반도체 파운드리, 7nm 공정 찍고 5nm 향해 달린다
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반도체 파운드리, 7nm 공정 찍고 5nm 향해 달린다
  • 김종율 기자
  • 승인 2020.01.13 09:06
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7nm의 반도체 파운드리 공정이 업계에 완전히 정착함에 따라 파운드리 업체들은 7nm에서의 생존과, 5nm에서의 주도권 잡기로 전선을 이동시키고 있다.

7nm 공정에서 주도권을 잡은 업체는 그 여세를 몰아 5nm에서도 영향력을 행사하기 위해 분주하게 움직이고 있으며, 7nm에서 주도권의 기회를 놓친 업체들은 다가올 5nm 공정에서 분위기를 반전시키기 위해 칼을 갈고 있다.

7nm 및 5nm의 첨단 미세 공정이 중요한 이유는 다양하다. 이 다양함이 업체들의 구미를 자극한다고 보면 된다.

그 장점을 보자면 파운드리 업체들로서는 한 장의 웨이퍼에서 보다 많은 반도체를 생산할 수 있다는 이점이 있다. 같은 수량의 반도체를 생산하더라도 경제적인 이점이 생기는 것이다.

그리고 파운드리 업체에 반도체 생산을 의뢰한 칩 업체들로서는 생산된 반도체를 디바이스 기기에 적용했을 때 반도체의 전력소모가 적을 뿐 아니다 디바이스 설계에 필요한 기판의 면적을 절약할 수 있다는 이점이 있다. 자사 반도체를 디바이스 설계 업체에 마케팅하기가 유리해지는 것이다.

따라서 파운드리 업체나 반도체 업체들은 되도록 7nm, 되도록 5nm의 미세 공정에서 반도체를 생산하려 하고 있다.

7nm 공정에서 살아남을 자 누구냐?
파운드리 업체간 생존을 위한 새판짜기는 이미 시작됐다. 28nm 및 14nm 공정에서는 TSMC, 삼성전자, 글로벌파운드리, UMC 등이 빅4를 형성했다. 이들은 매출 규모에서 여타 업체들을 압도하며 시장을 이끌고 있다.

빅4 중에서도 TSMC는 더 이상 경쟁을 허용하지 않을 만큼 압도적인 원탑이고, 이어 삼성전자가 독보적인 2위다. TSMC와 삼성전자는 매출 규모에서 3배나 차이를 보일 만큼 순위 자체가 무의미하다. 물론 3위와 4위도 삼성전자에 비해 매출 규모가 절반밖에 되지 않는다.

하지만 반도체 업계가 이제 7nm 파운드리로 이동함에 따라 이에 대응하지 못하는 업체는 업계 순위에서 다시 탈락을 할 것으로 판단된다.

현재 7nm 공정에 대응할 수 있는 업체로는 TSMC와 삼성전자가 거론된다. 글로벌파운드리와 UMC는 현재 7nm의 대응이 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 한동안은 TSMC와 삼성전자 등 쌍두마차 시대를 맞이한다고 보면 된다.

7nm 파운드리 공정이 이미 업계에 안착했다는 건 TSMC 매출에서 드러난다. 이 회사 매출 중 가장 큰 비중(25~30% 정도)을 차지하는 것이 이미 7nm 공정이다.

더불어 TSMC는 현재 16nm, 12nm, 7nm에서 가동률 100%에 근접했다. 이는 그만큼 7nm에 대한 수요가 급증했음을 의미한다. 2019년 하반기 현재, TSMC의 7nm 파운드리 공정에서는 애플의 아이폰 11용 AP, 미디어텍의 5G SoC 등이 가동을 하고 있다.

7nm 공정을 TSMC보다 먼저 준비한 삼성전자는 이제야 7nm 공정 시장에서 자리를 잡아가는 분위기다. 한 마디로 TSMC에 밀렸다는 말이다.

업계에서는 “비메모리 분야 중 큰 손으로 꼽히는 애플과 퀄컴도 7nm 파운드리로 생산을 시작했기 때문에 삼성전자의 7nm 공정도 본격적인 움직임을 보일 것”이라고 평가했다.

업계에서는 퀄컴의 스냅드래곤 765.765G로 불리는 5G 스마트폰용 AP가 삼성전자의 7nm 파운드리에서 생산될 것으로 보고 있다. 삼성전자는 비메모리 반도체 생산에 7nm 공정 기술을 개발하는 데 투자를 많이 한 것으로 알려져 있다.

5nm 공정 위한 경쟁은 시작됐다
7nm 공정에서 TSMC와 삼성전자의 대결은 TSMC의 압승이 예상된다. 이미 진행된 결과만 놓고봐도 TSMC는 삼성전자에 비해 큰 성과를 남기고 있다.

예를 들면 PC용 반도체는 대부분 TSMC의 7nm 공정에서 생산되고 있으며, 삼성전자가 크게 공을 들였다는 스마트폰용 등 비메모리 반도체 분야에서도 퀄컴이나 애플 등 대부분의 주요 고객을 TSMC는 이미 확보를 한 상태이지만, 삼성전자는 이제 시작을 하는 분위기다.

삼성전자가 “7nm 공정의 기술력은 우리가 TSMC에 비해 떨어지지 않는다”고 강조를 해도 결과를 놓고 보면 TSMC의 압승인 것은 분명해 보인다.

그렇다면 5nm 공정의 시대로 넘어가면 어떻게 될 것인가? 물론 5nm 공정이 업계에 본격적으로 도입이 되려면 아직 시간적으로 남아 있어 변수야 분명 생기겠지만 현재 상태를 토대로 예상은 해볼 수 있다.

현재 예상은 5nm 공정에서도 TSMC가 리딩을 하는 가운데, 삼성전자의 반격이 기대되는 분위기다.

TSMC는 애플과 손을 잡고 이미 5nm 공정을 적용한 반도체 생산을 시작한 것으로 알려졌다. 업계에 의하면 TSMC의 5nm 공정은 7nm 공정 제품에 비해 밀도가 80% 더 높고, 전력효율도 30%가 더 좋다. 이 정도 효과라면 거의 깡패수준으로 평가된다.

TSMC의 5nm 공정에서 생산되는 반도체는 애플 제품으로, 애플의 아이폰 12 모델에 탑재되는 반도체인 것으로 알려졌다.

물론 삼성전자도 5nm 공정에서는 공격적인 행보를 이어가고 있다. 이 회사는 지난해 5nm 공정 기술을 개발했다고 밝혔다. 삼성전자의 기술은 셀 설계 전력 최적화를 통해 기존 7nm 공정 대비 로직 면적을 25% 줄일 수 있으며, 20% 향상된 전력 효율 또는 10% 향상시킬 수 있다.

TSMC가 5nm 공정에서는 애플과 손을 잡은 것처럼, 삼성전자 역시 5nm 공정에서는 ARM과 손을 잡았다. 이들은 5nm 공정의 상용화를 위해 협력한다고 밝힌 바 있다.

삼성전자는 그리고 7nm 이하 초미세 공정에서는 EUV 기술도 강조하고 있다. EUV 기술은 기존 불화아르곤(ArF)보다 파장의 길이가 짧은 EUV 광원을 사용해 보다 세밀한 반도체 회로를 구현할 수 있는 것이 특징이다. 이로 인해 회로를 새기는 작업을 반복하는 멀티 패터닝 공정을 줄여 성능과 수율을 높일 수 있다.

삼성전자는 EUV 기술을 적용한 7nm 및 5nm 공정 기술이 개발됨에 따라 새로운 수요처도 기대하고 있다.

삼성전자의 파운드리사업부 전략마케팅팀 배영창 부사장은 “삼성전자의 EUV 기반 최첨단 공정은 성능과 IP 등에서 다양한 강점을 가지고 있어 5G, AI, 전장 등 신규 응용처를 중심으로 높은 수요가 예상된다”고 말했다.

이는 다시 말해 TSMC에 비해 물량에서는 뒤질 수 있어도, 최첨단의 반도체 기술을 요구하는 분야에서는 삼성전자가 충분히 경쟁력을 가질 수 있다는 뜻으로 해석된다.

한편, 5nm 공정에서는 TSMC와 삼성전자 외 여타 파운드리 업체도 경쟁전선에 뛰어들 수 있을까? 현재 분위기로 봐서는 힘들 것으로 판단된다. 여타 업체들은 아직 7nm 공정 기술에도 제대로 대응을 하지 못하고 있기 때문이다.



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