[반도체 시사] 파운드리 수율 전쟁, 삼성전자 vs. TSMC vs. 인텔

최근 퀄컴이 3나노 파운드리 공정을 TSMC에 전량 맡긴다는 소식을 접했었습니다. 하지만 TSMC도 수율 문제를 겪는다는 소식이 들리네요. 흠.. 누구 말이 맞는건지. 반도체는 경쟁사끼리 블러핑이 너무 심한거 같아요..

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삼성 vs TSMC, 치열한 3나노 초미세공정 기술 경쟁

올해 삼성전자와 TSMC가 3nm 이하 초미세공정 기술 경쟁이 본격화합니다. 삼성전자는 3nm 공정에 처음으로 GAA 기술을 적용하고 빠른 시일 내에 양산하겠다는 계획으로 차세대 기술 선두권을 확보하는데 주력하고 있습니다. GAA 기술 적용시 기존 FinFET 기반 5nm 공정에 비해 30% 성능 향상과, 50%의 전력소모 절감, 면적은 35% 줄어듭니다. 3nm 1세대는 상반기 중에, 2세대는 2023년에 양산을 시작할 예정입니다. 현재 삼성전자 LSI 사업부와 미국 AMD 등이 삼성전자의 첫 3nm 파운드리 고객이 될 것으로 보입니다. 

• 초미세공정 기술 경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 높은 수율을 달성하는 것에 주력해야 합니다. 높은 수율 달성을 목표로 초미세공정의 개발과 양산시기가 빠를수록 시장 점유율 확보와 신규 고객사 확보에 유리하기 떄문입니다. 현재 5nm 이하 미세공정이 가능한 두 회사는 기술 경쟁력을 확보함으로써 대형 고객사를 확보하는 전쟁을 벌이고 있습니다. 글로벌 파운드리 점유율은 지낸하 3분기 기준 TSMC가 53.1%, 삼성전자가 17.1%이지만 초미세 공정은 6:4 수준으로 격차가 크게 줄었습니다.
   
• 삼성전자는 2025년 GAA 기반 2nm 공정 양산 로드맵을 발표했고, TSMC 또한 2025년 2nm 공정을 개발하여 양산에 적용할 계획을 내놓았습니다. TSMC는 2nm 공정부터 GAA 기술을 도입하기로 했다고 발표했습니다. 
  
  
• 여기에 인텔 또한 기술 경쟁에 참여할 것으로 보입니다. 인텔은 작년 7월 초미세공정 로드맵을 발표했고 2024년까지 2nm 수준의 반도체 공정 기술을 확보하겠다고 밝혔습니다. 

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TSMC 또한 3nm 수율 문제로 인해 AMD의 CPU 계획 무산 가능성

현재 반도체 업계에 따르면 TSMC 또한 3nm 공정 수율에 큰 어려움을 겪고 있는 것으로 알려졌습니다. 3nm 저수율 문제가 지속되면 고객사들이 5nm 공정 노드의 사용을 연장할 수 있다고 말했습니다. 또한 대형고객사를 두고 있는 TSMC는 AMD 및 NVidia와 같이 가장 인기있는 제품의 로드맵에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. TSMC는 3nm에 GAA 기술을 적용하는 삼성과 달리, 3nm 공정에 FinFET을 적용합니다. 하지만 3nm FinFET 공정으로 만족스러운 수율을 달성하는 것이 매우 어렵다는 것이 업계에 정설입니다. TSMC의 프로세스 논쟁과 지속적인 수정에도 불구하고 내부자들은 수율이 예상보다 낮게 유지되고 있다고 말합니다. 

• "TSMC가 3nm 반도체 수율 확보에 어려움을 겪고 있으며, 기존 기술 로드맵을 여러차례 수정했고 3nm 수율 문제가 지속되면 고객사들이 5nm 공정노드 사용을 연장할 수 있도록 했다"고 대만 정보기술 매체 디지타임스에서 보도했습니다.
• 다만 TSMC가 공식적으로 3nm 공정지연을 인정한적은 없다고 발표했습니다. 지난해 3nm 공정 'N3' 양산을 발표했고, 최근에는 생산 단가를 낮춘 'N3E' 공정도 공개한 바가 있습니다. 하지만 TSMC의 3nm 공정이 하반기 양산 목표를 충족하기 어렵고, 파운드리 고객사에 기존 4-5nm 공정을 배정하고 있는 것으로 알려졌습니다. 
• TSMC는 3nm 공정 생산라인을 가동하여 7월부터 3nm 기술이 적용된 인텔, 애플 등의 반도체를 양산할 계획입니다. 하지만 그래픽처리장치인 GPU를 공급하는 엔비디아는 연내 출시 예정인 RTX40 시리즈의 생산을 위해 TSMC에 90억 달러의 선금을 지급하고도 5nm 공정을 배정받았습니다. 뿐만 아닌라 TSMC의 최대 고객사로 알려진 애플의 차기 스마트폰 '아이폰 14시리즈'에 탑재될 A16 칩셋 역시 4nm 공정이 적용될 가능성이 높습니다. 
• 인텔과 경쟁하는 미국 AMD 사 역시 올해 출시할 노트북용 라이젠 6000시리즈와 젠4(Zen4) 기반 라이젠 프로세서에 3nm 공정을 적용할 계획이었으나, 최근 각각 6nm, 5nm 공정을 적용하는 것으로 계획을 변경한 것으로 전해졌습니다. 
• TSMC의 낮은 3nm 공정 수율 때문에 AMD 등을 포함한 TSMC 고객사 일부가 로드맵을 수정하는 혼란을 겪고 있습니다. 반면에, 삼성전자는 오는 6월부터 3nm 양산을 계획대로 진행한다고 발표했습니다. GAA 기술을 적용한 3nm 양산을 세계 최초로 시작함으로써 TSMC와의 기술 경쟁에서 한 발 앞서 나가겠다는 방침입니다. 대규모 투자를 통해 생산 역량을 확대하고 GAA 등 첨단 미세공정뿐 아니라 기존 공정에서도 차별화된 기술 혁신을 이어나갈 것이라고 말했습니다.

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■ 느낀점

• 현재 3nm 공정 수율을 맞추는데 글로벌 파운드리 업계들이 난항을 겪고 있습니다. 그러면서 퀄컴, 엔비디아, AMD 등 대형 팹리스 기업들이 물량을 어디에 맡겨야 하는지 어려움을 겪고 있는 상황입니다. 현재 파운드리 선두권인 TSMC, 삼성전자의 수율문제가 드러나자, 대안을 찾던 고객사들이 최근 파운드리 시장 진출을 본격화한 인텔에 조금씩 관심을 가지고 있습니다.
• 파운드리 사업은 특성상 오랜기간 동안 축적된 글로벌 고객사의 신뢰도가 매우 중요하다고 생각합니다. 개인적인 생각으로 이제 막 초미세공정 경쟁에 뛰어든 인텔이 눈부신 도약을 할 것으로는 기대되지 않습니다. 
  
  
• TSMC는 선단공정인 3nm 수율을 목표치 까지 끌어내지 못한 것으로 전해지면서 대형 고객사들의 제품에 3nm 공정을 적용하기로 했던 계획을 5-6nm 공정으로 변경하면서 제품 로드맵 전체가 변경된 상황을 미루어보아, 파운드리 사에서 수율이 곧 기업 경쟁력과 직결된다는 것을 알게 됐습니다. 
  
  
• 삼성전자 파운드리는 이미 최고의 고객사인 퀄컴과 엔비디아 등, 4nm, 7nm 파운드리 공정을 TSMC로 옮겼다는 소식을 접했습니다. 삼성의 4nm 파운드리 생산수율은 30% 안팎으로 추정된다고 하며, 대형고객사의 이탈 또한 수율 문제가 가장 큰 영향을 미친 것으로 보입니다. 
  
  
• 그래서 3nm 공정도 좋고 GAA 기술도 좋고 하지만, 현재는 선단공정에 집중해서 수율 문제를 해결하는 것이 경쟁력을 확보하고 대형고객사를 잡는 솔루션이라고 생각합니다. 최근 인텔 관련 기사를 보면서, 파운드리 수율 문제와 관련해 글로벌 파운드리 기업들이 모두 선단공정에 집중한 탓이며, 팹리스 기업의 신뢰를 회복하기 위해서는 기존 생산 라인부터 확실하게 다지는 것이 우선이라고 지적했습니다. 
  
  
• 파운드리 제품 수율 논란은 공정 기술력을 두고 싸우는 경쟁 사업자들 간의 실적주의의 폐해이며, 당장 반도체 회사의 수익과 직결되는 안정적인 수율 달성이 우선이라고 생각합니다. 기술력을 앞세워 경쟁력을 높이겠다고 과도하게 첨단 공정의 설계와 개발 기간을 줄이는데에만 집중한다면, 불안정한 수율구조를 피할 수 없을 것이라고 생각합니다.
• 수율은 공정을 관리하고 개선시키는데 막대한 시간과 노력이 필요합니다. 선단공정도 좋지만 현재 유의미한 수율에 도달하는 것을 목표로 비중을 관리하는 것이 중요하다고 생각합니다. 위탁생산을 하는 파운드리 사업의 비즈니스는 고객 니즈를 충족시키는 제품을 대량생산하는 것입니다. 그렇기 때문에 생산라인의 안정성을 더욱 강화하여 고객사들에게 확실한 신뢰를 주어야 한다고 생각합니다.