전 세계가 반도체 전쟁을 하고 있습니다. 반도체는 크게 메모리 반도체, 시스템 반도체, 기타가 있는데 메모리 반도체는 한국의 삼성전자와 하이닉스가 전 세계 시장의 70%을 장악하고 있는 한국의 먹거리 산업입니다. 문제는 메모리 반도체는 생산량과 수요에 따라서 사이클이 있지만 CPU나 AP 같은 시스템 반도체는 다양한 AP와 CPU가 있어서 수요와 공급의 사이클을 타지 않습니다. 그래서 한국은 미래를 위해서 부침이 적은 시스템 반도체 제조 및 설계를 해야 합니다.
그러나 시스템 반도체 설계에 도전하면 미국 정부가 가만 두지 않습니다.
시스템 반도체 설계의 절대 강자인 인텔, 퀄컴, AMD, 엔비디아는 다 미국 회사입니다. 그런데 중국 화웨이가 5G 통신칩을 전 세계에서 가장 먼저 설계를 했고 이 분야에서 세계 최고가 되자 미국은 자신들이 그렇게 욕하던 정부가 기업에 간섭하고 지원하는 짓을 합니다.
국가 안보의 이유로 화웨이 스마트폰과 통신장비를 퇴출시킵니다. 이후 화웨이는 한 때 애플을 제치고 세계 2위의 스마트폰 제조사였지만 미국이 화웨이에 반도체 부품 공급하지 말라고 하자 지금은 시장점유율을 다 반납하고 있습니다.
삼성전자 주가가 부진한 이유 파운드리 사업 때문
미국은 AMD, 퀄컴, 인텔 같은 세계적인 시스템 반도체 설계 회사가 많지만 그 설계도대로 만들어주는 주물공장 같은 파운드리 업체가 있긴 한데 시장점유율이 아주 낮습니다. 이 파운드리 업체를 보면 1위가 대만의 TSMC인데 앞도적인 1위입니다. 2위가 삼성전자인데 1위와의 격차를 줄이겠다고 했지만 오히려 격차가 벌어져서 삼성전자 주가가 7만 전자에 머무르고 있습니다. 삼성전자 주가가 작년에 5만 전자에서 8만 넘어서 9만 전자까지 간 결정적인 이유는 세계적인 그래픽 카드 제조사인 엔비디아가 삼성전자 파운드리 공장에 자신들의 GPU 칩을 생산해달라고 부탁했 이슈가 컸습니다. 그러나 현재 삼성전자 파운드리의 주요 고객은 삼성전자 본인들과 함께 퀄컴, 엔비디아 밖에 없습니다. 고객이 너무 적죠.
문제는 그나마 몇 안 되는 고객들도 이탈할 조짐을 보이고 있습니다. 퀄컴 AP 5 나노 공정에서 발열 이슈가 있고 같은 5 나노 공정이지만 TSMC에 비해서 수율(불량품 대비 양품 생산율)이 좋지 못해서 수익을 거의 못 내고 있다고 하죠. 더 큰 문제는
삼성전자 주가가 크게 오르려면 3 나노 공정인 GAA 공정이 성공을 해야 합니다. 현재 설계가 완료된 상태입니다.
이걸 좀 설명을 하자면 우리가 사용하는 CPU나 AP 같은 시스템 반도체 안에는 수많은 작은 트랜지스터가 있습니다. 20세기 최고 발명품 중 하나는 트랜지스터입니다. 트랜지스터는 전류를 보내주고 끊어주는 스위치 역할을 합니다. 이 전류를 보내주고 끊어주는 트랜지스터를 여러 개 연결을 하면 0과 1이라는 2진법을 이용한 논리게이트를 만들고 있습니다. 그 논리게이트를 수없이 많이 넣은 것이 시스템 반도체입니다. 시스템 반도체는 프로그래밍이라는 우리가 해석하고 명령할 수 있는 언어를 이용해서 2진법으로 작동하는 반도체에 명령을 가합니다. 그리고 그 명령에 따라서 시스템 반도체는 전류를 보내고 끊고 해서 프로그래밍 명령을 물리적으로 행동하고 그 결괏값을 디스플레이나 출력 기기로 보여줍니다.
시스템 반도체는 수많은 트랜지스터의 덩어리로 크기가 작을수록 좋은 점이 참 많죠.
먼저 크기가 작으면 같은 크기의 웨이퍼에서 더 많은 반도체를 만들 수 있어서 생산단가가 낮아집니다. 그보다 더 중요한 것은 미세하게 만들수록 전력 소모량이 적습니다. 지금 전 세계에 있는 구글 데이터센터, 페이스북 데이터센터는 전기 먹는 하마로 구글, 페이스북 데이터센터 1개가 화력발전소 1개, 원자력 발전소 1/2개의 전기를 필요로 합니다. 또한 발열도 많이 나와서 추운 지방에 데이터센터를 세우거나 아예 수중에 데이터센터를 지을 생각까지 하고 있습니다.
이 전력 사용량을 줄이는 방법은 반도체 미세 공정입니다. 7 나노 공정보다 5 나노 공정이 더 전력 소모량이 적고 3 나노 공정이 더 적습니다. 현재 5 나노 공정으로 반도체를 만들 수 있는 주물공장(파운드리)은 삼성전자와 TSMC 밖에 없습니다. 후발주자이다 보니 같은 5 나노 공정이라도 수율이 TSMC보다 좋지 못합니다.
그러나 게임 체인저가 될 기술 병기가 삼성전자에 있습니다. 바로 3 나노 공정부터 사용할 GAA 방식입니다.
반도체는 전류를 흐르고 막는 기술이 아주 중요합니다. 보내고 안 보내고가 확실해야 신호를 구분할 수 있습니다. 그러나 이게 미세한 전선 간격이 좁아질수록 누설전류가 발생하기 쉬워집니다. 이 누설전류는 신호의 노이즈가 되기에 확실하게 막아줘야 합니다. 이 누설전류 막는 걸 GATE라고 합니다. 이 GATE 기술이 아주 중요합니다.
지금까지 게이트 기술은 핀펫 공정으로 제조되고 있는데 3 나노 공정에서는 삼성전자가 세계 최초로 GAA 기술을 사용할 예정입니다. 그림을 보면 주황색 둥근 3개가 전류가 흘러가는 미세한 전선이고 그 중간을 게이트가 막고 있습니다. 전선들이 공중에 떠 있고 게이트가 꽉 잡아주고 있죠. 물론 GAA 공정을 만들기 쉽지 않죠. 또한 TSMC도 한다고 했기에 한 방에 뒤집어도 다시 또 뒤집힐 수 있습니다. 그러나 이쪽은 선점 효과가 아주 크기에 먼저 3 나노 GAA 공정을 도입하면 삼성전자 주가는 확 오를 겁니다.
파운드리 사업을 확장하는 인텔, 퀄컴과 제휴한 2025년까지의 로드맵
반도체 하면 인텔인 적이 있었죠. 그러나 인텔은 현재 AMD에 밀리는 형국입니다. 게다가 인텔은 몇 년 전에 7 나노 공정 실패를 인정하면서 한물갔다는 소리까지 들었습니다. 그러나 인텔은 다시 7 나노 파운드리에 도전하고 있습니다. 여기에 인텔의 경쟁자일 수도 있는 모바일 SoC 강자인 퀄컴과 함께 칩을 제조한다는 야심 찬 계획인 인텔 20A 계획도 공개했습니다.
인텔의 CEO인 팻 겔싱어 CEO는 7월 26일 IDM 2.0 로드맵을 발표했습니다. 이 로드맵대로 되지는 않겠지만 삼성전자에게는 좋은 소식이 아니라서 주목해 봐야 합니다.
인텔 프로세서의 진화도입니다. 90nm 공정에서 쭉쭉 오르다가 현재 2020년에 발표한 10nm 슈퍼핀에서 멈췄습니다. 7nm 시도하다 망했죠. 그러나 2025년까지 인텔7, 인텔4, 인텔3, 인텔 20A까지 진화할 예정입니다.
인텔7이 7나노 공정은 아닙니다. 10ESF라고 10nm 슈퍼핀 모델에서 트랜지스터를 좀 더 최적화해서 소비전력이 10~15% 개선된 공정입니다.
인텔4는 7nm 공정으로 2022년 하반기 생산을 시작으로 2023년에는 출시될 예정입니다. 이 공정은 슈퍼을인 네덜란드 ASML의 극단 자외선 리소그래피 노광 장비인 EUV를 사용한 공정이 들어갑니다. 이 EUV 장비는 ASML만 만들 수 있어서 전 세계 미세공정 파운드리 업체들이 서로 달라고 아우성이고 미국 정부는 중국 반도체 회사에 EUV 팔지 말라고 압박하고 있습니다.
이 EUV는 초단파장 광을 이용해서 매우 정밀한 기판 인쇄 기술로 이 EUV를 이용해서 인텔 칩은 소비전력이 7~20% 향상될 것으로 보입니다.
인텔3는 2023년 하반기 생산 예정으로 트랜지스터의 추가 최적화 및 EUV 리소그래피 사용 확대로 인텔 4보다 전력 소비 전력은 18% 개선됩니다.
겔싱어 CEO는 2024년을 옹스트롬 시대라고 선언하면서 인텔이 업계 최초 PowerVia와 새로운 아키텍처인 RibbonFET를 구현할 계획입니다. 이게 인텔 20A입니다. 이 인텔 20A가 GAA 공정이 처음 탑재되는 칩이 될 겁니다. 이 인텔 20A 프로세스는 퀄컴과도 제휴해서 반도체 생산을 할 예정입니다. 이 소식은 삼성전자에게는 악재로 몇 안 되는 주요 고객사 중 하나인 퀄컴이 인텔에 스냅드래곤 AP 생산을 맡길 듯합니다.
뭐 애플처럼 여러 회사에 경쟁을 시켜서 납품받으면 좋겠지만 그렇게 한다고 해도 삼성전자는 높은 이익을 남기고 납품하긴 어려울 겁니다. 더 큰 문제는 인텔이 파운드리 사업인 IFS 파운드리 사업을 하기 시작하면 당장은 삼성전자에 위협이 되지 않지만 근 미래까지 보면 TSMC를 쫓아가기보다는 인텔에 추격을 당할 위험에 빠질 수 있습니다. 2025년 이후에는 인텔 20A 공정을 더욱 개선한 인텔 18A가 출시될 예정이라고 말하고 있습니다.
전 세계가 반도체 전쟁입니다. 대만은 이미 민, 관이 하나가 되어서 뛰고 있고 한국도 정부가 반도체 공장에 각종 세제 혜택 및 규제를 풀어주면서 지원할 예정입니다. 미국도 팹리스 업체들만 가지고 있다가 파운드리를 대만 TSMC에만 의존하는 모습을 지우고자 파운드리 공장을 많이 지을 예정이고 삼성전자에게 손목을 비틀어서 미국에 공장을 짓게 하고 있습니다. 갈길도 멀고 쉽지도 않네요. 이게 한국의 미래 먹거리라서 조금만 방심하고 놓치면 나라 전체가 휘청일 수 있기에 유심히 봐야겠습니다.
그나마 한국이 2진법 반도체 말고 3진법 반도체 기술 강국이고 이게 상용화되면 혁명적인 반도체 혁신이 일어날 것입니다.
