삼성, 시스템 반도체 1위 달성을 위한 선결 과제는?
3D 패키징, 파운드리 생태계, 설계역량 / 엑시노스 2400의 성공
반갑습니다. '투자하는 아재'입니다.
오늘은 "삼성 파운드리의 미래, 2030년 시스템반도체 1위 달성을 위한 선결과제는?"이라는 주제에 대해 이야기하겠습니다.
삼성전자가 2030년 시스템 반도체 1위라는 목표를 달성하기 위해선, 개인적으로 3가지의 중요한 문제점을 해결해야 한다고 생각됩니다. 첫 째, 첨단 패키징의 경쟁에서 우선권을 TSMC으로부터 가져오는 것이고 둘째, 지금의 GAA 3 나노와 같이 선단공정에서의 경쟁력을 확보한 상황에서 파운드리 생태계를 확고히 구축하는 것, 그리고 셋째, 미흡한 설계역량 확보를 들 수 있습니다. 설계 역량은 '엑시노스 2400'을 시작으로 시장의 냉정한 평가를 받을 것으로 생각됩니다.
첫째, 패키징(Packaging)은 반도체 성능 향상에 있어 '무어의 법칙'이 붕괴되면서 주목받기 시작한 분야입니다. 즉, 미세화에 한계에 봉착하게 된 칩에 있어 좀 더 성능을 향상하기 위해서 패키징 공정이 주목받기 시작했다는 의미입니다.
여기서 우리가 주목해야 할 것이 있습니다. 반도체에 있어 과거 선단 공정을 중심으로 한 나노 경쟁을 후공정인 패키징 경쟁으로 바꾼 인물은 당시 TSMC를 진두지휘했던 '모리스 창'이었습니다.
그의 지휘아래 2015년, 애플의 아이폰6S의 수주를 두고 TSMC는 16 나노의 선단 공정으로 삼성의 14 나노와의 경쟁에서 FOWLP(Fan-Out Wafer Level Packaging)을 앞세워 승리를 쟁취하였습니다. 사실상 당시 TSMC와 삼성과의 반도체 칩의 성능차이는 크지 않았으나 애플은 보안상의 문제로 TSMC에게 판정승을 주었다고 보입니다.
판정패한 삼성의 애플 칩 물량은 점차 줄어들기 시작하면서 결국 애플의 A9칩은 삼성이 제조한 마지막 애플 칩이 되었습니다.
이후, TSMC는 애플의 칩(chip)을 전량 수주하기 시작하면서 파운드리에 있어 한계라 일컫는 '다품종 소량생산'을 뛰어넘는 '소품종 대량 생산'이라는 치트키를 얻게 되었고 이를 통해 TSMC는 삼성에 뒤쳐있던 선단 공정과 수율 경쟁에서도 유리한 위치를 차지하면서 서서히 앞서게 되었습니다.
현재 우리는 AI시대의 개화기에 살고 있습니다. 불과 얼마 전까지 AI는 우리에게 멀리 있었습니다. 하지만, CHAT-GPT라는 OPEN AI의 생성형 언어모델이 세상에 등장하면서 AI는 우리의 삶에 급속히 녹아들고 가파르게 성장하고 있습니다.
그리고 최근 반도체 메이커들이 주목하고 있는 분야는 '온디바이스 AI'입니다.
최근의 삼성의 행보를 보면, 그동안의 부진을 씻고 한 단계 더 도약하기 위해 24년을 발판으로 삼을 것으로 보입니다. 그만큼 24년이 중요해 보입니다.
11월 8일 '삼성 AI포럼' 2일 차에 24년 전반기 발매를 준비 중인 삼성의 모바일, S24에 탑재할 '온디바이스 AI', 삼성 가우스를 발표하였고, 이 S24에는 추가로 삼성의 자체개발 AP인 엑시노스(Exynos) 2400이 탑재될 계획입니다. 그리고 하반기에는 퀄컴, 구글과 협업한 메타버스 XR 디바이스인 가칭 '갤럭시 글라스'가 등장할 계획이고, '갤럭시 링'도 하반기 발매를 위해 경량화를 비롯한 여러 보안점을 해결 중에 있습니다.
여러 상황을 미루어 볼 때, 삼성전자에게는 그 어느 때보다도 중요한 2024년이 될 듯싶습니다.
삼성전자에게는 위의 새로운 제품들이 출시를 앞두고 있다는 것 외에 TSMC, 인텔과의 파운드리 패키징 경쟁에 있어 본격적으로 '3D 패키징' 사업에 뛰어들 계획입니다. 3D 패키징은 서로 각기 다른 이종 반도체를 수직으로 쌓는 칩렛 구조를 통해, 칩을 수직으로 쪼개어 적층 하는 방식을 말합니다. 기존의 수평으로 배치하여 패키징 했을 때보다 반도체 간 데이터 속도가 빨라지고 전력 효율성 또한 높아집니다.
좌, TSMC / 중, 인텔 / 우, 삼성전자이러한 이유로 온디바이스 AI를 필두로 한 AI의 수요가 급등하고 있는 현재 상황에서 고성능, 저저력의 AI 반도체 칩을 원하는 고객사의 3D 패키징의 수요 또한 가파르게 증가하고 있습니다. 시장 조사업체 '욜인테리전스'에 의하면 첨단 패키징 시장의 규모는 22년 443억 달러에서 28년 786억 달러, 한화로 100조 규모의 시장으로 성장할 것으로 전망된다고 합니다.
주요 파운드리사의 패키징 경쟁 구도와 시장 규모 예상치 물론, 현재에는 TSMC를 주 측으로 한 2.5D 패키징이 첨단 기술로 시장에선 평가받고 있습니다. 2.5D 패키징은 '실리콘인터포저'를 연결 매개체(소자)로 프로세서와 고대역폭메모리인 HBM을 수평으로 배치한 것을 의미합니다. 현재의 엔비디아의 'AI 가속기'는 2.5D 패키징을 통해 제작되고 있습니다.
그에 반해 3D 패키징은 칩을 수직으로 연결하기에 '인터포저'와 같은 연결 매개체(소자)가 필요하지 않습니다. 다만, 수직으로 칩들을 쌓고 이들을 열결 하기 위해선 '실리콘관통전극'이라 불리는 TSV 기술을 통해 칩들이 연결됩니다. 당연히 2.5D 패키징에 비해 면적활용도도, 데이터 전송속도도, 전력 효율성도 높을 수밖에 없습니다.
당연히, TSMC를 필두로 삼성전자, 인텔, UMC 등의 파운드리 비즈니스를 영위하는 기업들은 3D 패키징이라는 미래를 선도할 차세대 패키징을 점유하기 위해 치열하게 경쟁 중입니다.
패키징에서 가장 앞서고 있다는 TSMC는 자사의 3D 패키징 서비스인 'SoIC'를 애플과 엔비디아에 제공하고 있으며, 인텔 또한 '포베로스'라는 3D 패키징 기술을 자사의 최신 칩 양산에 활용하고 있습니다. 파운드리 4위 기업인 대만의 UMC 또한, 자국의 메모리 반도체기업 윈본드와 패키징 1위 업체인 ASE 등과 3D 패키징 협력체를 구성하는 프로젝트를 가동 중에 있습니다.
이처럼 AI라는 반도체의 거대한 흐름 속에
"첨단 패키징 기술력은 파운드리 경쟁력의 척도"가 되고 있습니다.
위의 파운드리 기업들의 첨단 패키징 경쟁 속에 삼성전자는 내년인 24년부터 'SAINT(Samsung Advanced INterconnection Technology)'를 활용한 3D 패키징을 본격적으로 선보일 계획입니다.
이미 삼성전자는 임시 데이터 저장소 역할을 하는 S램을 CPU 등의 프로세서 위에 쌓는 'SAINT-S' 기술을 검증 완료하였습니다. 24년에는 'SAINT-S'를 확대하여 CPU, GPU 등의 프로세서 위에 D램을 쌓아 올리는 'SAINT-D'와 모바일용 애플리케이션프로세서인 AP를 수직으로 배치하는 'SAINT-L' 기술의 검증을 마칠 계획인 것으로 알려졌습니다.
물론, 삼성이 행보는 패키징을 선도하는 TSMC에 비해 다소 늦은 감이 있습니다. 하지만, 2030년 시스템 반도체 1위라는 목표를 달성하기 위해선 놓칠 수 없는 부분이기에 반드시 따라잡고 앞서야 한다고 생각됩니다.
둘째, 현재와 같이 GAA 3 나노와 같이 선단공정에서의 경쟁력을 확보한 상황에서 파운드리 생태계를 구축하는 것입니다. 현재 삼성전자는 GAA 3 나노 양산에 진입하여 안정적인 수율 향상을 보이고 있습니다. 따라서 선단공정에서는 경쟁사 TSMC에 결코 뒤처지지 않는 것으로 생각됩니다. 하지만, 문제는 "파운드리 생태계'입니다.
23년 1분기 기준 글로벌 파운드리 시장점유율(출처 : 트렌드포스)그렇다면 파운드리 생태계는 왜 중요한 것일까요?
파운드리의 경쟁의 핵심은 반도체 설계기업인 펩리스들이 원하는 성능을 갖춘 반도체를 적기에 생산하는 것입니다. 그래서 원하는 성능을 갖추기 위해 공정기술과 패키징이 중요한 것이고 적기를 맞추기 위한 수율도 중요한 것입니다.
사실상 반도체 비즈니스를 영위한다는 것은 '칩을 설계하는 팹리스와 칩을 제조하는 파운드리'로 이분화할 수 있는 비즈니스가 아닙니다. 파운드리 생태계는 설계자산을 가지고 있는 IP기업으로부터 설계자동화툴을 제공하는 EDA기업, 그리고 이를 세분화하는 디자인하우스 기업들이 고객사의 반도체 설계도를 칩을 제조하는 파운드리의 생산공정에 최적화하여 안정적인 양산을 할 수 있도록 지원하는 역할이 매우 중요합니다. 이러한 IP, EDA, 디자인 하우스, 펩리스, 파운드리 기업들이 유기적으로 연결되어야 고성능의 칩이 적기에 생산될 수 있는 것입니다. 그리고 이러한 유기적인 환경을 우리는 '파운드리 생태계'라고 부릅니다.
실제로 파운드리의 최강자 TSMC는 개방형 협력플랫폼 OIP(Open Innovation Platform)라는 파운드리 생태계를 기반으로 애플과 같은 글로벌 펩리스들이 원활하게 칩을 설계할 수 있도록 설계 초기부터 협력합니다. 22년 기준, OIP에 참여하고 있는 기업들은 IP기업 37개사, EDA 16개사, 그리고 29개의 디자인하우스 기업 등이 참여하고 있습니다.
삼성전자 또한 SAFE(Samsung Advance Foudry Eco System)이라는 자체 생태계를 육성하고 있습니다. 현재 EDA 23개사, OSAT(Outsourced Semiconductor Assembly and Test, 후공정) 10개사, 그리고 디자인설루션파트(DSP) 9개사, 클라우드파트너 9개 사와 협업을 진행하여 팹리스들의 제품 설계를 지원합니다.
언뜻 보면 파운드리 생태계에 있어 규모적으론 TSMC에 크게 뒤쳐진 것 같아 보이진 않을 수 있습니다. 하지만, TSMC에 비해 삼성전자의 생태계의 문제점은 IP에서 극심한 격차로 나타납니다. TSMC가 지난해, 22년 말까지 확보한 IP포트폴리오는 5만 5000개에 달하는 반면 삼성전자가 현재까지 확보한 IP는 고작 4500만 개로 TSMC의 10%에도 미치지 못하고 있습니다.
이는 그동안 설계부터 생산까지 전 과정을 총괄하는 범용으로 사용되는 메모리 사업을 주력으로 해왔던 삼성이기에 개별 특색이 강한 고객인 펩리스의 요구사항을 최대한 빠르고 정확하게 대응하는 것에 있어 IP기업들과의 관계의 중요성에 대한 인식이, 수십 년 간 팹리스와의 비즈니스를 통해 IP기업들의 중요성을 너무나도 잘 아는 TSMC에 비해 부족할 수밖에 없는 실정입니다.
이러한 부족함을 채우기 위해 삼성전자는 최근 케이던스, 시놉시스, 알파웨이브세미 등 파운드리 IP 포트폴리오 협력을 확대해 새로운 생태계를 구축하기 위해 노력 중에 있습니다.
그리고 종합반도체 기업, IDM인 것이 애플과 같은 글로벌 공룡 펩리스들이 경쟁사 삼성전자에게 자신들의 기밀인 설계도를 선뜻 넘겨주기를 껄끄러워하는 것은 너무나도 당연해 보이는 해결이 결코 쉽지 않은 난해하지만 반드시 극복해야 할 과제로 보입니다.
일각에서는 이러한 문제점을 들어 파운드리 사업부를 분사해야 한다고 주장합니다. 하지만, 파운드리 비즈니스에 있어 경쟁우위에 있을 수 있는 매년 수십조의 투자를 통한 공장(FAB) 건설 및 기술력 확보를 위한 규모의 경제를 달성하는 것은 매우 중요한 부분이기에 아직 파운드리에서의 매출과 이익이 크지 않은 상황에서는 시기적으로 이르다고 생각됩니다.
그리고, 개인적으로 TSMC의 슬로건, "우리는 고객과 경쟁하지 않는다"라는 말은, 오히려 반도체 제조만을 영위하고 더 이상 성장하지 않겠다는 것을 공표하는 것이라 생각됩니다.
만약 삼성이 TSMC보다 낮은 가격과 높은 기술적 우위를 가질 수 있다면, 서서히 무게의 추는 삼성에게 쏠릴 것으로 보입니다. 물론, 이것은 결코 쉬운 것은 아닙니다. 하지만 파운드리만을 영위하는 TSMC보다 다양한 사업 포트폴리오를 가지고 있는 삼성전자는 더 좋은 현금흐름을 가지고 있기에 긴 시간을 두고 한 걸음씩 따라간다면 결코 불가능하다고 단정 지을 수는 없다고 생각합니다.
셋째, 반도체의 설계역량입니다. 종합 반도체 기업 IDM으로써 반도체 설계역량을 갖춘다는 것은 파운드리와의 시너지를 발생할 수 있는 중요한 부분입니다. 일각에서는 최근 TSMC와의 파운드리 점유율이 22년에 들어서 더욱 커진 점을 들어 삼성전자의 미래가 어둡다고 이야기합니다.
이것은 과거 엑시노스 2200의 발열 이슈로 인한 생산 중단과 그로 인하여 삼성의 모바일 S23에는 TSMC에서 제조한 퀄컴의 '스냅드래곤 8 gen2'가 전량 탑재되었습니다. 당연히 당시 엑시노스의 비중만큼 삼성 파운드리의 점유율은 감소되었고 TSMC의 점유율은 상승됐음을 유추할 수 있습니다. 삼성은 현재 모바일 매출 점유율 20% 이상으로 매년 2억 중후반대의 매출을 올려 글로벌 1위를 달성하고 있는 기업이기에 파운드리에 미치는 영향은 적지 않을 것이라 생각됩니다.
그리고 그동안 골칫덩어리가 되어버린 삼성의 엑시노스가 2년 만에 새롭게 시장에 선을 보이게 됩니다. 삼성 자체 설계 AP인 '엑시노스(EXynos) 2400'가 안정적인 성능을 바탕으로 시장에 안착할 수 있게 된다면, 삼성은 점차적으로 엑시노스의 비중을 늘릴 것이고 그로 인해 기본적으로 가져가는 파운드리의 점유율과 제조 노하우, 그리고 퀄컴의 AP를 구매하는 데 사용되는 비용의 일부를 수익으로 쌓아갈 수 있을 것입니다.
물론, 현재 '엑시노스 2400'에 대한 성능에 대한 회의적인 반응이 큽니다. 지금까지 공개된 '엑시노스 2400'의 긱벤치 성능검사 결과가 경쟁사 퀄컴의 '스냅드래곤 8 gen3'에 비해 뒤처질 것으로 알려졌습니다.
위의 좌측 성능 테스트의 결과를 보면, 삼성의 S23에 탑재된 '엑시노스 2400'의 성능 결과가 싱글 2067점, 멀티 6520점을 획득한 것을 알 수 있습니다. 과거 삼성의 S23에 탑재된 '스냅드래곤 8 gen2'의 시험결과는 싱글 1,979점과 멀티 5,148인 것으로 미루어 볼 때, 현재 '엑시노스 2400'의 성능은 기존의 '스냅드래곤 8 gen2'대비 싱글에선 약 5% 정도, 멀티에서는 22% 정도 향상된 것임을 알 수 있습니다.
하지만, 출시 예정인 샤오미 14에 장착된 '스냅드래곤 8 gen3'의 경우, 삼성의 S23에 탑재된 '엑시노스 2400'의 성능결과 대비 싱글에선 약 7% 정도, 멀티에선 13% 정도 더 우수한 것으로 나와있습니다.
물론, 아직 삼성전자의 '엑시노스 2400'이 정식 발매되기까지 시간이 남아있고 테스트 기기가 삼성의 S23과 샤오미 14로 차이가 있는 점을 고려하면 아직까지 섣부른 판단은 금물인 듯싶습니다. 그러나 개인적으론 스냅드래곤 8 gen3대비 조금은 낮은 '엑시노스 2400'의 성능을 예상해 보는 것이 합리적일 것입니다.
그렇다 해도 내년 초 출시예정인 삼성의 S24에 탑재하기에는 큰 무리가 없을 것으로 유추해 볼 수 있으며, 큰 문제없이 S24에 탑재된다면 파운드리 점유율 상승과 수익성 개선, 그리고 반도체 설계능력을 인정받을 수 있는 계기가 될 것은 분명해 보입니다.
또한, 마의 파운드리 점유율 20%의 가능성을 높여줄 것이며, 온디바이스 AI에서의 경쟁력 확보, 그리고 다가올 메타버스, UAM, 로봇, 자율주행 등의 에지 디바이스의 설계역량 확보와 수익성 확보에 중대한 트리거로 작용할 것으로 보입니다.
오늘의 이야기는 여기까지입니다.
이외에도 삼성전자가 2030년 시스템반도체 1위 달성이라는 목표에 사실상 극복해야 할 난관들이 더 많을 수 있습니다. 이 글은 저의 개인적인 생각이 포함되어 있으니 객관적인 관점에서 바라봐 주셨으면 합니다.
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