삼성전자는 반도체 파운드리 분야의 주도권을 가져오기 위해 고군분투하고 있다. 하지만 TSMC의 앞선 기술력과 강력한 파운드리 생태계 등에 밀려 고전을 면치 못하고 있다. 최근 인공지능(AI)과 챗GPT 등으로 파운드리는 국가 산업의 생존까지도 좌우할 수 있는 핵심 분야가 됐다. 삼성전자가 처한 현실적 어려움과 함께 이를 해결할 수 있는 방안 등에 대해 살펴봤다.

[서울=뉴스핌] 이지용 기자 = 삼성전자는 최근 5년 내에 파운드리 반도체 분야에서 대만의 TSMC를 뛰어넘겠다는 포부를 내놨지만 좀처럼 TSMC와의 격차를 좁히지 못하고 있다.

오히려 초미세 공정의 속도 경쟁을 비롯한 파운드리 공정의 전반적인 요소에서 TSMC에 모두 밀리면서 시장 점유율만 떨어뜨리고 있다.

[삼성 파운드리 변곡점] 글싣는 순서

1. TSMC 거센 공세서 주도권 가져와야
2. 샌드위치 신세에 위기론도
3. "차세대 전략 구축...삼성만의 생태계 필요"

삼성전자는 이 같은 분위기를 뒤집기 위해 지난 4일 '삼성 파운드리포럼 2023'에서 차세대 기술 혁신을 통한 시장 선점 전략을 공개한 만큼, TSMC와의 격차를 얼마나 줄일 수 있을 지가 관건이다.

◆ 삼성, 초미세 공정 등 파운드리 주요요소 TSMC에 밀려

13일 관련 업계에 따르면 삼성전자와 TSMC는 인공지능(AI)과 데이터센터 서버 등 최첨단 산업에 쓰일 초미세 공정을 거친 차세대 반도체 개발에 열을 올리고 있다. 두 기업은 오는 2025년을 목표로 2나노미터(㎚·10억분의 1m) 초미세 공정을 도입할 계획이다. 2나노 공정은 3나노보다 성능이 15% 개선되며 소비 전력도 30% 이상 줄일 수 있어 대량의 데이터 처리가 필요한 AI와 대규모언어모델(LLM) 등 첨단 분야에서 수요가 커질 전망이다. 앞으로 지속적이면서도 큰 수익을 창출할 수 있는 미래 먹거리인 셈이다.

그러나 TSMC가 당초 내년에 하려던 2나노 공정 시제품 소량 생산을 올해로 앞당기면서 초미세 공정의 속도 경쟁에서 삼성전자가 밀리고 있는 모양새다. TSMC가 시제품 생산을 앞당기면 2나노 공정 양산 또한 2025년보다 일찍 이뤄져 시장을 선점할 가능성이 높아진다.

삼성전자는 3나노 공정을 지난해 6월 도입하면서 같은 해 12월에 도입한 TSMC에 6개월 이상 앞섰는데도 초미세 공정 기술 경쟁에서 점유율 상승 등 유의미한 결과를 내지 못한 채 그대로 따라잡힌 것이다.

특히 삼성전자는 설계자산(IP) 부문에서도 TSMC에 크게 밀리고 있다. TSMC는 지난 2008년부터 IP 기업이 참여하는 오픈이노베이션 플랫폼(OIP)을 꾸려 IP 생태계를 만들어놨다. TSMC의 OIP에는 이미 100여개의 IP 기업이 참여하고 있다. TSMC는 OIP를 통해 IP 포트폴리오 5만5000건 이상과 기술 4만3000건 이상 등의 성과를 올렸다. TSMC는 이 같은 IP 생태계를 활용해 현재까지 500여개의 고객사를 확보했다.

반면, 삼성전자는 4500여개의 IP 포트폴리오와 56개의 IP 기업을 확보했을 뿐이다. 삼성전자는 뒤늦게 지난 2018년 '삼성어드밴스드파운드리에코시스템(SAFE)'을 꾸렸지만 TSMC와 같은 대규모 IP 생태계를 아직 구축하지 못했다. 

IP는 반도체 특정 기능 등을 회로로 구현한 설계 블록이다. 파운드리 기업이 IP 기업에 반도체 공정 정보를 주면 IP 기업이 최적화 IP를 개발해 팹리스(반도체 설계 기업)에 넘겨준다. 이를 통해 반도체 공정 기간을 최대 3년까지 줄일 수 있어 파운드리 분야에서 필수적이다.

이와 함께 반도체 수율에서도 삼성전자는 TSMC의 기술력을 아직 따라가지 못하는 모습이다. 업계에서는 통상 TSMC의 3나노 및 4나노 모두 수율이 80% 대를 웃도는 것으로 평가하고 있다. 그러나 삼성전자의 경우 3나노 및 4나노의 수율이 각각 60%, 50% 대라는 평가가 나온다. 수율은 공정 과정에서 결함이 없는 합격품의 비율로 수치가 낮을수록 생산력도 떨어진다. 수율을 높이지 못하면 고객사의 주문 물량을 납기에 맞추기 어려워 고객사의 신뢰까지 잃을 위험이 있다.

다만, 최근 일부 증권사에서는 올해 삼성전자의 4나노의 수율이 75%까지 올랐고 3나노도 기존보다 상승했다는 분석을 내놓기도 했다.

김선우 메리츠증권 연구원은 "현재 5나노 이상 선단 공정에서는 삼성과 TSMC의 수율 격차가 10% 이상 나 아직 격차가 크다"며 "낮은 수율은 납기뿐만 아니라 작동 성능까지도 영향을 미치는 만큼 삼성전자에 대한 고객사들의 신뢰가 떨어질 우려가 있다"고 설명했다.

이런 와중에 전세계 파운드리 시장의 분기별 점유율에서 삼성전자와 TSMC의 격차는 계속 커지고 있다. 전세계 파운드리 점유율은 지난해 1분기 TSMC 53.4%, 삼성전자 16.5%였지만 올해 1분기 TSMC 60.1%, 삼성전자 12.4%로 1년 만에 격차는 11%가량 더 벌어졌다. 

안기현 한국반도체산업협회 전무는 "TSMC는 앞선 기술력과 노하우 등으로 이미 다양한 고객을 끌어모을 수 있는 능력과 생태계를 갖췄다"고 말했다. 이어 "삼성은 아직은 이 부분이 어려운 만큼 파운드리 공정 전반의 기술을 모두 끌어올리는 동시에 고객사의 폭을 넓힐 수 있는 플랫폼 구축을 해야 할 것"이라고 설명했다.

◆ 삼성, 비장의 무기 새로 마련…시장서 통할까

삼성전자는 지난 4일 열린 '삼성 파운드리포럼 2023'에서 AI 등 최첨단 반도체로의 시장 변화에 대응하기 위한 로드맵을 발표했다. 이번 포럼에서 각종 차세대 기술 적용 확대를 시사한 만큼 TSMC와의 파운드리 격차를 줄이는 데에 얼마나 효과를 낼 수 있을 지 주목된다. 

우선 삼성전자는 게이트올어라운드(GAA) 기술을 활용해 AI 등 최첨단 반도체 생산에 나설 계획이다. GAA는 게이트 면적을 넓혀 데이터 처리 속도와 전력 효율성을 높인 신기술이다. 삼성전자는 이 기술을 3나노 공정뿐만 아니라 앞으로 양산할 2나노 공정에도 도입할 예정이다. 현재 TSMC는 3나노 공정에 GAA를 도입하지 않고 있다. TSMC는 GAA를 2나노 공정에 도입할 것으로 보이는 만큼 양산 경험이 앞선 삼성전자가 TSMC와의 2나노 경쟁에서 유리할 수 있다.

최시영 삼성전자 사장은 포럼에서 "GAA는 전력 소모를 획기적으로 줄이고 집적도를 높여 데이터 양과 전력 소비가 큰 AI의 문제점을 해결할 것"이라며 GAA 기술에 집중 투자할 의지를 내비쳤다.

또 삼성전자는 멀티프로젝트웨이퍼(MPW) 기술을 확대한다. MPW는 다품종 소량 생산을 위한 파운드리 형태로 한 장의 웨이퍼에 다른 종류의 반도체 제품을 생산할 수 있다. 삼성전자는 AI와 고성능 컴퓨팅 등 제품 설계에 활용하는 4나노 공정의 MPW 서비스를 지난 4월 시작했다. 오는 8월과 12월에도 두차례 더 지원하며 2024년에는 올해보다 10% 이상 제공 범위를 확대해 국내외 팹리스 고객사의 시제품 제작 기회를 늘린다.

이 밖에도 삼성전자는 TSMC의 OIP에 대항하기 위해 자체 생태계인 '삼성어드밴스드파운드리에코시스템(SAFE)'의 글로벌 파트너 기업들과 '멀티다이통합(MDI) 얼라이언스'를 출범했다. 이를 통해 2나노 공정에 사용할 최첨단 IP를 내년 상반기까지 확보할 계획이다. 첨단 칩 생태계를 구성하는 100여곳의 기업과도 협업을 강화하며 고객사 유치에 나선다.

김양팽 산업연구원 전문 연구원은 "삼성이 TSMC를 뛰어넘겠다는 선언을 한 만큼 하반기에는 공격적인 변화가 필요하다"고 말했다. 이어 "다만 아직 파운드리 규모 자체에서 TSMC와의 차이가 커 당장 따라잡기는 어려울 것"이라며 "2나노 등 첨단 공정 투자 확대·거대 고객사 확보 등 점차 시장 점유율을 높이는 삼성 만의 전략을 펼쳐야 한다"고 설명했다.

leeiy5222@newspim.com