[애플 쇼크웨이브](26) 3나노칩 먼저 경험하는 아이폰 이용자들

애플, 다음달 출시 예상 아이폰15에 A17 칩 사용
3나노 공정 반도체, 소비자 성능 확인할 첫 기회
5나노, 4나노 칩 대비 대폭적 성능 향상 예상
TSMC, 애플에 1년간 3나노 반도체 독점 공급 예상
경쟁사는 1년 이후에나 3나노 칩 확보 할 수 있어
공정 진화 효과 격차 극복 쉽지않아
퀄컴 등 애플 경쟁사, 삼성 3나노 공정 선택 가능성

편집자주[애플 쇼크웨이브]는 애플이 반도체 시장에 뛰어들며 벌어진 격변의 현장을 살펴보는 콘텐츠입니다. 애플이 웬 반도체냐고 생각하실 수 있습니다. 애플은 이제 단순히 스마트폰과 컴퓨터를 만드는 회사가 아닙니다. 고 스티브 잡스 창업자에서부터 시작된 오랜 노력 끝에 애플은 모바일 기기에 사용하는 세계 최고 수준의 반도체를 설계해 냈습니다. PC 시대에 인텔이 있었다면, 애플은 모바일 시대 반도체 생태계 최상위 포식자가 됐습니다. 세계적인 반도체 공급망 위기와 대규모 반도체 생산라인 설비 투자가 이뤄지는 지금, 애플 실리콘이 불러온 반도체 시장의 격변과 전망을 꼼꼼히 살펴 독자 여러분의 혜안을 넓혀 드리겠습니다. 애플 쇼크웨이브는 매주 토요일 독자 여러분을 찾아갑니다. 40회 이상 연재 후에는 책으로 출간합니다.

"아이폰15프로에 사용될 3나노 칩은 당분간 다른 휴대폰과 비교할 수 없을 수준일 것이다."(IT기기 전문매체 톰스가이드)

1 나노미터(nanometer, nm)는 미터의 십억분의 일에 해당하는 길이다. 머리카락 두께의 '10만분의 1'이라고 보면 된다. 반도체 뉴스에서는 나노에 대한 내용이 많다. 얼마나 잘 설계했느냐도 중요하지만 얼마나 작은 회로폭으로 생산할 수 있느냐가 반도체의 성능을 좌지우지하기 때문이다.

지금 세계 반도체 업계는 물론, 스마트폰, PC 업계 등 IT 관련 분야 업계는 1나노의 진화에 주목하고 있다. 일반 소비자들도 1나노의 진화에 주목할 이유가 충분하다.

10나노에서 7나노, 5나노, 4나노 공정을 통해 만들어지던 최신 반도체가 이제 3나노 진입을 코앞에 두고 있다. 5나노 이후 정체됐던 반도체 성능이 다시 한번 크게 향상될 변곡점이 도래한 것이다.

아이폰15프로 예상도. 사진=아이스유니버스 트위터

최근의 반도체 경쟁은 설계 외에 공정 싸움이라는 평가가 많다. 반도체 설계와 생산을 함께 하는 종합반도체 업체의 시대가 끝나고 반도체를 위탁 생산하는 파운드리가 대세가 되면서다.

반도체를 위탁생산하는 대만 TSMC는 지난해 말부터 3나노 공정 가동을 시작했다. 삼성은 이에 앞서 지난해 6월 세계 최초 3나노 공정 개막을 알렸다.

업체들은 3나노 공정 도입으로 '배터리 사용 시간이 늘어난다' '발열이 준다' '성능이 향상된다'와 같은 설명을 했지만, 소비자들은 변화를 체감하기 어려웠다. 3나노 공정으로 생산된 반도체를 사용한 PC나 스마트폰이 아직 없었기 때문이다.

3 나노 반도체의 성능은 오늘 9월, 늦어도 10월이면 소비자들이 직접 체험할 수 있다. 애플 아이폰15를 통해서다. 아이폰15프로와 15프로맥스에 사용될 것으로 예상되는 'A17' 칩이 3나노 반도체 시대를 열 주인공이다.

아이폰15는 A16과 A17 칩을 사용할 것이 확실시된다. 지난해 애플은 아이폰14에 A15와 A16 칩을 사용했다. 아이폰14에는 아이폰13에 사용했던 A15를 담았고 아이폰14프로에는 새로 개발한 A16을 넣었다.

A16 칩이 최신이기는 하지만 A15에 비해 비약적인 성능 도약을 한 것은 아니었다. 4나노급 반도체 제조 공정이 5나노 공정에 비해 대폭 향상되지 않았기 때문이다. 아이폰13을 사용하던 이들의 입장에서는 1년 사용한 전화기를 꼭 교체할 만큼의 이유를 느끼기 어려웠던 이유다. 최근 아이폰의 판매고가 감소한 것도 이런 현상과 무관하다고 볼 수 없다. 영리한 소비자들은 A17을 기다리며 구매를 늦추고 있다.

반도체 성능이 매년 비약적인 상승을 보이기는 어렵다. 과거 인텔이 설계와 공정을 번갈아 교체하는 '틱톡' 전략을 추진했던 것도 이런 특성을 반영한다. 인텔은 한 해는 CPU 설계를 변경하고 한해는 공정을 바꾸면서 업계를 주도했다.

10나노 이하 시대가 개막되고 삼성과 TSMC가 주도한 파운드리 시대가 열렸다. 팹리스, 즉 반도체 설계회사들은 파운드리 업체의 공정 미세화를 기다려야 한다. 미세화가 진화할수록 새로운 공정을 도입하는 어려움이 커진다. 10나노, 7나노에서 1나노를 줄이는 것에 비해 4나노에서 3나노로 1나노를 줄이는 것은 훨씬 어려운 일이다. 3나노 이후에는 2나노 공정도 도입해야 한다. 2나노는 3나노에서 회로 선폭을 무려 50%나 줄여야 하는 고난도 과제다. 2나노는 사실상 물리적인 한계라는 평가도 많다.

그래서 애플이 설계하고 TSMC가 만드는 3나노 공정 A17 칩에 더욱 이목이 쏠린다. 3나노 시대의 막을 여는 A17의 성과는 애플은 물론 3나노 시대를 준비하는 모든 반도체, 스마트폰, PC 업계의 벤치마킹 대상이다. 아울러 TSMC와 삼성전자, 여기에 인텔까지 뛰어든 파운드리 경쟁의 미래를 보여주는 창이기도 하다.

바잉파워로 TSMC 3나노 물량 싹쓸이 해 앞서가는 애플

TSMC는 오는 9월 아이폰15 출시를 앞두고 3나노 공정에서 웨이퍼당 70~80% 수준의 수율을 달성했다고 더 인포메이션은 파악했다. 이는 앞서 55%정도 수준이라는 보도를 크게 뛰어넘는 수준이다. 지난 7월 초 하이투자증권이 삼성 3나노 수율이 60%를 돌파했다고 전하며 기대를 키웠지만, TSMC 역시 3나노 공정이 본격화하고 있다는 예로 볼 수 있다.

애플과 TSMC 간의 계약 내용도 어느 정도 정해진 모양새다. 더 인포메이션은 TSMC가 불량으로 판명된 A17 칩의 비용을 애플에 청구하지 않는 방향으로 결정됐다고 전했다. TSMC가 양품 칩에 대해 더 많은 가격을 청구할 수도 있지만, 애플 입장에서는 불량품 비용까지 부담할 필요가 없게 된다. 지난해 TSMC 매출의 23%를 차지한 애플이 가격 협상에서 승기를 잡은 셈이다.

한 웨이퍼에서 동일한 설계로 생산된 칩이 모두 같은 성능을 보이지 못한다. 특히 웨이퍼 외곽에서 나오는 칩의 경우 공정 특성상 불량률이 많은 편이다. 이 때문에 대부분의 칩 제조사들은 동일한 설계에서 생산한 제품도 설계 수준의 성능을 보이는 칩과 그렇지 않은 칩을 구분해 판매한다. 성능이 낮다고 불량품은 아니기 때문이다.

퀄컴의 고민...삼성 3나노 파운드리에도 물량 주나

가격보다도 중요한 부분은 TSMC가 애플 외에 다른 팹리스 업체에도 3나노 공정 물량을 배분하는 지 여부다.

이미 애플은 1년간 TSMC 3나노 공정 생산량을 확보했다고 알려졌다. 이 경우 업계의 셈법도 복잡해진다. 대표적인 예가 애플 A시리즈와 경쟁하는 스냅드래곤 칩을 만드는 퀄컴이다. 퀄컴도 TSMC의 주요 고객이다. 퀄컴은 갤럭시S23에 들어간 스냅드래곤 8 2세대 칩으로 애플의 A15 칩과의 상당 부분 격차를 줄였다는 평가를 받았다. 이 칩은 TSMC 4나노 공정에서 제조한다.

애플이 3나노 공정에서 생산한 A17을 아이폰15에 탑재하면 퀄컴의 4나노급 칩과의 성능 격차가 크게 벌어질 것으로 예상된다. 지난해 모처럼 격차를 줄인 노력이 희석될 위기다. 퀄컴이 격차를 좁히기 위해서는 3나노 공정 확보가 필수다. 그러나 업계에서는 퀄컴이 TSMC 3나노 공정을 사용한 칩을 공급할 수 있는 시기를 2025년경으로 추산하고 있다.

애플이 TSMC 3나노 공정을 약 1년간 독점할 것으로 전망되는 상황은 현재 3나노 공정을 보유한 삼성의 위상에도 영향을 미친다.

안드로이드 스마트폰 판매 부진으로 실적 감소를 겪고 있지만, 퀄컴은 반도체 업계의 큰손이다. 퀄컴은 삼성 파운드리를 사용한 스냅드래곤 8 1세대에서 발열 현상을 겪은 후 TSMC로 돌아섰다. 삼성이 갤럭시S23에 TSMC가 제조한 스냅드래곤 8 2세대를 사용한 어쩔 수 없는 이유였다.

스냅드래곤8 3세대는 TSMC가 생산한다. 문제는 4세대다. 궈밍치 TF증권 애널리스트는 최근 퀄컴이 인텔의 2나노급 공정에서 손을 뗀 것으로 파악된다고 전했다. WCCF테크는 이와 관련해 퀄컴이 인텔을 배제하고 삼성과도 손을 잡을 가능성이 커졌다고 전망했다. 이미 퀄컴이 삼성 3나노 라인에서 4세대 샘플을 시험 생산했다는 보도도 나왔다.

궈밍치 애널리스트는 삼성이 게이트 올어라운드(GAA) 기술로 개발한 3나노 공정에 대한 신뢰가 높아지면 퀄컴도 칩 생산 업체를 TSMC와 삼성 두 곳으로 변경할 수 있다고 내다봤다. TSMC에 전적으로 의존하는 애플과 달리 퀄컴은 칩 공급 업체를 두 곳으로 확대할 경우 공급 가격 협상에서 우위를 점할 수 있기 때문이다.