AI 반도체 지각변동…"패키징·2나노·정부지원 3박자 필수"

[이데일리 김응열 기자] 인공지능(AI) 시대 들어 심화하고 있는 반도체 산업 지각변동이 삼성전자와 SK하이닉스에 위기이자 기회로 다가오고 있다. 소프트뱅크까지 AI 반도체 생산을 추진하는 등 판이 커지면서 불확실성도 덩달아 커지고 있다. 특히 미국 마이크론의 기술 개발 속도가 빨라지는 데다 파운드리(반도체 위탁 생산) 1위인 대만 TSMC와의 격차가 여전히 큰 만큼 AI 반도체 시대를 맞은 한국 기업들이 승부수를 던져야 한다는 관측이 나온다.

반도체 웨이퍼. (사진=게티이미지뱅크)

수요 폭발할 HBM…“핵심은 패키징”

반도체 전문가들은 19일 삼성전자(005930)와 SK하이닉스(000660) 등 국내 반도체 기업들의 AI 대응 전략을 두고 △패키징 역량 강화 △2나노미터(nm) 우위 확보 △생산 능력 증대 등 3가지가 필수적이라고 입을 모았다.

첫 손에 꼽힌 건 패키징 기술이다. 패키징은 AI향 메모리인 고대역폭메모리(HBM) 생산에 필요하다. HBM은 여러 개의 D램을 붙여 완성하는데, 이때 TSV(Through Silicon Via·실리콘관통전극)라는 패키징 기술이 핵심이다. 각 D램에 미세한 구멍을 뚫고 이를 전기적으로 연결하는 방식이다. TSV 역량이 HBM 생산능력을 결정한다고 해도 과언이 아니다.

파운드리 역시 패키징 기술이 중요해지고 있다. 선폭이 좁아지면서 나노 공정 개발에 한계가 커지고 있어서다. 반도체 기업들은 패키징 등 후공정에서 성능 향상을 이끌어내겠다는 계산이다.

이 때문에 삼성전자와 SK하이닉스는 패키징 관련 역량 강화에 집중하고 있다. 삼성전자는 지난해 어드밴스드패키징(AVP)사업팀을 새로 꾸려 후공정 기술 투자에 나섰고 하이브리드 본딩 기술도 연구하고 있다. 하이브리드 본딩은 기존에 칩들을 연결하는 범프 없이도 각 칩을 접착시키는 기술로 칩 두께를 줄일 수 있도록 돕는다. SK하이닉스는 미국에 패키징 시설 건립을 추진하고 있다.

삼성전자 HBM3 제품. (사진=삼성전자)

“AI칩 수주 2나노 성공 사례 만들어야”

파운드리 영향력 확대를 위해 삼성전자의 최첨단 2나노 공정이 시장에서 확실한 우위를 다져야 한다는 조언 역시 나왔다. GPU 등 AI 반도체 주문의 증가 등에 대응할 필요성이 크기 때문이다. 현재 TSMC는 엔비디아 물량 대부분을 수주하면서 AI 시대의 수혜를 가장 크게 누리고 있다.

삼성전자는 게이트올어라운드(GAA) 공법을 적용하는 2나노에서 TSMC와의 격차를 줄일 기회로 보고 있다. 2나노에선 TSMC 역시 핀펫이 아닌 GAA 방식을 도입할 예정인데, 삼성전자는 이미 3나노부터 GAA를 활용해 노하우를 축적하고 있는 덕이다. 최근에는 일본 AI 스타트업 프리퍼드네트웍스(PFN)의 2나노 반도체 물량을 수주하면서 주목받았다. PFN은 토요타, 화낙 등 일본 기업뿐만 아니라 마이크로소프트, 엔비디아 등과 협력한 적 있는 유니콘 스타트업이다. 이 같은 성과를 지속적으로 쌓으면서 대형 고객사들을 확보해야 한다는 것이다.

김형준 차세대지능형반도체사업단장(서울대 명예교수)은 “삼성전자 파운드리가 2나노에서 안정적인 수율을 확보하고 수주 성과를 계속 만들어 나간다면 향후 다른 고객사들의 물량을 수주할 때 유리할 수 있다”며 “기술 경쟁력도 뒷받침돼야 한다”고 했다. 경희권 산업연구원 부연구위원은 “2나노는 삼성전자가 점유율을 높일 기회가 될 수 있다”고 했다.

“정부, ‘캐파 확보’ 투자 지원 힘써야”

수요에 대응할 물량을 감당할 투자에 속도를 내야 한다는 의견도 적지 않다. HBM만 하더라도 공급이 수요를 따라가지 못하는 실정이다. 파운드리에선 TSMC가 일본 구마모토 1공장에 이어 2공장을 지을 예정이고, 독일 드레스덴에도 공장 건설을 추진 중이다.

용인 반도체클러스터 일반산업단지 조감도.(자료=용인시)

삼성전자와 SK하이닉스도 경기 용인 등에 대규모 투자를 진행하고 있다. 다만 각종 인허가와 지방자치단체 협의 등이 얽혀 투자에 속도를 내기 쉽지 않다는 게 걸림돌이다. SK하이닉스가 조성하는 용인 반도체 클러스터만 해도 2019년 부지 선정 뒤 토지보상과 용수시설 인허가 협의 지연 문제 등으로 내년에나 착공할 전망이다. TSMC의 일본 1공장이 약 2년 4개월 만에 가동하는 것과는 대조적이라는 평가가 많다.

이규복 한국전자기술연구원(KETI) 연구부원장은 “정부는 각종 혜택을 줘 국내에 생산시설을 유치하고 공장 구축에 필요한 인허가 및 장비 반입의 통관 절차를 간소화해야 한다”며 “한국 반도체 기업들이 제대로 뛸 수 있도록 하는 정부 협조가 필요하다”고 말했다.