 주도주로 꼽히는 ASML은 3분기 75억2000만유로의 매출액과 주당 5.49유로의 순이익을 달성했다. 시장 조사 업체 팩트셋에 따르면 월가의 전망치는 각각 77억4000만유로와 5.45유로였다.

3분기 성적이 혼조 양상을 나타냈지만 투자자들은 트럼프 행정부의 관세 정책에도 업체의 경영진이 2026년 매출 성장을 예고한 데 안도하는 표정이다. 3분기 수주액이 54억유로로 전년 동기 26억3000만유로에서 두 배 이상 뛴 점도 고무적이라는 평가다.

JP모간은 보고서를 내고 "하이 NA EUV의 도입이 2027년 말 또는 2028년 초에나 본격화될 것으로 보이지만 이미 카운트다운은 시작됐다"며 "수주 규모의 상승 속에 업체의 주가와 밸류에이션이 우상향 할 것"이라고 내다봤다.

JP모간은 ASML에 '비중 확대' 투자 의견과 ADR의 목표주가 1175달러를 제시했다. 이는 10월16일 종가 1009.81달러에서 16% 가량 상승을 예고한 수치다.

shhwang@newspim.com