삼성전자 파운드리 사업과 국제 경쟁

2024년 4월, 삼성전자 파운드리 사업부의 한 임원이 사내 게시판에 올린 글이 외부로 유출되며 화제가 됐다. 요지는 "우리는 TSMC를 기술로는 따라잡았는데 왜 고객이 안 오냐"는 자조 섞인 하소연이었다. 이 일화는 삼성 파운드리가 처한 딜레마를 압축적으로 보여준다. 공정 스펙만 놓고 보면 뒤지지 않는데, 정작 수주 실적은 초라하다는 것.

파운드리는 애플, 엔비디아, 퀄컴 같은 팹리스 기업이 설계한 반도체를 대신 생산해주는 위탁 사업이다. 시장 조사업체 트렌드포스에 따르면 2024년 3분기 기준 글로벌 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 64.9%, 삼성전자가 9.3%로 격차가 6배 이상 벌어져 있다. 이 격차는 최근 몇 년간 오히려 벌어지는 추세였다는 점이 더 뼈아프다.

문제의 핵심은 수율(양품 비율)이다. 삼성은 2022년 6월 세계 최초로 3나노 GAA(게이트올어라운드) 공정 양산을 발표하며 기술 리더십을 과시했지만, 초기 수율이 10~20%대에 머물렀다는 보도가 잇따랐다. TSMC는 한 세대 뒤처진 핀펫 기반 3나노를 택했음에도 60% 이상의 안정적 수율로 애플 아이폰용 A17 프로 칩, 엔비디아 AI 칩을 싹쓸이했다. 결국 "첫 도전자"라는 타이틀보다 "믿고 맡길 수 있는가"가 고객사에는 더 중요했다는 뜻이다.

여기에 삼성만의 구조적 약점이 겹친다. TSMC는 순수 파운드리(pure-play foundry)로, 자사 제품을 만들지 않고 오직 고객 설계도만 생산한다. 반면 삼성은 메모리·시스템LSI·파운드리를 한 지붕 아래 두고 있어, 경쟁 관계에 있는 팹리스 업체 입장에서는 "우리 설계도가 삼성 자체 제품 개발에 활용되는 것 아니냐"는 이해상충 우려를 떨치기 어렵다. 실제로 퀄컴, 엔비디아 등 주요 팹리스들이 이 문제를 공개적으로 거론한 바 있다.

2024년 11월 삼성전자는 파운드리·시스템LSI·반도체연구소를 통합해 '한국형 통합 조직'을 새로 꾸리고, 전영현 부회장을 DS부문장으로 앉히는 등 대대적 쇄신에 나섰다. 미국 텍사스주 테일러시에 짓고 있는 2나노 파운드리 공장은 2026년 가동을 목표로 하며, 테슬라의 AI6 칩 수주(2024년 7월 발표, 약 165억 달러 규모로 알려짐)가 반전의 계기가 될지 주목받고 있다. 다만 이 역시 TSMC의 애리조나 공장 확장, 인텔의 파운드리 재진입(18A 공정)과 맞물려 3파전 양상으로 전개되고 있어 승부는 아직 예단하기 이르다.

결국 삼성 파운드리 이슈는 단순한 기업 실적 문제가 아니라 한국 반도체 산업 전체의 미래 경쟁력과 직결된 사안으로 평가받는다.

파운드리 생산 체계와 수주 구조

파운드리는 반도체 설계를 전문으로 하는 팹리스(fabless) 기업의 주문을 받아 반도체 칩을 위탁 생산하는 사업이다. 파운드리는 고객사가 전달한 설계도를 바탕으로 반도체 공정을 진행해 물리적 칩을 제작하는 역할을 수행한다. 팹리스 기업은 자체 생산 공장 없이 파운드리를 통해 생산된 반도체를 공급받아 자사 제품에 탑재한다.

파운드리 위탁 생산의 작동 원리는 원인, 공정 변화, 공급 결과의 순서로 이어진다. 팹리스 기업이 반도체 설계도를 파운드리에 위탁하면, 파운드리는 미세 공정을 거쳐 반도체 칩을 제조한다. 제조 공정에서 수율(전체 생산품 중 양품 비율)이 높게 형성되면 고객사가 요구하는 물량이 일정에 맞추어 안정적으로 출하된다. 반면 공정 스펙이 우수하더라도 초기 수율이 낮은 수준에 머무르면 양품 출하량이 부족해져 공급 지연이 발생하고 수주 계약의 유지 및 추가 유치가 어려워진다.

사업 구조의 특성 역시 고객사의 수주 판단에 직접적인 영향을 미친다. 자사 제품을 개발하지 않는 순수 파운드리(pure-play foundry)는 위탁받은 고객사의 설계도 생산에만 집중하므로 기술 유출 및 이해상충 문제를 방지한다. 반면 반도체 설계 부서와 파운드리 부서를 동시에 운영하는 통합 사업 구조에서는 경쟁 관계에 있는 팹리스 기업의 설계 자산 보호에 대한 우려가 형성될 수 있다.

공정 기술의 고도화와 신규 공장 가동은 고객사 수주 확대를 위한 기반으로 작용한다. 안정적인 양품 공급과 고객사의 신뢰가 형성되면 대규모 칩 수주 계약을 확보할 가능성이 열린다. 다만 경쟁 파운드리 기업의 글로벌 공장 증설과 새로운 공정 재진입에 따른 다자 경쟁 구도 속에서는 시장 점유율의 반등 여부를 확정적으로 예단하기 어렵다.

미세 공정 기술과 양산 수율

GAA(게이트올어라운드) 공정과 핀펫 공정은 파운드리 기업이 반도체 칩을 제조하는 데 사용하는 미세 공정 기술이다. 미세 공정 기술은 애플, 엔비디아, 테슬라와 같은 팹리스 기업의 고성능 반도체 칩을 생산하는 데 쓰인다. 파운드리 공정은 설계도에 따라 미세 회로를 구현하여 물리적 반도체 제품으로 완성하는 역할을 수행한다.

미세 공정의 양산 단계는 원인, 공정 변화, 출하 결과의 순서로 전개된다. 팹리스 기업이 첨단 반도체 설계를 파운드리에 전달하면, 파운드리는 해당 공정 기술을 적용해 반도체 양산을 진행한다. 양산 공정에서 전체 생산품 중 양품의 비율을 의미하는 수율이 충분한 수준으로 형성되면 고객사가 요구하는 반도체 칩이 정상적으로 출하된다. 반면 공정의 기술적 스펙이 높아도 초기 수율이 낮은 수준에 머무르면 완성되는 양품 수량이 제한되는 결과가 발생한다.

수율 수준은 고객사의 위탁 수주 확보에 직접적인 영향을 미친다. 삼성전자는 2022년 6월 3나노 GAA 공정 양산을 발표했으나, 초기 수율이 10~20%대에 머물렀다는 보도가 이어졌다. TSMC는 핀펫 기반 3나노 공정을 적용하여 60% 이상의 안정적 수율을 확보했다. TSMC는 안정적인 수율을 바탕으로 애플의 아이폰용 A17 프로 칩과 엔비디아의 AI 칩 수주를 확보했다. 첨단 공정의 조기 도입보다 안정적인 양품 수율 확보가 팹리스 기업의 수주 결정에 핵심적인 조건으로 작용한 것으로 분석된다.

사업 구조와 고객사 신뢰 관계

순수 파운드리와 종합 반도체 사업 구조는 파운드리 시장에서 생산 시설을 운영하고 고객사와 협력하는 조직적 방식이다. 이러한 사업 구조는 팹리스 기업의 설계 자산을 보호하고 파운드리 기업에 대한 고객사의 신뢰를 형성하는 데 쓰인다.

사업 구조에 따른 작동 메커니즘은 조직 형태, 이해상충 가능성, 고객사 수주 결정의 순서로 이어진다. 순수 파운드리는 자사 완성품을 개발하지 않고 고객사의 설계도에 따른 위탁 생산만 전담한다. 순수 파운드리 방식에서는 고객사와의 제품 경쟁이 발생하지 않아 팹리스 기업의 설계 자산 유출 우려가 방지된다. 반면 메모리, 시스템LSI, 파운드리를 단일 기업 내에 함께 두는 종합 사업 구조에서는 파운드리 사업부와 자체 반도체 설계 부서가 공존한다. 이러한 구조에서는 경쟁 관계에 있는 팹리스 기업이 자사 설계도가 해당 기업의 자체 제품 개발에 활용될 수 있다는 이해상충 우려를 제기하는 원인이 된다.

고객사의 신뢰 형성은 대규모 반도체 위탁 계약을 유지하는 데 필수적인 요소로 작용한다. 퀄컴과 엔비디아 등 주요 팹리스 기업은 통합 사업 구조에 따른 설계 자산 보호 문제를 공개적으로 거론했다. 삼성전자는 2024년 11월 파운드리, 시스템LSI, 반도체연구소를 통합한 한국형 통합 조직을 구성하고 전영현 부회장을 DS부문장으로 선임했다. 조직 쇄신을 통해 고객사의 신뢰를 확보하는 조건이 충족되어야 수주 개선이 가능해질 것으로 보인다. 다만 자체 반도체 제품 부서를 보유한 구조적 특성상 팹리스 고객사의 이해상충 우려를 완전히 해소하는 데에는 한계가 존재한다는 평가가 나온다.

파운드리 시장 경쟁과 공장 투자

글로벌 파운드리 시장 경쟁은 복수의 반도체 위탁 생산 기업이 첨단 칩 수주 계약을 확보하기 위해 시설을 확장하고 점유율을 다투는 구조이다. 이 경쟁 체계는 인공지능 칩과 스마트폰용 모바일 프로세서 등 첨단 산업에 필수적인 반도체를 전 세계에 안정적으로 공급하는 데 쓰인다.

시장 점유율과 공장 투자의 전개 과정은 생산 역량 확보, 계약 체결, 시장 점유율 변동의 순서로 연결된다. 시장 조사업체 트렌드포스에 따르면 2024년 3분기 글로벌 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 64.9%, 삼성전자가 9.3%를 기록하여 양사 간의 격차가 6배 이상으로 나타났다. 삼성전자는 점유율 격차를 좁히기 위해 미국 텍사스주 테일러시에 2나노 파운드리 공장을 건설 중이며 2026년 가동을 목표로 설정했다. 2024년 7월에는 테슬라의 AI6 칩 수주(약 165억 달러 규모로 알려짐)를 발표하며 실적 반전의 계기를 마련했다.

생산 공장의 신설과 대규모 수주 계약은 파운드리 기업의 실적 회복에 긍정적인 영향을 줄 수 있는 요인으로 평가받는다. TSMC는 미국 애리조나 공장 확장을 진행하고 있으며, 인텔은 18A 공정을 통해 파운드리 시장에 재진입했다. 이에 따라 글로벌 파운드리 시장은 TSMC, 삼성전자, 인텔 간의 3파전 양상으로 전개되고 있다. 신규 공장 가동과 수주 확보라는 조건이 갖추어지더라도 경쟁 기업들의 글로벌 공장 증설과 기술 진입이 동시에 진행되고 있어 시장 점유율의 반등 여부를 확정적으로 예단하기는 어렵다는 분석이 나온다.