"臺TSMC 넘어 세계 1위 정조준"..삼성, 최첨단 5나노 파운드리 공정 개발(종합)

화성캠퍼스 EUV 라인 전경. (사진=삼성전자)

[이데일리 양희동 기자] 이재용 부회장이 비(非)메모리 반도체 분야를 미래 성장동력으로 육성하고 있는 가운데 삼성전자(005930)가 파운드리(반도체 수탁 생산) 최첨단 ‘5나노(nm·10억분의 1m) 공정’ 개발에 성공했다. 전 세계 파운드리 시장은 대만의 TSMC가 전체 절반 가량을 차지하며 1위 자리를 지키고 있지만 삼성전자도 점유율을 20% 가까이 끌어올리며 단숨에 4위에서 2위로 올라선 상황이다. 여기에 5나노 공정도 두 회사가 이달 들어 나란히 업계 최초로 개발, 향후 치열한 점유율 경쟁을 예고하고 있다.

세계 2위 올라선 파운드리…파운드리 왕좌 TSMC 정조준

삼성전자는 EUV(극자외선) 기술을 기반으로 5나노 공정 개발에 성공했다고 16일 밝혔다. 삼성전자는 이달 안에 7나노 제품을 출하하고 올해 내 양산을 목표로 6나노 제품 설계를 완료하는 등 초미세 공정에서 ‘초(超)격차’ 전략을 강화하고 있다. 이번 초미세 공정의 기반이 된 EUV(극자외선) 기술은 기존 불화아르곤(ArF)보다 파장의 길이가 짧은 EUV 광원을 사용, 더 세밀한 반도체 회로를 구현할 수 있는 것이 특징이다. 회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티 패터닝 공정을 줄여 성능과 수율(양품 비율)을 높일 수 있다.

시장조사기관 트렌드포스에 따르면 올 1분기 전 세계 파운드리 시장은 TSMC가 48.1% 점유율로 1위를 유지했지만, 삼성전자가 19.1%로 2위에 올라서며 선두와의 격차를 좁히기 시작했다. 이어 글로벌파운드리(8.4%), UMC(7.2%), SMIC(4.5%) 순으로 삼성전자와의 격차는 10%포인트 이상 벌어졌다.

삼성전자가 이번에 개발한 차세대 5나노 공정은 셀 설계 최적화를 통해 기존 7나노 공정 대비 로직 면적을 25% 줄이고 20% 향상된 전력 효율 또는 10% 향상된 성능을 제공할 수 있게 됐다. 특히 7나노 공정에 적용된 ‘설계 자산(IP)’을 활용할 수 있어 기존 7나노 공정을 사용하는 고객은 5나노 공정의 설계 비용을 줄일 수 있다. 이를 통해 삼성전자는 주요 파운드리 고객 확보에 본격적으로 나설 계획이다.

삼성전자는 7나노 및 6나노 파운드리 공정 양산도 본격화하고 있다. 올 초 업계 최초로 EUV공정을 적용한 7나노 제품 양산을 시작했고 이달 중에 본격 출하할 계획이다. 6나노 공정 기반 제품에 대해서는 대형 고객과 생산 협의를 진행하고 있으며 제품 설계가 완료돼 올 하반기 양산할 예정이다. 삼성전자 관계자는 “최신 파운드리 생산시설인 화성캠퍼스 S3라인에서 EUV 기반 최첨단 공정 제품을 생산하고 있다”며 “현재 건설 중인 화성캠퍼스 EUV 전용 라인도 내년부터 본격 가동할 계획”이라고 전했다.

국내 비메모리 생태계 강화 계기…정부 차원 인재 육성도 필요

삼성전자가 첨단 초미세 공정 파운드리 생산의 핵심 기술을 확보하면서 국내 시스템 반도체 생태계와 시스템 반도체 역량 강화 효과도 기대되고 있다. 파운드리 사업은 △반도체 장비 △소재 △디자인 △패키징 △테스트 등 다양한 전문 업체들이 함께 성장하기 때문에 전·후방 연관 효과가 크다.

삼성전자는 1장의 웨이퍼에 여러 종류의 반도체 제품을 생산하는 ‘MPW(Multi Project Wafer) 서비스’를 최첨단 5나노 공정까지 확대 제공해 고객들이 보다 편리하게 최첨단 반도체를 제작할 수 있도록 지원한다. 또 삼성전자 파운드리 지원 프로그램인 ‘SAFE TM’를 통해 설계 자산(IP) 외에도 공정 설계 키트(PDK), 설계 방법론(DM), 자동화 설계 툴(EDA) 등 5나노 공정 기반 제품 설계를 돕는 디자인 인프라를 제공한다. 팹리스(반도체 설계회사) 고객들은 이를 활용해 보다 쉽고 빠르게 제품을 설계할 수 있고 신제품 출시 시기도 앞당길 수 있다.

삼성전자는 이런 서비스 및 생산기술이 국내 팹리스 업체들이 글로벌 시장에서 경쟁할 수 있는 시스템 반도체를 내놓는 데 도움을 줄 것으로 보고 있다.

배영창 삼성전자 파운드리사업부 전략마케팅팀 부사장은 “삼성전자의 EUV 기반 최첨단 공정은 성능과 IP 등에서 다양한 강점을 가지고 있어 5G(5세대 이동통신), AI(인공지능), 전장(전자 장비) 등 신규 응용처를 중심으로 높은 수요가 예상된다”라며 “향후에도 첨단 공정 솔루션으로 미래 시스템 반도체 산업을 이끌어 나가겠다”고 말했다.

전문가들은 비메모리 분야는 삼성전자 등 기업 차원의 역량 강화와는 별도로 인력 육성 및 확보를 위한 정부의 적극적인 지원이 필요하다고 지적했다.

최리노 인하대 신소재공학부 교수는 “비메모리 분야는 R&D(연구개발) 인력 확보가 필수적인데 정부가 의지를 갖고 주도하지 않으면 인력풀이 형성되기 어렵다”며 “R&D 인프라는 기업 혼자 할 수 없고 정부와 대학, 연구소 등이 다 같이 협력해야 한다”고 강조했다.

올해 1분기 전 세계 파운드리 시장 점유율. (단위=%·자료=트렌드포스)