[2023 반도체 전망]삼성·SK 미래기술 '초격차' 승부수…'연산' 메모리·'세계 최소' 파운드리

메모리 D램, 비메모리 영역 '연산' 겸비
내년 인텔 서버용 CPU 등 경쟁 'DDR5'
삼성 파운드리는 '3나노·GAA' 두 토끼

지난 7월25일 경기 화성시 삼성전자 화성캠퍼스에서 열린 세계 최초 GAA(게이트올어라운드) 기반 3나노 양산 출하식에서 연구원들이 3나노 반도체 양산품을 출하하고 있다. 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이며, GAA 역시 세밀한 제어로 반도체의 효율을 높이는 차세대 핵심 기술로 알려졌다./화성=김현민 기자 kimhyun81@

[아시아경제 문 채석 기자]

"'초격차 기술' 리더십을 갖춘 삼성전자와 SK하이닉스의 고부가 DDR5(더블 데이터 레이트) 등 차세대 제품 기술 경쟁이 내년부터 본격적으로 열린다. 반도체 단가 하락세 '반전 기회'를 잡을 여지는 충분하다."

시장 불황으로 수익성 악화에 시달리는 'K반도체' 기업이 반도체 혹한기를 정면 돌파할 무기는 압도적인 기술력이다. 미중 갈등 같은 정치 변수, 투자심리 악화에 따른 주가 등락 같은 불확실성을 돌파할 카드는 '기술'이라고 판단한 것이다.

삼성전자와 SK하이닉스는 주력 메모리 D램 부문에서 비(非)메모리 반도체의 영역으로 여겨지던 '연산' 기능을 탑재한 혁신 제품을 쏟아내는 '승부수'를 던졌다. 부품 크기를 줄여 제품 효율을 높이는 것만으로는 부족하다고 판단한 것이다. 장기적으로 머신러닝, 고성능 컴퓨팅, 인공지능(AI) 등 방대한 데이터를 소모하는 산업이 클 것으로 보고 PIM(지능형 메모리), DDR5, GDDR(그래픽 더블 데이터 레이트) 6, 4세대 HBM(고대역폭메모리) 3, CXL(컴퓨트 익스프레스 링크) 등 신제품 발표를 쏟아내고 있다.

데이터 저장용 부품에 불과하던 메모리 반도체에 연산 능력을 입힌 PIM 반도체 개발이 메모리 혁신의 시작이었다. PIM 반도체는 CPU(중앙처리장치), GPU(그래픽 처리장치) 같은 비메모리 반도체의 영역이던 '연산' 능력을 갖춘 차세대 지능형 메모리반도체다. 이와 관련해 삼성전자가 지난해 1월 세계 첫 AI용 'HBM-PIM' 반도체를 개발해 주목받은 바 있다.

내년부터 본격화할 'DDR(더블 데이터 레이트) 5' 제품 기술 경쟁에 시선이 쏠린다. 노종원 SK하이닉스 사업담당 사장, 김양팽 산업연구원 전문연구원 등 전문가들이 "내년부터 경쟁 시작"이라 언급한 영역이다. 완성품(세트)이 부품(DDR5)의 '스팩'을 못 따라갈 정도로 삼성과 SK 반도체 개발 속도가 빨랐다. 내년 1월께 미국 인텔의 서버용 CPU '사파이어래피즈'가 출시된다는 소식이 전해지면서 관심이 더 커졌다. DDR5는 기존 DDR4보다 단가가 최대 30%가량 비싸 양사의 수익성 제고에 도움이 될 전망이다. 속도는 2배 이상 빠르고 전력 소모량은 10% 이상 적은 '차세대 D램'으로 꼽힌다.

DDR5 제품 '용량' 측면에선 SK하이닉스가 지난 10월25일 업계 최초로 32Gb(기가바이트) DDR5 기반 제품을 개발, 고객사에 샘플을 전한 상황이다. 64Gb 모듈 인증은 지난 8월 마쳤다. 속도는 초당 6000메가비트(Mbps) 수준이다. '인터페이스' 측면에선 삼성이 지난해 5월 일찌감치 CXL 기반 D램 기술을 개발한 뒤, 올 5월 그보다 용량을 4배 늘린 512Gb CXL D램을 내놓은 것이 눈에 띈다. CXL은 메모리 반도체, GPU, AI 가속기 등에 쓰인다. 메모리 용량과 데이터 처리 능력 등을 획기적으로 높여준다.

낸드플래시 단수 쌓기 경쟁도 이어질 전망이다. 제품 특성 상 셀을 수직으로 쌓아 올려 데이터 용량을 늘려야 하는데 단수가 높을수록 같은 면적에 많은 칩을 넣을 수 있다. SK하이닉스는 지난 8월 미국 시애틀에서 열린 '플래시 메모리 서밋(FMS) 2022'에서 238단 낸드 개발에 성공했다고 밝혔다. 512Gb 용량의 TLC 4D 낸드를 전격 공개한 것. 삼성전자도 지난달 초 1Tb(테라바이트) 8세대 V낸드를 공개하며 "200단 이상 쌓을 수 있는 제품"이라고 했다. 업계에선 제품 단수를 236단으로 추정한다.

파운드리(반도체 위탁생산) 부문에선 대만 TSMC, 미국 인텔 등과의 '초미세 공정' 경쟁이 치열하다. 지금은 TSMC 1위, 삼성 2위지만, 인텔도 뺏긴 파운드리 시장 주도권을 잡겠다고 벼르는 상황이다. 주목할 점은 삼성전자가 '초미세 최선단 공정'(3㎚·나노미터, 1㎚는 10억분의 1m)과 '공법'(GAA·게이트 올 어라운드) 두 마리 토끼를 모두 잡았다는 사실이다. 삼성전자는 지난 6월 30일 GAA 공법을 적용한 3나노 선단 기술을 확보해 양산에 들어갈 것이라고 밝혔다.

TSMC도 지난 6일(현지시간) 3나노 공정을 따라잡았다고 선언했지만, 공법은 여전히 핀펫(FinFET) 수준에 머물러 있다. GAA는 4개 면에서 전류가 흐르도록 해 3개 면에 불과한 핀펫보다 효율이 높다. 대세는 '3나노 이하' 공정이다. 미국 시장조사업체 가트너에 따르면 2026년께 파운드리 전 공정에서 3나노 이하 매출이 229억달러(약 30조원)로 가장 비중이 커질 것으로 전망된다. 아울러 삼성전자는 2027년 1.7나노 양산을 해내겠다는 구체적인 로드맵을 밝혔지만, TSMC는 1.7나노 양산 시점을 공개하지 않았다.

파운드리는 수주 산업이라 고객 확보에 실패하면 수익을 확보할 수 없는 구조다. 고객 계약은 철저히 비밀에 부쳐지지만, 파운드리 매출 수준을 보면 수주 성과를 짐작할 수 있다. 이 대목에서 삼성전자는 자신감을 보인다. 대만 시장조사업체 트렌드포스의 삼성 파운드리사업부 매출 추정치를 보면 2분기 55억8800만달러(약 7조3120억원)로 기록을 경신했다. 지난해 4분기 55억4400만달러(약 7조2540억원)를 넘어섰다. 이에 대해 삼성전자는 "현 성장세라면 2025년 자체 투자 재원을 마련할 수 있는 수준에 도달할 것"이라고 말했다.

문채석 기자 chaeso@asiae.co.kr