삼성전자, 반도체 파운드리 집중 투자…2023년 점유율 25% 가능할까

임민철 / 기사승인 : 2020-03-14 15:25:22
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팀→사업부로 분리 3년…점유율 8→18%, 세계 4→2위 도약
인텔·애플 등 '큰손' 잡아야…'파운드리 분사' 가능성은 희박
화성 신규 생산라인 통해 올해 '7㎚ 이하' 공정 양산 가속도
설비투자 10년간 60조 추진…TSMC와 대형고객 수주 격돌
삼성전자가 세계 2위 규모 반도체 파운드리(위탁생산) 사업 키우기에 한창이다. 올해부터 오는 2030년까지 시스템반도체 연구개발(R&D)·생산시설 확충에 133조 원을 투자한다는 계획아래, 순수 파운드리 사업만으로 매출 1위를 기록하고 있는 대만 TSMC와의 격차 좁히기에 주력한다.

양사는 3위 이하 업체를 제쳐 놓고 최근 몇년 간 반도체 생산라인에서 더 미세한 첨단 공정 기술을 누가 먼저 선보이고 보급하느냐로 접전을 벌이고 있다. 이 경쟁의 핵심은 웨이퍼의 칩에 새겨질 논리회로 즉 '게이트'의 선폭을 수 나노미터(㎚·10억분의 1m)로 좁혀, 반도체 집적도와 성능을 높이는 것으로 요약된다.

삼성전자가 반도체 공정 기술 선점으로 경쟁 우위를 갖춰 가고 있지만, 파운드리 시장 점유율 면에서는 아직 갈 길이 멀다. 지난해 TSMC가 시장 점유율 절반 이상을 차지할 동안 삼성전자 파운드리의 점유율은 17~19% 수준이었다. 작년 4분기 TSMC의 매출은 삼성전자의 두 배를 훌쩍 넘어 세 배에 근접했다.

▲ 이재용 삼성전자 부회장은 지난달 20일 회사의 첫 EUV 전용 반도체 생산라인인 화성사업장 V1 라인을 방문해 임직원들을 격려했다. [삼성전자 제공]

5세대(5G) 이동통신 서비스와 인공지능(AI) 및 자율주행 시스템 확산이 본격화할 올해가 삼성전자 파운드리 사업 도약의 기점이 될 수 있다. 삼성전자는 지난달 퀄컴 5G 모뎀 칩 '스냅드래곤 X60' 위탁생산 물량 일부를 수주한 것으로 알려졌고 이달 초 '엘모스'와 차량용 반도체 개발 및 제조에 협업하기로 했다.

올해 파운드리 사업부가 시스템SLI 사업부에서 설계한 갤럭시 스마트폰용 프로세서 등 '내부 거래'로 칩 공급을 지속하면서 애플·인텔 등과의 외부 거래를 확대할 여지도 있다. 이런 사업 기회를 공략해 올해 이후 매출 성장폭을 극대화하면 오는 2023년까지 '점유율 25% 안착'이라는 기존 목표에 더 다가갈 수 있다.

작년말 공개된 가트너 반도체 파운드리 산업 전망 보고서에 따르면 5G 이동통신 서비스 등 산업계 수요로 반도체 수요가 활발해져, 올해 세계 파운드리 시장 규모는 작년보다 10.4% 커진 688억 달러(약 82조8000억 원)가 될 전망이다.

최근 가동된 화성사업장의 신규 라인이 삼성전자 파운드리의 첨단 생산기지 역할을 맡았다. 이재용 삼성전자 부회장이 연초 두 번에 걸쳐 이 곳을 찾으며 그 중요성을 증명했다. 이 부회장은 이곳을 작년 삼성전자 창립 50주년 기념식에서 제시한 '100년 기업' 비전의 실현 기반으로 삼으려는 모양새다.

▲ 이재용 부회장은 올해 1월 삼성전자 화성사업장을 방문해 최신공정 기술 개발 보고를 받고 임직원들을 독려하기도 했다. [삼성전자 제공]

사업부 독립 출범 3년, 세계 2위 목표 달성했지만…힘겨운 선두 추격

삼성전자는 지난 2005년 파운드리 사업을 시작했다. 지난 2017년 5월 연매출 5조3000억 원 규모로 세계 4위 수준이었던 '파운드리 사업팀'을 별도 사업부로 독립시켰다. 당시 2~3위 업체와 격차가 거의 없었던 파운드리 분야에 투자를 집중해 선두업체와의 격차를 빠르게 좁히겠다는 구상이었다.

당시 정은승 삼성전자 파운드리사업부장은 독립 출범하는 사업부의 성장을 촉진하기 위해 대형 고객사뿐 아니라 더 작은 고객사들과의 계약을 통해 확고한 시장 2위 업체가 되겠다고 예고했다. 그로부터 5~6년 뒤인 오는 2023년까지 시장 점유율 25%를 확보한다는 목표도 언급했다.

앤드류 루 바클레이스투자은행 애널리스트는 이보다 좀 더 보수적인 관측을 제시했지만 삼성전자 파운드리사업부의 독립의 효과가 작지 않을 것임을 인정했다. 그로부터 5년간 삼성전자 파운드리 사업이 지속 성장해, 8%인 점유율이 매년 2%씩 늘고, TSMC의 시장 점유율이 연간 1%씩 줄거라 전망하면서다.

이후 삼성전자의 파운드리 업계 2위 목표는 이미 달성됐다. 지난해 3월 시장조사업체 트렌드포스 발표에 따르면 작년 1분기 삼성전자 파운드리 사업의 매출은 27억8500만 달러, 점유율은 19.1%다. 이는 업계 3위인 미국 회사 글로벌파운드리(GlobalFoundries)의 두 배 수준이다.

하지만 2위 삼성전자와 1위 TSMC의 체급 차이는 여전히 컸다. 작년 1분기 TSMC의 매출이 삼성전자의 두 배 이상인 70억2800만 달러, 점유율은 48.1%였다. 4분기 삼성전자가 매출을 34억7000만 달러까지 늘렸지만, 점유율은 17.8%에 그쳤다. 이 때 TSMC가 점유율 52.7%를 기록하며 삼성전자와의 거리를 벌렸다.

TSMC와의 경쟁에서 삼성전자 파운드리 사업부가 갖는 약점은 '내부 거래' 의존도가 높다는 점이다. 이 사업부가 독립하기 전부터 수행했던 삼성전자 시스템LSI 사업부의 반도체 제조 위탁생산 실적이, 독립 이후에도 전체 사업 매출에서 상당 비중을 차지하고 있다는 뜻이다.

실제로 작년 1분기 삼성전자의 파운드리 시장 점유율이 19.1%로 정점에 달할 때 실적의 과반을 시스템LSI 사업부에 의존한 것으로 나타났다. 트렌드포스 보고서에 따르면 이 기간 삼성전자 파운드리 매출 중 외부 고객사를 통한 비중은 40%에 불과했다.

삼성전자 파운드리가 더 빠르게 성장해 TSMC와의 격차를 다시 좁히려면 외부거래 실적을 지속적으로 늘릴 필요가 있어 보인다. 전체 매출 비중에서 퀄컴, 엔비디아, 애플 등 반도체 설계전문 기업의 위탁생산을 수주해 발생하는 수익을 키워야 한다는 뜻이다.

▲ 정은승 삼성전자 파운드리사업부장이 지난해 5월 '삼성 파운드리 포럼'에서 5G, 자율주행, HPC 등 트렌드로 창출되는 신시장 기회를 제시하고 있다. [삼성전자 제공]

파운드리 분사 시나리오가 성장 카드?…전문가들 "가능성 낮아"

삼성전자 파운드리가 반도체 설계 전문업체를 뜻하는 '팹리스' 회사들로부터 위탁생산 수주를 늘려야 성장 폭을 키울 수 있다는 점은 부정할 수 없다. 일각에선 이를 위해 삼성전자가 파운드리 사업부를 아예 독립법인으로 만드는 방안을 검토하고 있다는, 소위 '파운드리 분사설'을 제기한다.

이 분사설을 제기하는 쪽 논리는 이렇다. 팹리스 기업은 삼성전자에 칩 위탁생산을 맡겼을 때 발생할지 모르는 설계기술 유출을 우려하고 있다. 삼성전자가 반도체 부문에서 서버·PC·모바일 등 기기별 메모리를 직접 개발 및 생산하고 갤럭시 스마트폰용 프로세서와 5G 모뎀 등 통신 칩까지 직접 설계하고 있어서다.

반면 TSMC는 자체 제품이 없는 순수 파운드리 업체라, 생산의뢰를 받은 칩의 설계를 도용할 일이 없다. 이런 '신뢰'를 얻으려면 삼성전자도 파운드리사업부를 독립법인으로 만들어야 한다. 그래야 애플이나 퀄컴같은 시장의 '큰손'들이 TSMC에 그러하듯 삼성전자 파운드리와도 손을 잡을 수 있다.

하지만 이는 삼성전자 파운드리 사업부가 누려 온 이점을 간과한 논리다. 실제 분사가 이뤄졌을 때, 파운드리 사업부는 더 이상 시스템LSI 사업부 '엑시노스' 칩 위탁생산 독점 물량이나, 반도체 부문의 전문 인력 및 특허 활용을 보장받을 수 없다. 이를 포기할만큼 분사 후의 이익이 보장된 것도 아니다.

이런 삼성전자의 파운드리 분사설은 지난 2016년 말부터 불거졌다. 이미 당시에 아쉬라프 이사(Ashraf Eassa) 더 모틀리 풀 애널리스트가 삼성전자 입장에서 파운드리 독립에 실익이 적다고 진단했다. 기술 선도를 위한 R&D와 설비투자의 안정성, 시스템LSI 사업부의 보장된 수요가 사라질 거란 이유에서다.

삼성전자 파운드리사업부 분사설은 지난해부터 다시 제기됐지만, 복수의 반도체 업계 전문가들은 여전히 삼성전자 입장에서 "파운드리 법인을 독립시켜야 할 이유가 전혀 없다"며 그 가능성을 일축했다. 이들은 파운드리사업부가 외부 위탁생산 물량 확대와 시스템LSI 사업부와의 협업을 병행하는 게 합리적이라 봤다.

김기남 삼성전자 대표도 올초 한국공학한림원 신년하례식에서 파운드리 분사 관련 질문에 계획이 없다고 답한 것으로 알려졌다. 그는 시스템LSI 사업부와 파운드리 사업부를 총괄하는 디바이스솔루션(DS) 부문의 수장이다. 홍보실도 최근 관련 문의에 이같은 김 대표 발언이 공식입장이란 취지로 답했다.

▲ 이재용 부회장(맨 오른쪽)이 지난해 김기남 대표(오른쪽 두번째) 등 반도체 부문 경영진과 함께 반도체 검사·조립 라인이 있는 온양캠퍼스를 방문했다. [삼성전자 제공]

서버·모바일 칩 이어 차량용 반도체 등으로 외부거래 수주 확대

삼성전자 파운드리 사업부가 독립하지 않더라도 외부거래 비중을 늘릴 여지는 많다. 사업부가 시스템LSI로부터 분리된 2017년 당시 이미 퀄컴, 엔비디아, NXP세미컨덕터 등을 고객사로 두고 있었다는 점이 이를 방증한다. 이후 알려진 연장·신규 계약 사례 역시 삼성전자 파운드리 사업부에 새로운 기회다.

일례로 IBM은 지난 2018년 12월 삼성전자와 손잡고 IBM의 7㎚ 공정 기반 서버용 중앙처리장치(CPU) 제조 위탁 및 기존 양사간 공정기술 R&D 파트너십 연장을 하기로 했다고 발표했다. 당시 IBM은 이를 인공지능(AI)에 특화된 고성능컴퓨팅(HPC) 기술 시대에 대비하기 위한 협업이라고 소개했다.

인텔은 지난해 11월 주주대상 공개서한을 통해, 자사 CPU 생산 여력을 확보하기 위해 자체 생산 품목 중 CPU를 제외한 나머지 품목의 위탁생산 비중을 늘리겠다고 밝혔다. 이로써 인텔의 메모리 칩과 같은 반도체 제조를 TSMC나 삼성전자 파운드리같은 외부 업체가 맡을 수 있게 됐다.

지난해 12월 키움증권에 따르면 퀄컴은 올해부터 삼성전자 파운드리 7㎚ 공정으로 양산되는 2020년형 중가 스마트폰용 프로세서 '스냅드래곤765·765G'를 공급받아 삼성전자에 분기당 매출 7000억 원을 안겨 준다. 이로써 삼성전자의 파운드리 매출은 2018년 4조8000억 원에서 내년 7조7000억 원으로 는다.

퀄컴은 내년 이후 삼성전자에 추가 매출도 발생시킨다. 지난달 외신 보도에 따르면 퀄컴은 삼성전자 파운드리의 5㎚ 공정 기술을 활용해 5세대(5G) 이동통신 모뎀 칩 '스냅드래곤X60'을 위탁생산하는 계약을 삼성전자와 체결했다. 이번 5㎚ 칩 공급 계약은 업계 예측을 넘어선 삼성전자 파운드리 실적을 기대케 한다.

삼성전자에게 중장기 매출 기회도 있다. 이달초 삼성전자는 독일 반도체 업체 엘모스(Elmos)와 차량용 반도체 R&D부터 삼성전자 설비를 활용한 칩(IC) 생산까지 협업하기로 했다. 미국 리포트링커에 따르면 세계 차량용 반도체 시장은 작년부터 2027년까지 연평균 6.76% 성장해 640억2000만 달러(약 76조 원)가 된다.

한승훈 삼성전자 파운드리 마케팅팀 전무는 엘모스와의 계약을 발표할 당시 "유럽은 자동차 반도체 분야에서 고수준의 품질을 갖춘 제품으로 명성이 높다"며 "유럽의 선도 업체들 가운데 한 곳(의 설계 협업 및 위탁생산 계약 수주)을 따낸 것은 영광인 동시에 도전적인 일"이라고 자평했다.

▲ 삼성전자 파운드리 사업부가 지난해 퀄컴 등의 칩 생산을 위탁받아 올해 본격 양산에 들어가면 이후 수천억 규모 매출이 발생할 것이란 관측이 나왔다. [키움증권 산업분석 보고서 캡처]

TSMC와 첨단 제조기술 선도 경쟁…위탁생산 수주 확대 포석

삼성전자 파운드리 사업부가 이런 외부거래 기회를 온전히 매출로 연결시키려면 그에 걸맞는 고효율 반도체 제조 기술과 양산 능력을 보유해야 한다. 실제 삼성전자는 파운드리 사업의 성장을 위해 칩 생산량과 성능을 모두 늘릴 수 있는 첨단 미세공정 기술 확보에 집중하고 있다.

현재 업계에서 차세대 공정 기술 핵심으로 기존 불화아르곤 대신 '극자외선(EUV)'을 사용하는 '노광' 공정이 꼽힌다. 노광은 반도체 웨이퍼에 빛을 쪼여 회로를 새기는 단계다. 이 때 파장이 짧은 EUV를 사용한 EUV 노광 기술이 반도체 회로를 그리는 선폭을 7㎚ 이하로 만드는 초미세 공정 구현에 유리하다.

삼성전자 측은 EUV 기술에 대해 "급증하는 정보를 처리할 수 있는 고성능 저전력 반도체를 만드는데 필수적인 기술"이라며 "회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티 패터닝(Multi-Patterning) 공정을 줄일 수 있어 성능과 수율이 향상되고, 제품 출시 기간을 단축할 수 있는 장점이 있다"고 강조하고 있다.

삼성전자는 EUV 기반의 신공정을 빠르게 도입해 TSMC와의 기술 선도 경쟁을 벌이고 있다. TSMC가 일반 7㎚ 공정을 먼저 도입하긴 했지만, 삼성전자가 지난해 EUV 기반 7㎚ 공정을 최초로 선보였다. EUV 기반 5㎚ 공정과 더 효율적인 트랜지스터 구조를 적용한 3㎚ 공정 기술로도 TSMC를 앞서겠다고 예고했다.

삼성전자는 지난달부터 화성사업장에서 EUV 공정 전용으로 가동에 들어간 'V1' 라인을 통해 7㎚ 이하 칩 생산에 주력할 것으로 예고했다. 상반기 5㎚ 공정으로 칩 양산을 시작하고, 연내 고객 다변화를 추진한다. 연말까지 7㎚ 이하 제품 생산 규모를 작년대비 3배 이상 확대할 것으로 예상하고 있다.

삼성전자는 "V1 라인은 5G·AI·자율주행 등 4차 산업혁명 시대를 가속화하는 차세대 반도체 생산 핵심기지로서 역할을 할 것"이라며 "최첨단 공정 기술을 바탕으로 퀄컴, 바이두 등 대형 팹리스 기업과 협력을 추진하며 모바일부터 HPC 분야까지 파운드리 영역을 확대해 나가고 있다"고 강조했다.

▲ 세계 파운드리 시장에서 삼성전자와 TSMC가 '한 자리수' 나노미터 수준의 미세공정 기술을 적용해 반도체 양산을 누가 먼저 하느냐로 둘만의 경쟁을 벌이고 있다. 사진은 반도체 기업별 파운드리 공정 도입 연대표. [IC인사이츠 제공]

삼성 '반도체 비전 2030' 추진…아이폰용 모바일 칩 물량 탈환할까

삼성전자의 파운드리 사업 방향은 향후 메모리반도체 이상으로 수요가 확대될 미래 시스템반도체의 위탁생산 수요를 공략하는 데 맞춰져 있다. 국내·외 반도체 설계전문 업체들의 시스템반도체 제품 생산을 맡아 효율적으로 제조·공급하는 역할로 성장을 도모할 것으로 보인다.

예를 들어 삼성전자 파운드리사업부가 애플처럼 매년 차세대 아이폰에 최신 반도체 공정 기반의 모바일 프로세서를 설계해 수십억달러 규모의 위탁생산을 의뢰하는 팹리스 기업을 고객사로 유치한다면 매출과 시장 점유율을 빠르게 늘릴 수 있다.

업계 1위 TSMC가 2016년부터 최근까지 애플의 모바일 프로세서를 독점 공급해 왔다. 양사의 이런 관계는 적어도 올해까지는 지속될 것으로 보인다. TSMC가 올해 3분기 출시될 2020년형 아이폰 신제품에 탑재될 5㎚ 공정 기반 모바일 프로세서를 2분기부터 생산할 것으로 알려졌다.

지난 2018년 8월 EE타임즈 보도에서도 랜디 에이브럼스 크레디트스위스 애널리스트는 TSMC가 2020년까지 애플 프로세서 독점 공급업체 자격을 유지할 것이라고 전망했다. 이를 뒤집어 보면 지난 2015년 아이폰7용 칩을 공급했던 삼성전자가 향후 다시 애플 위탁생산 물량 수주전에 도전할 수도 있다는 얘기다.

삼성전자가 지난해 4월 선언한 '삼성 반도체 비전 2030' 기반의 투자 계획이 애플과 같은 고객사 확보를 위한 실마리가 될 수 있다. 이는 향후 10년간 시스템반도체 분야 전문인력 1만5000 명을 채용하고 반도체 R&D 및 생산시설 확충에 133조 원, 그중 최첨단 반도체 생산 인프라에만 60조 투자한다는 계획이다.

회사는 올해까지 누적 투자액 7조 원에 달하는 화성사업장의 신규 EUV 공정 라인을 활용해 생산량을 높이고 신규 라인 투자도 지속 추진하기로 했다. 이미 가동 중인 V1 라인뿐아니라 향후 증설할 7㎚ 이하 초미세공정 설비를 더 갖춰 최신 공정을 필요로하는 차세대 시스템반도체 물량 확보에 나설 것으로 보인다.

반도체 비전 2030 일환으로 국내 중소 팹리스 고객에 설계툴과 엑시노스 칩 등 설계자산(IP)을 지원하고, 물량 기준을 완화해 소량 제품 생산도 지원하겠다고 예고했다. 여러 기업의 서로 다른 칩을 한 번에 제조할 수 있는 멀티프로젝트웨이퍼(MPW) 프로그램을 공정당 연 2~3회로 확대 운영하겠다고 덧붙였다.

UPI뉴스 / 임민철 기자 imc@upinews.kr

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