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[IT뉴스]삼성전자, AI發 호황에도 TSMC와 격차 커져 ···미세공정→시스템 전환 가속

온카뱅크관리자

2026-10-15 15:07:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 3D-IC·대면적 패키징에 전력·광통신 특화 기술 결합···시스템 최적화 주력 TSMC 선두 추격 가속···데이터센터 넘어 피지컬·엣지 AI 고객 확보 ‘사활’ 
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 삼성전자가 첨단 파운드리 사업의 경쟁축을 트랜지스터 미세화 중심에서 시스템 최적화로 확장하고 선두 TSMC 추격을 가속화한다. 3차원(3D) IC와 대면적 패키징을 비롯해 이미지센서(CIS), 통합형 전압조정기(IVR), 실리콘 포토닉스 등 특화 기술을 하나의 시스템으로 통합해 경쟁력을 높인단 구상이다. / 사진=챗GPT 생성형 AI 이미지
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 [시사저널e=고명훈 기자] 삼성전자가 첨단 파운드리 사업의 경쟁축을 트랜지스터 미세화 중심에서 시스템 최적화로 확장하고 TSMC 추격을 가속화한다. 3차원(3D) IC와 대면적 패키징을 비롯해 이미지센서(CIS), 통합형 전압조정기(IVR), 실리콘 포토닉스 등 특화 기술을 하나의 시스템으로 통합해 경쟁력을 높인단 구상이다.
 다만, 인공지능(AI) 반도체 수요 확대에도 삼성전자와 TSMC 간 점유율 격차는 점점 더 벌어지는 추세다. 업계에선 글로벌 빅테크 중심으로 AI 반도체 생산용 선단 공정을 사실상 독점 중인 TSMC와 격차를 좁히는 건 당분간 어려울 것이란 관측도 나온다. 이에 삼성전자는 메모리와 파운드리, 첨단 패키징 사업을 모두 보유하고 있단 강점을 앞세워 주요 AI 반도체 고객사 확보에 주력한단 방침이다.
 15일 반도체업계에 따르면 삼성전자는 파운드리 사업에서 선단 노드를 기반으로 여러 특화 기술을 시스템으로 통합함으로써 AI 반도체의 성능과 전력 효율을 극대화하는 전략에 집중하고 있다.
 우선 3D-IC 기반 첨단 패키징 상용화에 속도를 낸다. 기존에는 그래픽처리장치(GPU)와 고대역폭메모리(HBM)를 실리콘 인터포저 위에 나란히 배치하는 2.5D 패키징이 주로 활용됐다면, 앞으론 로직과 메모리를 수직으로 적층해 데이터 전송 거리를 줄이는 방향으로 가고 있단 설명이다.
 대표적인 사례가 로직 반도체와 S램을 수직으로 결합하는 '로직 온 S램' 기술이다. 연산을 담당하는 로직 칩과 메모리를 서로 다른 공정에서 제조한 뒤 하이브리드 본딩으로 연결하는 방식이다. 삼성전자는 마이크로 범프를 활용하는 열압착 본딩(TCB)이나 범프 없이 구리 배선을 직접 연결하는 X-큐브 하이브리드 카파 본딩(HCB) 기술을 소개했다. 범프를 없애면서 연결 밀도를 크게 높이고, 더 얇고 작은 폼팩터에 수많은 데이터와 전력을 효율적으로 전달할 수 있단 장점이 있다.
 삼성전자는 아울러, 실리콘 인터포저 기반의 I-큐브 S와 재배선층(RDL)과 실리콘 브릿지 등을 활용한 I-큐브 R, I-Cube E 등 패키징 기술을 통해 고객사의 요구에 맞춰 대응한단 구상이다.
 이강호 삼성전자 파운드리사업부 부사장은 이날 서울 코엑스에서 개최한 반도체 산학연 교류 워크샵에서 "대면적 패키징에선 생산 효율과 비용 경쟁력을 높이기 위한 패널 레벨 기술의 중요성이 커질 것"이라고 말했다.
 실리콘 인터포저, RDL 등 국내 후공정(OSAT) 기업과의 협력 방안을 묻는 질문에는, "OSAT과의 협력이 굉장히 중요하다고 생각한다"며, "고객마다 요구사항도 모두 다르고 OSAT 기업들도 모두 대응 가능하기 때문에 협력을 안 할 수가 없는 상황이고, 비용이나 시스템 관점에서 핵심 포인트는 다 같이 한다고 보면 될 것"이라고 설명했다.
 전력 공급 기술도 핵심 경쟁 요소로 지목된다. AI 가속기의 소비전력이 수천 와트 수준으로 높아지면서 기존 인쇄회로기판(PCB)을 통한 수평 전력 공급 방식에서는 전압 강하에 따른 전력 손실이 커질 수 있단 설명이다.
 삼성전자는 이를 해결하기 위해 전압조정기(IVR)를 AI 가속기 바로 아래에 배치하는 수직 전력 공급(VPD) 기술을 개발 중이다. 인덕터와 커패시터 등 수동소자를 소형화하고 전압조정기 로직과 결합해 전력 전달 거리를 줄이는 방식으로, 삼성전자는 향후 웨이퍼 간 하이브리드 본딩을 활용해 전력 관리 회로와 로직 반도체를 3차원으로 통합하는 방향으로 기술을 발전시킬 계획이라고 밝혔다.
 삼성전자는 이날 실리콘 포토닉스 기술에서도 개발 성과를 공개했다. 실리콘 포토닉스는 반도체 안에서 전기 신호가 오가던 길을 빛의 통로로 바꾸는 기술이다. 빛을 이용하면 기존 구리 배선으로 데이터를 보낼 때보다 신호 손실이 줄고 열 발생도 덜하기 때문에 그만큼 많은 데이터를 더 빠르고 낮은 전력으로 주고받을 수 있다. 이에 AI 데이터센터에서 기존 구리 배선의 전력 소모와 전송 거리 한계를 극복할 대안으로 주목받고 있다.
 삼성전자는 12인치(300mm) 웨이퍼 기반 실리콘 포토닉스 생산 플랫폼을 준비 중으로, 특히 최근엔 224기가비트(Gbps) 수준의 PAM4 신호 전송과 TCB 기반 3D-IC 광엔진 시연 성과를 공개하기도 했다.
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 이 부사장은 "실리콘 포토닉스는 현재 100기가비트(Gbps)급이지만 내년부턴 레인당 200Gbps 시대가 열릴 것"이라며, "광 연결 기술이 기존 데이터센터의 랙 간 연결에서 랙 내부로 확대되고, 궁극적으로는 GPU와 메모리 등 개별 반도체와 더욱 가까워지는 방향으로 발전할 것이다. 이를 위해 광학 엔진을 네트워크 스위치와 동일한 패키지에 통합하는 공동패키징광학(CPO) 기술도 중요해지고 있다"고 말했다.
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 삼성전자는 파운드리 사업에서 선단 노드를 기반으로 여러 특화 기술을 시스템으로 통합함으로써 AI 반도체의 성능과 전력 효율을 극대화하는 전략에 집중하고 있다고 밝혔다. / 사진=고명훈 기자
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 삼성전자는 이러한 시스템 통합 기술을 AI 데이터센터뿐 아니라 자율주행차와 휴머노이드 로봇, 스마트안경 등 피지컬 AI 분야로 확대한단 구상이다. 차량용 임베디드 자기저항메모리(eMRAM), 이미지센서(CIS), 실리콘 기반 마이크로 LED(LEDoS) 등 특화 공정 기술을 첨단 패키징과 결합해 새로운 수요에 대응할 계획이다.
 이 부사장은 "엣지·피지컬 AI에서 파운드리에서 보고 있는 주요 애플리케이션은 테슬라와 같이 하는 오토모티브와 로보틱스, 그리고 스마트안경 세가지로, 공통적으로 CIS가 연결돼 있다. (테슬라가 개발한 완전자율주행 소프트웨어 기술인) FSD도 카메라 기반의 CIS가 중요하며, CIS에 AI 기능을 결합하는 부분이 많은 관심을 받고 있다"며, "해당 분야는 기존 데이터센터와 달리 비용 측면도 고려해야 하고, 지연시간에 대한 부분과 항상 켜져 있어야 하는 니즈도 있다"고 설명했다.
 ◇TSMC와 격차 점점 더 벌어져···"설계·소재·패키징 등 생태계 협력 중요"
 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올 2분기 글로벌 파운드리 시장에서 대만 TSMC의 점유율은 72.5%로 전분기 대비 0.3%p 상승한 반면, 삼성전자는 같은 기간 6.5%에서 5.9%로 0.6%p 하락했다. 양사의 점유율 격차는 지난 1분기 65.7%p에서 2분기 66.6%p로 확대됐다.
 3분기에도 양사 간 격차는 더 벌어질 것으로 관측된다. TSMC는 AI 가속기와 고성능컴퓨팅(HPC) 반도체를 중심으로 올 3분기 매출이 전년 동기 대비 약 51% 증가한 1조 4900억 대만달러를 기록한 것으로 집계됐다. 같은 기간 삼성전자는 전분기에 이어 파운드리사업부 적자를 기록한 것으로 추정된다. IBK투자증권에 따르면 삼성전자 파운드리·시스템LSI 사업의 3분기 매출은 6조 6970억원으로, 전년 동기 6조 3850억원 대비 소폭 증가에 그쳤다.
 특히 TSMC는 첨단 공정 기술력과 안정적인 양산 역량을 바탕으로 주요 AI 반도체 고객사들의 주문을 확보하며 시장 지배력을 강화하고 있다. HBM과 GPU 등을 하나의 패키지로 구현하는 CoWoS 등 첨단 패키징 분야에서도 생산능력 확대에 적극 나서고 있다.
 삼성전자는 첨단 공정 기술 개발과 신규 고객사 확보를 추진하고 있지만, TSMC와의 시장 점유율 격차를 좁히는 데 어려움을 겪고 있다. AI 반도체 시장 성장의 수혜가 선두업체에 집중되는 가운데, 삼성전자로선 공정 수율과 양산 경쟁력을 높이는 동시에 차별화된 기술력을 바탕으로 고객 기반을 확대해야 하는 상황이다.
 대표적으로 첨단 파운드리 공정에선 앞서 3나노 공정부터 게이트올어라운드(GAA) 신기술을 먼저 도입하며 차별화에 나서기도 했다. 삼성전자는 지난해 하반기 GAA 기반의 1세대 2나노 공정(SF2) 양산을 개시한 데 이어, 올 하반기엔 2세대 2나노(SF2P) 공정 개시를 앞두고 있다.
 SF2P는 SF2 대비 성능 12% 향상, 소비전력 25% 절감, 칩 면적 8% 축소 등을 특징으로 한다. 현재 테슬라의 차세대 자율주행·AI 칩인 AI5 생산을 추진 중인 것으로 전해지며, 퀄컴과도 차세대 AP 생산 관련 협상을 진행 중인 것으로 알려졌다. 테슬라의 AI6 칩 또한 해당 공정으로 내년 하반기 양산될 것으로 예상된다. 앞서 지난해 삼성전자는 테슬라와 약 22조 8000억원 규모의 8년짜리 장기 대규모 반도체 위탁생산 계약을 체결한 바 있다.
 이 부사장은 "파운드리 기술 경쟁이 첨단 로직 공정뿐 아니라 레거시 공정 기반 특화 기술과 메모리, 전력 공급, 광통신, 첨단 패키징 등을 통합해 고객사의 시스템 설계를 지원해야 하는 방향으로 가고 있다"며, "특히 이러한 시스템 통합 기술을 구현하기 위해선 파운드리 업체 단독의 기술 개발을 넘어 설계·소재·패키징 등 다양한 분야의 생태계 협력이 중요하다"고 강조했다.
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