진짜 경쟁은 '2나노'부터…삼성-TSMC 경쟁 심화(종합)

삼성전자 '파운드리 포럼 2023' 개최
2025년 2나노 양산 세부 로드맵 공개

8인치 질화갈륨 전력 반도체 시장 진출
패키지 협력체 'MDI 얼라이언스' 출범

삼성전자가 파운드리(반도체 위탁생산) 사업 경쟁력을 끌어올리기 위해 2025년 2나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m) 공정 양산을 예고했다. 지난해 세계 최초로 3㎚ 공정 양산을 시작한 데 이어 이번에도 기술 초격차를 위해 구체화한 로드맵을 제시했다.

삼성전자는 2025년 모바일, 2026년 고성능 컴퓨팅(HPC), 2027년 차량용(오토모티브)으로 2㎚ 양산 범위를 확대한다. 2㎚ 공정이 최신 3㎚ 2세대 공정보다 성능은 12%, 전력 효율은 25% 높일 수 있다는 설명도 더했다. 첨단 공정에서 초격차 기술을 앞세워 업계 1위인 대만 TSMC와 본격적인 경쟁에 나선다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부 사장이 미국 실리콘밸리서 열린 '삼성 파운드리 포럼 2023'에서 기조연설을 하고 있다. / [사진제공=삼성전자]

삼성전자, TSMC 이길 '2나노' 파운드리 전략 공개

삼성전자는 27일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 '삼성 파운드리 포럼 2023'을 개최했다. 삼성전자는 이날 '경계를 넘어서는 혁신'을 주제로 인공지능(AI) 시대 당면한 반도체 한계 극복 방법을 제시했다. 최시영 삼성전자 파운드리사업부 사장은 "많은 고객사가 자체 제품, 서비스에 맞는 AI 전용 반도체를 개발하고 있다"며 "AI 반도체에 최적화한 게이트올어라운드(GAA) 트랜지스터 기술을 혁신해 AI 패러다임 변화를 주도하겠다"고 말했다.

GAA는 게이트 면적을 넓혀 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높인 차세대 트랜지스터 기술이다. 기존 트랜지스터 구조인 핀펫(FinFET) 한계를 극복할 수 있어 파운드리 게임 체인저로 꼽힌다. 삼성전자는 작년 6월 3㎚ 공정 양산을 시작하며 업계 처음으로 GAA 기술을 도입했다. 1년간 GAA 기술력을 높인 만큼 2㎚ 공정에서 큰 경쟁력이 될 것으로 기대하고 있다. 경계현 삼성전자 DS부문 사장은 "2㎚부턴 업계 1위(TSMC)도 GAA를 도입한다"며 "그때 되면 업계 1위와 (기술 수준이) 같아질 것"이라고 강조한 바 있다.

삼성전자는 이날 2025년 양산을 예고한 2㎚ 공정 세부 계획과 기술 수준을 공개했다. 2㎚ 공정을 의미하는 SF2에서 모바일 제품을 중심으로 양산을 시작한다고 밝혔다. 2026년에는 HPC, 2027년엔 차량용(오토모티브)으로 양산 범위를 확대한다. SF2는 SF3(3㎚ 2세대 공정)보다 성능은 12%, 전력 효율은 25% 높일 수 있다. 면적은 5% 줄어든다. 1.4㎚ 공정의 경우 계획대로 2027년 양산을 계획하고 있다.

삼성전자는 현재 GAA 기반 3㎚ 1세대 공정(SF3E)에서 팹리스(반도체 설계) 주문을 받아 제품을 양산하고 있다. SF3의 경우 모바일, HPC 등 고성능 저전력 기술을 필요로 하는 고객과 논의 중인 단계로 2024년 양산 예정이다. 이미 일부 고객과는 SF3 기반 테스트 칩을 제작 중이다. SF2 양산을 준비하는 과정에선 고객이 필요로 하는 각종 고속 인터페이스 설계자산(IP)을 내년 상반기까지 확보한다. 3㎚ 이하 파운드리 시장 규모가 앞으로 빠르게 커지는 만큼 첨단 공정에서 고객 확보에 집중한다는 계획이다.

시장조사업체 옴디아는 3㎚ 이하 파운드리 시장 규모가 올해 85억5000만달러에서 2026년 381억8000만달러로 늘어난다고 봤다. 연평균 65.3% 증가율을 보일 것이라는 설명도 했다. 전체 파운드리 매출에서 3㎚ 이하 공정 비중은 올해 8%에서 2026년 24.4%까지 늘어날 전망이다. 5㎚ 이하 공정까지 확대하면 매출 비중은 전체의 41.2%까지 늘어날 수 있다.

8인치 전력 반도체 사업 시작…쉘퍼스트·캐파 확대 추진

삼성전자는 파운드리 분야에서 먹거리를 늘리기 위해 새로운 사업 추진에 나선다. 2025년 소비자, 데이터센터, 오토모티브용 8인치 질화갈륨(GaN) 전력 반도체 파운드리 서비스를 시작한다. 전력 반도체는 전기차, 전자제품 등 여러 기기에서 전류 방향과 전력 변환을 제어하다 보니 쓰임새가 커지고 있다. GaN은 기존 실리콘(Si) 반도체 한계를 극복해 시스템 고속 스위칭과 전력 절감을 극대화할 수 있다.

삼성전자는 또 6세대 이동통신(6G) 선행 기술을 확보하기 위해 5㎚ RF(Radio Frequency) 공정을 개발해 2025년 상반기에 양산한다. 이 공정을 도입하면 기존 14㎚보다 전력 효율은 40% 이상 높이고 면적은 50% 줄일 수 있다. 회사는 또 현재 양산 중인 8㎚, 14㎚ RF 공정을 모바일뿐 아니라 오토모티브 등 다양한 응용처로 확대할 계획이다.

변하는 시장 수요에 빠르게 대응하기 위한 쉘퍼스트 전략 확대도 필수다. 쉘퍼스트 전략은 클린룸을 선제적으로 건설하고 향후 시장 수요와 연계한 탄력적인 설비 투자로 안정적인 생산 능력을 확보, 고객 수요에 적기 대응하는 것을 말한다. 삼성전자는 현재 경기도 평택과 미국 테일러에 반도체 클린룸을 선제적으로 건설하고 있다. 2027년이 되면 클린룸 규모는 2021년보다 7.3배 늘어날 예정이다.

파운드리 생산 능력(캐파) 확대도 필요하다. 삼성전자는 하반기 평택 3라인에서 모바일 등 다양한 응용처 제품을 본격적으로 양산할 계획이다. 미국에서 건설 중인 테일러 공장 1라인은 하반기에 완공하고 내년 하반기에 본격적으로 가동한다. 또 국가산업단지로 거듭나는 용인을 또 다른 생산 거점을 키운다. 삼성전자는 용인에 들어설 시스템 반도체 클러스터에 5개 파운드리 공장(팹)을 세우기로 한 상태다.

패키지 과제 대응 위해 MDI 얼라이언스 출범

삼성전자는 다양해지는 고객 니즈를 충족하기 위해 여러 분야의 파트너와 협력한다. 회사는 이날 '삼성 어드밴스드 파운드리 에코시스템(SAFE)' 글로벌 파트너인 메모리, 패키지 기판, 테스트 분야 기업과 최첨단 패키지 협의체 '멀티 다이 인터그레이션(MDI) 얼라이언스'를 출범한다고 밝혔다. MDI 얼라이언스는 2.5차원(2.5D), 3차원(3D) 이종 집적(서로 다른 기능의 반도체가 하나의 반도체처럼 동작하도록 하는 패키지 기술) 생태계를 구축한다. 응용처별로 다른 최첨단 패키지 원스톱(One-stop) 턴키 서비스를 선보인다.

계종욱 삼성전자 파운드리사업부 부사장은 "SAFE 파트너와 협력해 최첨단 공정 및 이종 집적 기술 도입에 따라 높아지는 설계 복잡도를 최소화하고 있다"며 "이번 포럼을 계기로 SAFE 생태계의 양적, 질적 성장을 이루며 고객의 혁신과 성공을 지원하겠다"고 말했다.

삼성전자는 28일(현지시간) 미국 실리콘밸리서 '혁신의 속도를 가속한다'는 주제로 SAFE 포럼을 연다. SAFE 포럼은 삼성 파운드리 고객과 파트너사가 모여 첨단 파운드리 기술과 트렌드를 공유하는 행사다. 삼성전자는 내달 4일엔 한국에서 '삼성 파운드리 포럼'과 'SAFE 포럼'을 연다. 하반기에는 유럽과 아시아 지역에서 삼성 파운드리 포럼을 개최, 지역별 고객 맞춤형 솔루션을 소개할 예정이다.

시장조사업체 카운터포인트리서치 통계를 보면, 1분기 파운드리 시장에서 TSMC는 59% 점유율로 1위를 기록했다. 삼성전자는 13% 점유율로 2위다. 또 다른 시장조사업체인 트렌드포스 통계에선 1분기 시장 점유율이 각각 60.1%, 12.4%였다.

김평화 기자 peace@asiae.co.kr