삼성전자 vs TSMC, 파운드리 최후 승자는? > News Insight

  2019년 여름 아베정부는 한국에 반도체 핵심소재 수출규제를 단행한 바 있다. 이 앞서 시작된 미국과 중국의 무역전쟁에서도 반도체를 가장 강력한 제재 무기로 사용하고 있다. 중국의 화웨이, SMIC(파운드리업체) 등에 미국 기술을 사용한 모든 제품 수출을 통제하고 있다. 

  이처럼 반도체는 단순한 ‘산업의 쌀’로서 중요성뿐만 아니라, 국가 패권 경쟁의 수단으로 이용되는 지경에 이르렀다.

  5나노 이하 제조업체는 삼성전자와 TSMC 2곳뿐

 미중 패권 경쟁이 장기화되면서, 미국 정부는 반도체 공급 차질을 우려하여 삼성전자와 TSMC에게 파운드리(반도체 수탁제조)를 미국에서 생산하도록 요구하고 있다. 또한 이를 뒷받침하는 법안(CHIPS for America Act)을 마련하여 미국 내에서 반도체 제조와 연구개발 업체에 인센티브를 주는 예산 370억 달러(약 41조 원)를 확보하겠다고 밝혔다. 

 그렇다면 왜 미국은 삼성전자와 TSMC에게 지나치게 신규투자를 요구하는 것일까? 이는 현재까지 최첨단 미세공정인 5나노 반도체를 생산할 수 있는 업체가 TSMC와 삼성전자 2곳뿐이기 때문이다. 믿었던 인텔(Intel)은 7나노의 장벽을 넘지 못하고 주저앉았다. 이제 TSMC와 삼성전자 양강 체제로 굳어졌기 때문에 과점업계의 시장왜곡 우려도 있고, 미국 첨단방위산업에도 영향을 끼칠 수 있을 것으로 파악된 것이다.

  사실 삼성전자와 TSMC는 비즈니스모델이나 사업영역이 확연히 다른 한국과 대만을 대표하는 기업이다. 이들은 오로지 파운드리 분야에서 사업영역이 겹치기 때문에 치열한 영역 다툼을 하고 있다. 3나노 이하 초미세 공정기술에서 치열한 선행개발을 통해 시장 쟁탈전을 벌이고 있다.

  두 회사의 공정기술 수준격차는 수개월 정도로 그다지 큰 차이는 없다. 삼성전자가 TSMC보다 7나노를 조금 먼저 개발했으나, 5나노는 TSMC가 약간 앞섰고, 다시 3나노는 삼성이 앞서는 치열한 추격전을 벌이고 있다. 대체로 공정기술 개발에는 삼성이 기술적 우위는 유지하고 있으나, 양산기술 및 설비투자 규모, 고객의 수주량은 TSMC가 훨씬 앞서가고 있다. 

 그런데, 파운드리의 시장장악 관건은 대형고객의 안정된 수주확보에 있기 때문에 고객과의 고(高)신뢰 관계와 파트너십이 매우 중요하다. 하지만 삼성의 경우는 사업영역이 매우 다양한 종합 IT기업이므로, 주요 고객과 겹치는 분야가 너무나 많아 경쟁업체로부터 수주를 받아내야 하는 어려운 현실적 난제가 있다. 

  애플이나 퀄컴과 같은 대형고객들은 기술유출 우려와 경쟁회사에서 제조했다는 소비자의 불신을 해소하기 위해, 삼성보다 제조만을 전문으로 하는 TSMC로 먼저 찾아가는 실정이다. 이런 이유로 삼성전자는 파운드리 사업부를 분리하여 독립회사로 운영해야 향후 세계 1위를 달성할 수 있을 것이라는 주장도 있다. 

 삼성은 2015년까지 애플의 AP칩을 파운드리해 줬으나, 2016년부터 TSMC가 선행기술을 통한 파운드리 생태계를 완벽히 갖추면서 애플을 독점하게 되었다. 또한 대형고객인 퀄컴의 경우도 5나노 하이엔드 칩은 TSMC에서 생산하고, 삼성에서는 7나노 보급형 칩을 생산하고 있다. 다만 삼성에서도 퀄컴의 5나노 하이엔드 칩을 일부 생산하는데, 이는 삼성 스마트폰에 사용하기 위한 반도체이다.

  따라서 아직은 TSMC가 하이엔드 공정의 대부분을 생산하고, 생산능력 부족분을 삼성전자에게 맡겨지는 구도가 지속되고 있는 상황이다. 하지만 5나노 이하 초미세공정에서는 삼성전자 및 TSMC만이 생산 가능한 과점체제이므로, 향후 삼성전자의 파운드리 매출은 자연스럽게 증가할 수 있을 것이다.

  그동안 삼성전자는 자사수요의 AP, 이미지센서(CIS), 디스플레이 칩(DDI), 전력반도체(PMIC) 등을 중심으로 시스템반도체 사업을 유지해 왔다. 아직까지는 삼성전자의 파운드리 사업에서 내부매출이 절반 이상을 차지하고 있다. 2020년 삼성전자의 파운드리 내재화 비중이 약 55%로 대폭 낮아진 것으로 추정된다. 2019년 내재화 비중이 약 65%로 절대적이었으나, 7nm 이하 EUV노광장비의 과감한 투자로 퀄컴, 엔비디아 등의 고객을 확보할 수 있었다. 2021년 삼성전자 파운드리의 내재화 비중을 40% 수준까지 낮출 계획이다. 

 최근 차량반도체를 비롯하여 대부분의 시스템반도체가 공급 차질로 심각한 품귀현상을 보이고 있다. 파운드리의 수요대비 공급이 절대 부족한 상황이며, 특히 하이엔드 칩의 슈퍼사이클이 상당기간 지속될 것으로 전망된다. 이는 7나노 이하 파운드리에 가장 중요한 EUV노광장비 공급이 제한(2020년 34대 생산 추정)되어 있기 때문이다. 1대당 1,800억원하는 EUV노광장비를 독점하고 있는 네덜란드 ASML의 생산능력이 절대적으로 부족하여 수요(2021년 60대 이상)를 맞출 수 없는 상황이다. 

  이에 삼성으로서는 EUV장비 확보가 가장 시급했기 때문에, 2020년 10월 코로나팬데믹에도 이재용 부회장이 ASML를 전격 방문하여 협력을 요청한바 있다. 이는 삼성이 3나노 기술시점에서 TSMC를 추월할 계획으로, 기술개발과 양산설비 투자를 위한 EUV장비 확보 차원에서 서두르고 있는 것이다.

  3나노 선점을 위한 치열한 경쟁

  2020년 세계 1위 TSMC의 파운드리 시장점유율은 54%로 세계의 절반 이상을 차지하며, 2위 삼성은 18%로서 두 회사의 격차가 무려 36%포인트나 된다. 반면 10㎚ 이하 초미세 공정에서는 TSMC 60%, 삼성전자 40%가량의 점유율을 보였다. 

 TSMC는 어떻게 지키느냐이고, 삼성은 2030년 1위 달성을 위한 총력 추격태세로 나가고 있다. 가장 치열할 것으로 보이는 기점이 3나노 양산체제 구축으로 보여진다. 3나노 칩은 향후 AI, 5G, 자율주행차, 클라우드 등 처리할 정보량이 많아지고, 초고속 정보처리 및 초저전력이 중요한 분야에 적용되는 3nm 미세공정의 하이엔드 칩이다. 따라서 3나노 양산설비의 조기 구축기업이 시장을 장악할 것으로 예상된다. 이는 3나노 공정에 먼저 양산체제를 갖출 경우 대형고객으로부터 최신반도체 수주 가능성이 높아지므로, 양사간 초미세공정 선행개발 경쟁이 치열하게 벌어지고 있는 것이다.

  삼성전자는 5나노 출발이 상대적으로 늦은 만큼 향후 3나노 공정에서 초격차를 실현할 계획이며, 2022년에 3나노 양산체제를 갖추겠다고 발표한 바 있다. 이에 삼성전자는 3나노에서 혁신적인 기술개발(GAA 등)을 통해 실질적으로 TSMC(2나노부터 GAA 예정)보다 더 좋은 성능과 높은 수율을 제공할 수 있도록 집중개발하고 있다. 물론 TSMC는 더 나아가 2나노에 전문가를 집중투입하는 방식으로 대응하고 있다.

 삼성전자는 7나노에서도 TSMC보다 먼저 EUV 노광장비를 도입하는 등 많은 노력을 기울였지만, 수주확보 실패로 격차는 오히려 더 커졌다. 따라서 3나노에서의 성공 여부도 관건은 수주확보가 중요하므로 지켜봐야 할 것 같다.

  위험을 감수한 과감한 거대투자 경쟁

  삼성전자와 TSMC는 기술경쟁에서처럼 최신설비투자 증설 경쟁도 치열하게 벌어지고 있다. 과점체제에 들어선 두 회사는 양산설비 투자규모에 따라 향후 시장 점유율 및 매출 규모가 크게 영향을 받을 것으로 판단된다. 

 삼성전자의 2021년 반도체 설비투자는 36조~38조원 정도이며, 2020년 설비투자는 31조원 수준이었다. 작년 메모리반도체에 약 20조 5000억원, 파운드리에 약 11조원 가량 투자했다. 또한 삼성전자는 기존 미국의 텍사스주 반도체공장 외의 1곳에 약 19조원(170억달러) 규모의 신규 반도체 공장을 추진 중으로 전해진다.

  TSMC는 2021년 280억달러(31조원)의 설비투자를 단행할 것으로 전해졌고,작년 투자(172억달러)보다 63% 늘어난 것으로 역대 최고액이다. 이는 미국 아리조나주에 TSMC가 120억달러 규모의 반도체공장 건설을 포함한 것이다.

  TSMC는 미국 국방성에서 지정된 부품공급회사로서 최신예 F-35 전투기, 미사일 등에 탑재하는 반도체를 제조하고 있다. 2020년 미국 정부의 요청에 따라 아리조나주 피닉스에 120억 달러(약 13조 원)를 들여 5nm공정 제조라인을 건설하기로 했다. TSMC도 미중 패권전쟁으로 인한 불확실성을 최소화하기 위한 전략으로 판단된다. 하지만 2024년 가동 목표이므로 5nm 기반은 이미 최첨단기술이 아닐 것이다. 최근 아리조나 공장의 투자를 최대 350억달러(약 40조원)까지 크게 늘린다고 발표했는데, 이는 아리조나주 피닉스시의 지자체 예산까지 투입하여 대규모 인센티브를 받고 있기 때문이다. 

  또한 2021년 초에 TSMC는 일본에도 공장 건설을 추진하고 있는 것으로 전해졌다. 일본 정부는 자국에 반도체공장을 짓고 일본 업체와 협력하면 정부 자금을 대폭 지원하겠다며 적극적으로 투자유치에 나서고 있다. TSMC는 이미 중국 난징과 상하이에도 각각 파운드리공장이 있다.

  강인한 생태계 육성이 필요

  시장 선점을 유지하려는 TSMC와 이를 탈환하려는 삼성과의 경쟁 틀 속에서, 한국이 진정한 반도체 강국으로 나아가기 위해서는 시스템반도체 생태계 육성의 장기적 대응이 필요하다. 

 미중 패권전쟁의 사례에서 보듯 국제 분업구조(GVC)의 취약성이 언제든 우리에게 위협으로 다가올 수 있으므로, 소부장을 비롯하여 칩 제조에 이르는 강인한 생태계 조성이 필요하다. 이에 선행기술 확보를 위한 반도체전문연구소가 있어야 하고, 우수한 인력 양성을 강화해야 할 것이다.

  5나노 공정에서 TSMC와 삼성전자 양강체제로 재편되고 있는데, 3나노 이하 공정에서도 고객의 입장에서 안정적 조달과 가격 협상에 유리한 양강체제를 선호할 것이다. 이는 삼성전자가 파운드리 시장에서 중장기적 위상정립과 성장성을 높게 만드는 배경이 될 것이다.

  양강체제로 재편된 상황에서 파운드리의 차별화는 EUV 공정뿐만 아니라 후(後)공정 (페키징, 테스트)에서도 획기적인 혁신이 필요하다. 현재 삼성전자는 시스템반도체의 후공정에서 TSMC보다 열위에 있기 때문에, 후공정의 기술혁신과 견고한 파트너십 구축이 필요하다. 이는 고객사들이 파운드리 선정기준의 주요 요소가 될 것이기 때문이다.