오는 2030년 시스템반도체 세계 1위를 목표로 삼은 삼성전자가 파운드리(반도체 위탁 생산) 초미세 공정 경쟁에 불을 붙이면서 기술 우위를 둔 자리다툼이 한층 치열해질 것으로 전망된다. 자율주행차 등 자동차의 전장화와 정보기술(IT) 기기 확대로 파운드리 수요가 급증하는 여건에서 누가 더 집적도가 높은 반도체를 싸게 생산할 수 있는지가 테슬라 같은 핵심 고객 유치의 관건이 되기 때문이다.
성능 30% 높이고 전력 50% 줄이고
삼성전자는 6일(현지 시간) 개최한 ‘삼성 파운드리 포럼 2021’에서 최첨단 반도체 공정 게이트올어라운드(GAA) 기술을 기반으로 3㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 등 미세 공정 시장을 주도하겠다는 포부를 밝혔다. GAA 기술은 전력 효율과 성능 면에서 우수하고 유연한 설계가 가능해 공정 미세화의 필수 조건으로 분석된다. 삼성전자의 독자 GAA 기술인 MBCFET 구조를 적용한 3나노 공정은 기존 핀펫 기반 5나노 공정과 비교해 성능은 30% 좋지만 전력 소모는 50%, 면적은 35% 줄어들 것으로 예상됐다.
최첨단 반도체의 생명은 작은 크기에 많은 기능을 담는 집적화인데 이를 최대한 끌어올릴 수 있는 셈이다. 삼성전자의 한 관계자는 “안정적인 생산 수율을 확보하며 양산을 위한 준비가 이뤄지고 있다”며 “경쟁사들은 아직 GAA를 양산할 준비가 되지 않은 것으로 파악된다”고 설명했다.
삼성전자의 3나노 양산은 경기도 화성 공장에서 처음 이뤄질 것으로 보인다. 화성 공장에는 네덜란드 반도체 장비 업체 ASML이 만든 초미세 공정용 극자외선(EUV) 노광 장비가 설치됐다. 업계의 한 관계자는 “화성 공장 생산 일정이 당겨져 실무진이 매우 바쁘게 움직이고 있다”고 전했다. 내년 하반기 평택 P3에 3나노 파운드리 라인이 구축되면 생산 물량이 대폭 늘 것으로 전망된다. 휴대폰에 탑재되는 중앙처리장치(AP) 등이 우선 생산 후보군으로 꼽힌다.
삼성전자는 이날 17나노 핀펫 신공정도 발표했다. 현재 28나노 공정 대비 성능은 39%, 전력 효율은 49% 향상되며 면적은 43%가 감소할 것으로 기대된다. 상대적으로 가격대가 낮은 이미지센서나 모바일디스플레이드라이버 집적회로(IC) 같은 제품을 겨냥한 공정이다. 가성비(가격 대비 성능)을 갖춘 공정을 통해 다양한 고객 수요에 대응한다는 전략이다. 삼성전자는 또 기존 14나노 공정을 차량용 등 마이크로유닛(MCU) 등에 적용할 수 있도록 해 사물인터넷(IoT)과 웨어러블 기기 등 응용처를 다변화하기로 했다.
테슬라 밀월관계 깊어질까
삼성전자의 파운드리 초격차 전략은 글로벌 우량 고객 확보와 맞닿아 있다. 특히 테슬라와 협력이 기대된다. 테슬라 자율주행(FSD) 칩은 삼성전자 파운드리에서 생산 중이다. 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)는 지난 2019년 FSD 칩을 선보이면서 삼성이 칩을 만들고 있다는 내용을 공개했다. 전기차의 자율주행 기능이 강화할수록 더 높은 반도체 성능과 초미세 공정이 요구된다. 테슬라는 차기 자율주행차 칩 개발 파트너로 삼성전자를 유력하게 고려 중인 것으로 알려졌는데 이 역시 삼성전자의 파운드리 초미세 공정과 연관이 깊다.
테슬라뿐 아니라 세계적으로 전장 수요가 높아지고 파운드리 초미세 공정을 필요로 하는 팹리스(반도체 설계 전문) 업체가 많아질 수밖에 없는 만큼 파운드리 나노 공정 경쟁력이 곧 생존을 결정 짓는 요소가 될 것으로 전망된다.
파운드리 초미세공정·증설 경쟁 본격화
삼성전자의 파운드리 확장, 인텔의 신규 진출 등으로 글로벌 파운드리 시장은 전례 없는 투자 경쟁에 돌입했다. 시장조사 업체 카운터포인트리서치에 따르면 올 상반기 말 기준 세계 파운드리 시장점유율은 TSMC가 58%로 1위, 삼성전자가 14%로 2위를 달리고 있다. 이어 UMC(7%), 글로벌파운드리(6%), SMIC(5%) 순이다. 그러나 수년 뒤에는 점유율 격변이 예상된다. TSMC는 올해에만 300억 달러, 향후 1,000억 달러에 달하는 대규모 투자 계획을 발표하고 자금 조달에 나선 상태다. 지금까지 공개된 TSMC의 투자 계획은 미국 애리조나주 신공장 건설을 비롯해 일본 츠쿠바시에 설립할 예정인 연구개발(R&D)센터, 대만 가오슝의 공장 증설을 포함하고 있다. 인텔은 지난달 초 최대 800억 유로(약 110조 원)를 유럽에 투자하고 반도체 공장 두 곳을 신설할 계획을 발표했다. 본거지인 미국 애리조나에 파운드리 사업을 강화하기 위해 200억 달러(약 22조 원)를 투자하기로 발표한 지 6개월 만에 대규모 투자 계획을 추가한 것이다. 전통의 강자 TSMC와 중앙처리장치(CPU) 분야에서 압도적 지위를 누려온 인텔 모두 삼성전자로서는 만만치 않은 상대다. 안기현 반도체산업협회 전무는 “초미세 공정이 필요한 자율주행차 등 고사양 반도체 수요가 급증하고 있지만 현재 관련 기술을 확보한 회사는 삼성전자와 TSMC 두 곳뿐”이라며 “지속적인 공급망 문제 해결과 한국 반도체 산업의 새 먹거리 모두 삼성전자의 파운드리 사업과 밀접하게 연결됐다”고 설명했다.
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