[초점] 삼성전자, 파운드리에 '발목'…대량 투자·지속 성장에도 '미래 불안'

한국에서 가장 큰 수직 통합 대기업인 삼성은 반도체 사업에 거의 모든 다른 회사보다 더 많은 돈을 투자하고 다른 누구보다 앞서가는 선도적 공정 기술을 채택해 반도체를 생산 중이다.

하지만 그렇다고 해서 삼성이 로직 칩이나 메모리 생산에서 기술 리더라는 의미는 아니다. 실제로 성능과 비용면에서 TSMC, 인텔(Intel), 마이크론(Micron)에 뒤처져 있다는 평가를 받기도 한다.

삼성은 반도체 사업에 많은 돈을 투입하고 있지만 이것이 성공을 보장하지 않는다. 지난 몇 년 동안 삼성의 반도체 사업은 어려움을 겪고 있다는 많은 직‧간접적 증거를 보여 왔다.

삼성파운드리의 위탁생산 사업은 경쟁사에 비해 성장 속도가 빠르지 않은 반면 노드는 기대에 미치지 못하고 있다. 삼성 반도체는 1a DRAM 제조 공정에서 경쟁사보다 몇 개월 뒤처진 반면 삼성의 LSI 주력 시스템온칩(SoC)의 성능은 경쟁사에 비해 낮다.
다른 거대 기업들과 마찬가지로 삼성은 내구성이 매우 뛰어나며 많은 도전에서 살아남을 수 있는 충분한 재정적‧지적‧기술적 자원을 보유하고 있다. 유일한 문제는 문제가 발생했을 때와 경영진이 어떻게 문제를 극복하는가에 달려 있다.

삼성은 2017년부터 2020년까지 메모리 및 파운드리 부문의 반도체 생산 능력을 확장하는 데 932억 달러를 투자했으며 이는 인텔과 TSMC가 투자한 것보다 많다.

또한 회사는 새로운 공정 기술을 연구하고 개발하는 데 수십억 달러를 투자했다. 막대한 투자를 통해 파운드리와 2018년 로직 생산 및 2021년 D램 생산에 극자외선(EUV) 리소그래피를 처음으로 채택했다.

그러나 최신 리소그래피 도구를 사용한다고 해서 회사의 파운드리, 메모리 및 칩 개발 사업이 성공할 것이라는 보장은 없다.


극자외선 리소그래피는 멀티 패터닝을 줄이고 수율을 높이며 사이클 시간을 줄이면서 궁극적으로 성능을 높이고 비용을 낮추는 것을 의미한다. 그러나 삼성 파운드리는 7LPP(Low Power Plus), 5LPE(Low Power Early), 5LPP 제조 기술로 많은 추가 고객을 확보하는 데 실패했다. 회사의 유일한 큰 극자외선 승리는 퀄컴 주문이었다. 반면 엔비디아는 DUV(심자외선) 리소그래피만 사용하는 고급 10nm급 기술인 삼성의 8LPP 노드만 사용했다.
지난 1년 여 동안 삼성의 4nm 수율이 낮고 노드가 기대에 부응하지 못했다는 소문이 나왔다. 다른 반도체 계약업체와 마찬가지로 수율에 대해서 언급하지 않았다. 수율은 자체 및 고객의 영업 비밀이기 때문이다.

퀄컴이 삼성 파운드리의 4nm급 기술(4LPE 또는 4LPP)에서 ‘스냅드래곤 8 Gen 1 SoC’의 생산을 TSMC N4 노드 중 하나로 옮겼을 때 램(RAM)을 동작시키기 위해 메인보드에서 발생하는 일정한 주기 신호인 클록을 늘리는 동시에 전력 소비를 줄일 수 있었다. 즉, 성능이 크게 향상되었다. 이는 4LPE/4LPP가 적어도 와트당 성능 관점에서 직접적인 경쟁 제품보다 훨씬 덜 경쟁력이 있음을 보여주는 것이었다.

삼성 파운드리의 불충분한 첨단 수율에 대한 몇 가지 간접 확인 중 하나는 지난 4월 삼성의 LSI 사업부 마케팅 책임자가 주력 SoC의 수율 개선을 사전 발표했을 때 밝혀졌다.

“2분기에 주력 SoC의 수율 개선과 중급 제품의 라인업 추가로 SoC 공급이 크게 증가할 것으로 예상한다”고 말했다.

최근 몇 주 동안 삼성 파운드리의 3GAE 노드(3nm급, 게이트 만능 트랜지스터, 초기)를 사용하여 만든 칩의 수율도 기대에 미치지 못했다는 소문이 있었다. 회사의 ‘초기’ 노드가 일반적으로 거의 사용되는 것을 고려할 때 회사의 LSI 부서에서 독점하고 후자는 모든 세부 사항을 제3자와 거의 공유하지 않으므로 비공식적으로 소문을 확인할 수는 없다.

공식적으로 삼성은 3nm급 노드에서 시작하는 수율 시간을 단축하기 위해 새로운 흐름을 구현했다고 밝혔다.

삼성 관계자는 “3나노부터 노드 개발 시스템을 개선했다”고 말했다. 이어 “실제 우리는 이제 각 개발 단계에 대한 검증을 받았다. 이는 추후 수율 증가 기간을 단축하고 수익성을 개선하며 안정적인 공급을 보장하는 데 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.

이런 자신감 때문인지 삼성 파운드리는 바이든 대통령이 평택 공장을 방문했을 때 놀랍게도 3nm를 공개하며 서명을 받았다.

반도체 회사들이 비밀을 지키는 데 능숙하다는 점을 감안할 때, 삼성 파운드리의 낮은 수율이 진짜인지 궁금하다.

일반적으로 기업은 너무 야심 차거나 너무 평범한 목표를 설정하면 실패할 수 있다. 삼성 파운드리의 7nm 이상의 고급 노드를 사용하여 회사는 EUV 사용에 베팅했으며 2018년 이를 배포하려면 여러 독점 기술과 생산 방법을 도입해야 했다.

대조적으로, TSMC는 2018년에 N7 노드에 EUV 도구를 사용하지 않았으며 EUV 도구가 성숙된 후 2019년에 후속 N7+ 기술과 함께 EUV 레이어만 제공했다. TSMC는 프로세스 기술 개발에 대한 다소 보수적인 접근 방식과 고객에게 많은 예측 가능성을 제공하는 새로운 도구 사용으로 유명하다.

예상 가능한 높은 수율과 함께 예측 가능한 이점이 아마도 TSMC가 새로운 프로세스 기술 채택과 관련하여 다른 전술을 사용하는 애플 및 AMD 같은 거대 기술 기업으로부터 주문을 받은 이유일 것이다.


2020년 초 EUV 강화 공정 D1x로 만든 첫 테스트 D램 칩을 고객에게 출하했지만 이 기술은 대량 생산에 사용되지 않았다. 대신 삼성의 D램 사업부는 2021년 10월 말 D1a 노드(5개 레이어에 EUV 도구 사용)를 사용하여 만든 메모리 칩을 출하하기 시작했다.

삼성의 D1a는 13nm로도 알려진 회사의 4세대 10nm급 D램이다. 개발하는 데는 상당한 시간이 소요되어 마이크론(2021년 6월1a 기반 D램 IC 출하를 시작)과 SK하이닉스(2021년 7월 1a D램 생산) 모두에 뒤처졌다.

마이크론은 자사의 1a 제조 기술(EUV를 전혀 사용하지 않음)을 출하하는 모든 유형의 D램에 사용할 계획이며 미디어 보고서에 따르면 이미 널리 배포했다. 결과적으로 마이크론은 1a 프로세스로 삼성을 제치고 1위를 차지했다. 결과적으로 마이크론의 메모리는 제조 비용이 저렴해 같은 용량의 DDR4 칩보다 물리적으로 더 크고 같은 노드에서 생산되는 DDR5 IC의 경우 특히 유리하다.

시간이 지남에 따라 삼성은 EUV 기반 D램 공정 기술에 대한 광범위한 경험으로 인해 리더십을 되찾을 수 있지만 현재로서는 회사가 게임을 주도하는 것으로 보이지 않는다는 평가다.

흥미롭게도 마이크론은 EUV 스캐너 비용, EUV 장비의 제한된 생산성, 불완전한 CD(임계 치수) 균일성 및 긴 주기 시간 때문에 EUV 도구 사용을 단점으로 보고 있다.

엔지니어를 인용한 디지타임즈(DigiTimes) 보고서에 따르면 삼성은 경쟁에서 앞서려고 1b 공정 기술을 건너뛰고 대신 1c(11nm)에 집중할 계획으로 알려졌다.

삼성전자 관계자는 “12나노 개발 계획이 안정적으로 진행되고 있고, 후속 노드들도 중장기 기술 로드맵에 따라 개발될 것”이라고 말했다.


여러 가지 문제에도 불구하고 삼성은 마이크론, SK하이닉스, TSMC보다 더 우위에 있다. 메모리 칩 및 반도체 제조 서비스보다 훨씬 많은 것을 판매 중이다. 개당 1000달러가 넘는 스마트폰이나 훨씬 더 비싼 텔레비전을 포함하여 모든 종류의 소비자 전자 제품을 판매한다. 따라서 수율이 높지 않고 비용이 낮지 않더라도 삼성은 여전히 ​​수익성이 있다.

그러나 평범한 노드와 수율의 문제는 삼성 자체 SoC(System-on-Chip)의 성능과 기능에 영향을 미친다.

삼성 이재용 부회장이 “목숨을 걸고 해야 한다”고 말한 절박감은 이상의 문제들이 단순한 비판이 아니라 일정 부분 근거가 있음을 방증한다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com