삼성 파운드리 1위 도전장…성공 방정식은

TSMC 넘으려면 설계부터 완제품까지 삼성 반도체 경쟁력 압도해야

엑시노스 부진 씻고 응용처 적용 확대 필요…파운드리 '큰 손' 고객 비중 확대도 필수

삼성전자가 27일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 개최한 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 삼성전자 파운드리사업부 최시영 사장이 기조연설을 하고 있다.ⓒ삼성전자

삼성전자가 TSMC를 잡기 위한 로드맵을 공개하며 유일무이한 대항마가 되겠다는 포부를 드러냈다. 2나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m) 공정 계획을 구체화하고 반도체 부품사·팹리스·IP 업체들과도 연합전선을 구축함으로써 고객사 어필에 대대적으로 나선 것이다.

차세대 파운드리(반도체 위탁생산) 기술이 계획대로 이행될 수 있도록 라인 구축에도 나선다. 질적으로나 양적으로나 파운드리 수준을 높여 퀄컴, 애플 물량을 끌어오겠다는 목표다. 전문가들은 삼성의 'TSMC 잡기'가 제대로 성공하려면 '엑시노스' 경쟁력 강화, 3나노 수율 제고가 먼저 뒷받침돼야 한다고 조언한다.

29일 업계에 따르면 최근 미국 실리콘밸리에서 열린 '삼성 파운드리 포럼 2023'은 ▲최첨단 2나노 공정의 응용처 확대 ▲첨단 패키지 협의체 'MDI(Multi Die Integration) Alliance' 출범 ▲올 하반기 평택 3라인 파운드리 제품 양산 전략으로 요약된다.

2나노 양산과 관련해 삼성은 모바일향 중심으로 2025년 2나노 공정(SF2)을 양산하고, 2026년 고성능 컴퓨팅(HPC)향, 2027년 오토모티브향 공정으로 점진적으로 확대하겠다고 했다. 삼성이 2나노 양산 라인업을 구체화한 것은 이번이 처음이다. 2나노 공정은 3나노 대비 성능과 전력효율은 12%, 25% 향상되는 반면 면적은 5% 감소해 고성능 반도체 제조에 최적화된 기술로 평가 받는다.

삼성이 2나노 로드맵을 구체화한 것은 대만 TSMC, 미국 인텔, 일본 라피더스 등 주요 경쟁사들이 앞다퉈 초미세 공정 계획을 밝힌 상황에서 자신들이야말로 2나노를 차질없이 준비하고 있다는 자신감을 표출한 것으로 해석된다.

2나노 전쟁을 앞두고 삼성 기술력을 선제적으로 어필함으로써, 글로벌 빅테크들의 선택을 받겠다는 것이다. 2나노부터는 GAA(게이트 올 어라운드·Gate All Around) 기술을 도입해야 하는데 삼성은 이미 3나노부터 적용중으로, 초미세 공정에서 앞서나갈 수 있다는 청사진을 보여줬다.

GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술이다. 기존 트랜지스터 구조인 핀펫(FinFET)의 한계를 극복할 수 있는 차세대 파운드리 게임 체인저로 거론된다.

경계현 DS부문장 사장은 지난 카이스트 강연에서 "2나노 공정부터는 업계 1위(TSMC)도 GAA를 도입할텐데, 그 때가 되면 업계 1위와 같게 갈 것"이라고 언급했다.

초미세 공정 전쟁을 앞두고 삼성은 차세대 기술 양산을 위한 라인도 대대적으로 늘린다. 현재 평택과 미국 테일러시에 반도체 클린룸을 건설중으로, 2027년에는 클린룸 규모가 2021년 수준의 7배를 넘어설 것으로 전망된다. 당장 올 하반기부터는 평택 3라인에서 모바일 등 다양한 응용처의 파운드리 제품을 양산할 계획이다.

삼성전자가 27일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 개최한 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 고객과 파트너가 대화를 나누고 있다.ⓒ삼성전자

삼성 파운드리 1등하려면…설계부터 완제품까지 경쟁력 제고 필수

질적·양적으로 글로벌 우위를 점하겠다는 삼성의 파운드리 로드맵이 제대로 통하려면 반도체 설계부터 최종 고객까지 아우를 종합적인 전략을 마련·실행해야 주장이 나온다.

삼성은 반도체 설계부터 완제품 생산까지 모든 분야를 자체 운영하는 종합반도체회사(IDM)다. 설계 기술(시스템 LSI부)과 생산 설비(파운드리부)를 보유했을 뿐 아니라 여기서 만든 완제품을 갤럭시 등에 탑재하는 세트사(MX사업부)까지 거느리고 있다.

삼성 시스템 LSI부가 설계한 AP(애플리케이션 프로세서)칩 '엑시노스'(Exynos)를 파운드리부에서 생산하고 이를 갤럭시 시리즈에 장착하는 구조를 통해 3개 사업부는 원가 절감 및 점유율 제고를 꾀할 수 있다.

모바일AP는 스마트폰 속도를 담당하는 CPU를 비롯해 그래픽 처리에 필요한 GPU, 캐시 메모리와 GPS 모듈까지 장착되는 하나의 칩(APSoc)으로 '스마트폰의 두뇌'라고도 불린다.

게임, 인터넷 작업, 동영상 및 음악 감상이 동시에 이뤄지는 핵심 기능을 담당하므로, 이런 고성능·저전력을 제공할 칩셋을 만드는 AP기술 고도화가 필수적이다. 이 모바일AP를 삼성의 시스템 LSI부와 파운드리부가 잘 설계하고 생산해야만 MX사업부의 선택을 받을 수 있는 것이다.

MX사업부는 갤럭시 S시리즈에 엑시노스 뿐 아니라 퀄컴이 제작한 AP '스냅드래곤'을 탑재하고 있다. S22에도 엑시노스를 장착했지만 수율과 발열 문제가 발생하자, 올해 출시한 S23에는 100% 퀄컴 제품만 탑재했다. 해당 칩은 4nm 기반으로 TSMC가 생산한 것으로 알려졌다.

반도체 불황 속 스마트폰 성공이 절실한 MX사업부로서는 논란을 아예 불식시키기 위해 S23에 엑시노스를 배제한 것으로 보인다. 다만 퀄컴 의존도가 높아지면서 원가 부담도 늘어난 것은 리스크다. 작년 퀄컴, 미디어텍 등으로부터 사들인 모바일AP 규모는 9조3138억원으로 전년 보다 50% 가까이 늘었다. 올해 1분기는 2조6402억원으로 전년 동기와 견줘 11% 증가했다.

삼성전자, 프리미엄 모바일AP ‘엑시노스 2200’.ⓒ삼성전자

'엑시노스', S22 부진 딛고 화려하게 부활해야

삼성으로서는 우선적으로 '엑시노스'가 화려하게 부활해야만 모바일 부문에서 원가 부담을 덜어낼 수 있을 것으로 보인다. 퀄컴 쏠림 현상을 피하면 AP 가격 협상력에서도 우위를 찾을 수 있다. 이를 위해서는 내년 출시 예정인 갤럭시 S24부터 차세대 엑시노스 탑재를 노려야 할 것으로 보인다.

갤럭시 선택을 받지 못하면 엑시노스는 경쟁사 '스냅드래곤', '디멘시티'에 계속 밀릴 수 밖에 없다. 삼성 MX사업부는 AP솔루션 개발팀을 신설하며 엑시노스 경쟁력 강화에 힘쓰고 있는 것으로 알려졌다. 미 팹리스업체 AMD와도 협력하며 그래픽 기술 제고에 나선 것으로도 전해진다.

설계 측면에서 '엑시노스' 경쟁력 제고가 숙제라면, 제조 측면에서는 3nm 성공이 향후 파운드리 고객 확보전에 결정적인 요인이 될 것으로 예상된다.

삼성은 현재 안정적인 수율로 GAA 기반 3나노 1세대(SF3E)를 양산중이라고 했다. 꾸준한 기술 투자로 지난해 기준 삼성 파운드리 고객 수는 100곳 이상으로 2017년 보다 2.4배 늘었다. 2028년에는 200여 곳으로 확대하는 것을 목표로 한다.

경쟁자 TSMC와 견줘 파운드리사업부의 업력, 사업규모, 점유율 모두 열세이지만 기술 만큼은 압도해 경쟁사를 빠르게 추월하겠다는 것이 삼성의 목표다. 경계현 사장은 "5년 안에 기술로 업계 1위를 따라잡겠다"는 포부를 밝힌 바 있다.

타이완 신주공업단지 내 위치한 TSMC 본사 전경.ⓒTSMC

3나노 성공은 '큰 손' 고객 비중에 달려 있어

이 목표가 현실화되려면 3나노 고객층이 늘어나는 것 뿐 아니라 업계 '큰 손'들의 비중이 확대돼야 한다는 지적이다. 삼성은 3나노 고지를 TSMC 보다 먼저 점령했지만 고객 확보전에서는 아직 열위에 있다. 3나노가 아직 초기단계에서 고객층이 많지 않고, 시장에서 주류를 차지하는 4,5나노는 여전히 TSMC 선호가 높기 때문이다.

빅테크들은 한 번 기술적으로 검증된 업체와 오랜 기간 계약을 이어가려는 심리 때문에 TSMC가 장기간 선호받고 있다는 시각이 있다. 1987년 설립된 TSMC는 30년 이상의 오랜 역사 동안 공정 개발에 힘써왔다.

업력으로나, 점유율로나 열세인 삼성 파운드리부가 대형 고객사의 거래 비중을 높이려면 파운드리 생태계 강화에 주도적으로 나서야 한다는 주장이 나온다. 최근 삼성전자는 50개 글로벌 IP(설계자산) 파트너와 4500개 이상의 IP를 확보하는 등 경쟁력 강화에 속도를 내고 있다.

반도체가 훼손되지 않도록 포장하는 패키징 기술을 고도화하는 것도 숙제로 꼽힌다. 파운드리 전·후공정 서비스를 빠르게 보완해 경쟁력을 한 단계 끌어올려야 한다는 지적이다. 무엇보다 수율(결함이 없는 합격품의 비율)을 끌어올려 퀄컴, AMD, 엔비디아 등 주요 고객사들과의 거래 규모를 늘려가는 정공법을 택해야 한다는 의견도 나온다.

미 일리노이주 시카고에 있는 애플 매장.ⓒAP/뉴시스

TSMC-애플 윈윈 사례처럼 삼성도 차세대 파운드리 시장 적극 공략해야

삼성은 기술에서도, 생태계 확충에서도 TSMC와 뒤처지지 않는 전략을 내세워 업계 1위로 올라서겠다는 포부를 피력했다. 기술 개발과 파트너사 협력이 빠르게 이뤄지더라도 정작 삼성 제품을 사줄 '큰 손'이 없다면 TSMC와의 격차를 좁힐 수 없다.

TSMC의 지난해 매출은 92조원을 넘어섰다. 연간 기준 최고치다. TSMC는 최대 고객사로부터 거둔 매출이 22조원을 넘어선다고 했다. 업계는 이 최대 고객이 애플인 것으로 추정한다. 실제 TSMC는 아이폰 최신 사양에 맞춰 선단 기술을 개발함으로써 이익 규모를 키워왔다.

TSMC가 파운드리 기술과 아이폰 수요에 힘입어 폭발적인 성장세를 이뤄낸 것처럼 삼성도 차세대 시장을 겨냥해 맞춤형 기술을 개발해야 한다는 주장이 나온다. 후보군으로는 인공지능, 서버, 차량용 반도체 등이 지적된다.

챗GPT를 통해 생성형 AI 수요가 늘고 있으며, 자율주행차 등 미래 자동차 기술 구현을 위해 AP, GPU(그래픽처리장치), 인포테인먼트 기술 등도 고루 관심을 받고 있다. 차세대 반도체는 시스템 뿐 아니라 메모리 반도체 부문에서도 기회가 될 수 있다는 지적이다.

삼성은 현대차 차량에 프리미엄 인포테인먼트 용 프로세서인 '엑시노스 오토(Exynos Auto) V920'을 2년 뒤인 2025년터 공급하기로 했다. 이를 계기로 국내 최대 전자·자동차업체와의 협력 규모가 커질 것이라는 기대가 나온다. 이재용 삼성전자 회장은 지난달 일론 머스크 테슬라 CEO와 회동하며 완전자율주행 반도체 등 양사 협력 기대감을 높이기도 했다.

업계 관계자는 "삼성은 엔비디아 등 주요 고객사로부터 고성능 반도체 위탁 생산 주문을 따내는 등 파운드리 영향력을 키우고 있지만 관건은 규모"라며 "설계부터 완제품까지 아우는 기술력을 토대로 수요 확대가 예상되는 차세대 시장을 빠르게 선점해야만 파운드리 전면 승부가 가능해질 것"이라고 말했다.