대만 TSMC가 반도체 위탁생산(파운드리) 3나노 미세공정 도입 초기 성과에 힘입어 차세대 공정 반도체 양산을 앞당기며 인텔과 퀄컴 등 대형 고객사 수주에 앞서갈 것이라는 시선이 나온다.

파운드리 분야 추격자인 삼성전자는 3나노 공정부터 차세대 GAA(게이트올어라운드) 기술을 도입하며 승부수를 뒀지만 수율 확보 측면에서 TSMC에 약점을 안고 있어 경쟁력을 확보하기 쉽지 않다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부 사장은 GAA 기술 전환을 성공적 결과로 이끌어내야 하는 과제를 안게 됐다.

6일 하드웨어타임스 등 외국언론 보도에 따르면 증권사 모건스탠리는 최근 보고서를 통해 인텔이 차세대 CPU(중앙처리장치) 생산에 TSMC의 3나노 미세공정 적용을 확대할 것이라는 전망을 내놓았다.

인텔은 자체 시스템반도체 생산 기술력이 경쟁사보다 떨어진다고 판단해 이례적으로 외부업체인 TSMC를 통해 CPU를 위탁생산하는 방안을 추진하고 있다.

모건스탠리는 구체적으로 인텔이 2024년까지 출시하는 CPU 전체 물량의 20~25%를 TSMC의 3나노 공정에서 생산할 것이라고 예상했다.

퀄컴도 3나노 미세공정 기반으로 생산하는 차세대 모바일프로세서(AP) 생산 물량을 모두 삼성전자 대신 TSMC에 맡길 것이라는 관측이 나오고 있다.

TSMC가 지난해 3나노 공정을 도입해 반도체 양산을 위한 시험가동을 시작한 성과로 세계 대형 시스템반도체기업들의 주문을 잇따라 수주해 파운드리 분야 시장지배력을 더욱 굳힐 수 있다는 것이다.

대만 디지타임스는 최근 관계자를 인용해 TSMC와 삼성전자가 모두 3나노 미세공정 반도체의 생산수율 안정화에 고전하고 있다고 보도했다. 삼성전자는 올해 상반기, TSMC는 하반기에 본격적인 3나노 양산에 들어갈 것으로 예상된다.

반면 모건스탠리는 TSMC가 이미 3나노 공정의 업그레이드 버전인 N3e 공정의 수율도 빠르게 높여 양산 예정 시기도 내년 2분기로 앞당기고 있다며 TSMC에 긍정적 전망을 내놓았다.

N3e 공정은 3나노 공정보다 집적도를 8%, 5나노 공정과 비교하면 60% 개선한 기술로 반도체 성능과 생산효율을 끌어올리는 데 효과를 낼 수 있다.

TSMC가 3나노 미세공정 경쟁에서 확실하게 우위를 차지한다면 삼성전자에 부정적 요소가 될 수밖에 없다. 최시영 사장이 삼성전자 파운드리와 TSMC 사이 격차를 최대한 좁힐 수 있도록 올해 상반기 양산을 목표로 한 3나노 공정의 장점을 초반부터 확실하게 증명해야 할 필요성이 크다는 분석이 제기된다.

삼성전자가 3나노 미세공정부터 기존 파운드리에 활용하던 핀펫(FinFet) 공정 대신 GAA 공정을 처음으로 도입하기로 하면서 초반 속도전에서는 TSMC에 밀릴 수밖에 없었다는 시선이 많다.

핀펫은 전류가 흐르는 통로를 3면, GAA는 4면으로 구성하는 반도체 설계 방식인데 접촉면이 늘어날수록 반도체의 전력효율 및 성능이 개선되고 크기는 줄어드는 효과가 있다.

TSMC는 3나노 공정에도 기존의 핀펫 기술을 계속 적용하기로 한 반면 삼성전자가 3나노 공정부터 반도체 기술 우위를 차지하겠다는 목표를 두고 과감하게 기술 전환을 시도한 것이다.

그러나 삼성전자가 GAA 공정기술을 처음 도입하는 만큼 자연히 수율 안정화에서 TSMC보다 불리할 수밖에 없다.

삼성전자는 1월 말 콘퍼런스콜에서 “파운드리 최신 공정의 초기 생산라인 구축이 계획보다 지연됐다”며 “반도체 공정 미세화로 안정적 수율 확보에 난도가 높아졌다”고 말했다.

당분간 TSMC와 3나노 공정 경쟁에서 현재까지 불리한 상황에 놓여 있다는 점을 사실상 인정한 것으로 풀이된다.

TSMC도 향후 GAA공정을 차기 미세공정에 도입할 때 삼성전자와 같이 오랜 시간을 들여 기술적 한계를 넘어야만 하는 만큼 장기적으로 삼성전자의 선제적 기술 전환은 경쟁에 유리한 요소가 될 수 있다.

그러나 당장 글로벌 반도체 공급부족 사태 여파로 세계 반도체기업들의 파운드리 주문이 급증하는 상황에서 TSMC가 안정적 3나노 공정 기술력으로 고객사 수요를 독식하는 일이 벌어진다면 삼성전자에 부정적이다.

TSMC에 퀄컴 등 핵심 고객사를 빼앗겼다가 나중에 다시 되찾아오는 일은 파운드리사업 특성상 쉽지 않기 때문이다.

결국 최 사장은 삼성전자가 3나노부터 GAA 기술 도입을 선택한 과감한 결정을 성공으로 이끌기 위해 3나노 반도체 양산 시기를 최대한 앞당기고 기술 우수성을 인정받아 고객사 기반을 지켜내야 하는 과제를 안고 있다.

3나노 공정 도입이 늦어지는 일은 삼성전자가 한국과 미국에서 진행하는 반도체 파운드리 시설투자 지연으로 이어져 TSMC와 물량 경쟁에서도 불리한 요소로 작용하게 될 수 있다.

더구나 TSMC가 모건스탠리 분석과 같이 3나노 수율 안정화에 더욱 속도를 내며 격차를 벌려 경쟁에서 앞서나간다면 최 사장이 삼성전자 파운드리사업에서 앞으로 넘어야 할 산은 더욱 높아질 수밖에 없다.

최 사장은 최근 파운드리포럼을 통해 “2022년 상반기 GAA 공정을 3나노 공정에 도입한 뒤 3나노 2세대, 2나노 공정 등에 적용해 나가겠다”며 “기존의 경험을 살려 삼성전자의 반도체 공정 기술력을 강화해 나가며 여러 고객사 수요에 대응하겠다”고 말했다. [비즈니스포스트 김용원 기자]