차세대 2나노 칩 경쟁…TSMC 선두, 삼성·인텔 추격

대만, 한국, 미국 등 세계 유수의 반도체 기업들이 차세대 스마트폰, 데이터 센터 및 인공 지능을 구동할 이른바 '2나노미터' 프로세서 칩을 만들기 위해 경쟁하고 있다.

11일(현지 시각) 파이낸셜타임즈(FT)에 따르면 분석가들은 여전히 대만 TSMC 회사가 반도체 시장에서 글로벌 우위를 유지할 것으로 예상하고 있지만, 삼성전자와 인텔은 업계의 다음 도약을 격차를 좁힐 기회로 삼고 있다.

수십 년 동안 칩 제조업체들은 더욱 컴팩트한 제품을 만들기 위해 노력해 왔다. 칩의 트랜지스터가 작아질수록 에너지 소비는 줄어들고 속도는 빨라지기 때문이다.

오늘날 '2나노미터', '3나노미터'와 같은 용어는 반도체의 실제 물리적 크기보다는 새로운 세대의 칩을 지칭하는 약어로 널리 사용되고 있다.

차세대 첨단 반도체 분야에서 기술 우위를 선점하는 기업은 지난해 전 세계 칩 판매액이 5,000억 달러(657조 9500억원)를 넘어선 이 산업을 지배할 수 있는 유리한 위치에 서게 된다고 FT는 분석했다.

게다가 이러한 매출은 발전형 AI 서비스를 구동하는 데이터 센터 칩에 대한 수요 급증으로 인해 더욱 증가할 것으로 예상된다.

업계 소식통 2명에 따르면 프로세서 분야에서 세계 시장을 장악하고 있는 TSMC는 이미 애플과 엔비디아를 포함한 일부 대형 고객사들에게 "N2"(2나노미터) 프로토타입의 공정 테스트 결과를 보여줬다고 한다.

삼성전자는 엔비디아를 포함한 유명 고객들의 관심을 끌기 위해 최신 2나노미터 시제품의 저가 버전을 제공하고 있다고 2명의 소식통은 말했다.

미국 헤지펀드 달튼 인베스트먼트의 애널리스트 제임스 림은 "삼성은 2나노미터를 게임 체인저로 보고 있다"라며 "하지만 사람들은 여전히 삼성이 TSMC보다 마이그레이션을 더 잘 수행할 수 있을지 의구심을 갖고 있다"고 말했다.

인텔도 내년 말까지 차세대 칩을 생산하겠다는 대담한 주장을 펼쳤다. 인텔이 아시아 경쟁사들보다 앞서게 될 수도 있지만, 미국 회사 제품의 성능에 대한 의구심은 여전히 남아 있다.

N2 칩의 대량 생산이 2025년에 시작될 것이라고 밝힌 TSMC는 일반적으로 애플을 주요 고객으로 삼아 모바일 버전을 먼저 출시한다. PC용 버전과 더 높은 전력 부하를 위해 설계된 고성능 컴퓨팅 칩은 나중에 출시될 예정이다.

애플의 최신 플래그십 스마트폰인 아이폰 15 프로와 프로 맥스는 올해 9월에 출시되었을 때 TSMC의 새로운 3나노미터 칩 기술을 적용한 최초의 대중 시장 소비자 기기였다.

칩이 계속 작아짐에 따라 한 세대, 즉 "노드"의 공정 기술에서 다음 세대로 넘어가는 데 따르는 어려움이 가중되고 있으며, 이로 인해 TSMC의 왕좌가 무너질 수 있는 실수가 발생할 가능성도 커지고 있다고 FT는 분석했다.

TSMC는 FT에 N2 기술 개발에 대해 "순조롭게 진행되고 있으며 2025년 대량 생산을 목표로 하고 있다. 이 기술이 도입되면 밀도와 에너지 효율 면에서 업계에서 가장 앞선 반도체 기술이 될 것"이라고 밝혔다.

그러나 이사야 리서치의 루시 첸 부사장은 다음 노드로의 전환 비용이 증가하고 있는 반면 성능 개선은 정체되어 있다고 지적했다.

첸 부사장은 "(다음 세대로의 이전은) 더 이상 고객들에게 매력적이지 않다"라고 말했다.

전문가들은 대량 생산이 아직 2년이나 남았고, 티어링 문제는 칩 생산 과정에서 자연스러운 현상이라고 강조했다.

이종환 서울 상명대학교 시스템반도체공학과 교수는 삼성이 파운드리 사업부에서 생산되는 로직 칩의 잠재적 고객인 스마트폰과 칩 설계 사업부가 치열한 경쟁자라는 사실도 문제라고 덧붙였다.

이 교수는 "삼성의 구조는 많은 잠재 고객들에게 기술이나 디자인 유출 가능성에 대한 우려를 불러일으킨다"라고 지적했다.

한편, 인텔은 기술 컨퍼런스에서 차세대 "18A" 노드를 홍보하고 칩 설계 회사에 무료 테스트 생산을 제공하고 있다.

인텔은 2024년 말에 18A 생산을 시작할 예정이며 잠재적으로 차세대 노드로 마이그레이션하는 최초의 칩 제조업체가 될 것이라고 말했다.

하지만 TSMC의 최고 경영자인 CC 웨이(CC Wei)는 당황하지 않는 모습이라고 FT는 말했다.

그는 10월에 대만 회사의 내부 평가에 따르면 이미 시장에 출시된 최신 3나노미터 제품이 전력, 성능 및 밀도 측면에서 인텔의 18A와 비슷하다고 설명했다.

[연합뉴스 제공]

삼성과 인텔은 중국과의 잠재적 우려로 TSMC에 대한 의존도를 낮추려는 분위기에서 반사이익을 얻기를 바라고 있다고 FT는 말했다.

지난 7월, 미국 칩 제조업체 AMD의 최고 경영자는 더 큰 유연성을 추구하기 위해 TSMC가 제공하는 것 외에 "다른 제조 역량을 고려할 것"이라고 말했다.

컨설팅 회사 RHCC의 최고 경영자 레슬리 우는"TSMC에만 의존하는 것은 너무 위험하다"라며 2나노미터 수준의 기술을 필요로 하는 주요 고객들이 칩 생산을 여러 파운드리에 분산시키려고 한다고 설명했다.

그러나 번스타인의 아시아 반도체 애널리스트인 마크 리는 "(지정학적) 요인이 효율성이나 일정과 같은 요인에 비해 얼마나 의미가 있는지는 논쟁의 여지가 있다. 비용, 효율성, 신뢰도 측면에서 TSMC가 여전히 우위에 있다"라고 평가했다.

컨설팅 업체 트렌드포스(TrendForce)에 따르면 삼성은 전 세계 첨단 파운드리 시장에서 25%의 점유율을 차지하고 있는데 반해 TSMC는 66%에 그치고 있어, 삼성 내부자들은 이 격차를 좁힐 수 있는 기회가 있다고 보고 있다.

삼성전자는 지난해 3나노 또는 "SF3" 칩의 양산을 최초로 시작했으며, "게이트-올-어라운드"(GAA)로 알려진 새로운 트랜지스터 아키텍처로 전환한 최초의 기업이다.

복수의 소식통에 따르면 미국 칩 설계업체 퀄컴은 차세대 하이엔드 스마트폰 프로세서에 삼성의 "SF2" 칩을 사용할 계획이라고 한다. 이는 퀄컴이 주력 모바일 칩의 대부분을 삼성의 4나노미터 공정에서 TSMC의 동급 공정으로 이전한 후 운명이 뒤바뀐 것이다.

삼성은 "2025년까지 SF2 양산을 위한 준비가 잘 되어 있다"라며 "우리는 최초로 GAA 아키텍처로 도약하고 전환했기 때문에 SF3에서 SF2로의 발전이 비교적 원활하게 이루어질 것으로 기대하고 있다"라고 말했다.

분석가들은 삼성이 3nm 칩을 가장 먼저 시장에 출시했지만 고객에게 배송 할 수 있는 것으로 간주되는 생산된 칩의 비율인 "수율"로 어려움을 겪고 있다고 경고했다.

삼성은 3나노미터 수율이 개선되었다고 주장했다고 FT는 말했다.

가장 단순한 3나노 칩의 수율은 60퍼센트에 불과해 고객의 기대에 훨씬 못 미치며, 애플의 A17 프로나 엔비디아의 그래픽 처리 장치에 해당하는 더 복잡한 칩을 생산할 때는 더 떨어질 가능성이 높다고 복수의 소식통은 말했다.

리서치 회사 세미애널리시스(SemiAnalysis)의 딜런 파텔 수석 애널리스트는 "삼성은 이러한 비약적인 도약을 시도하고 있다"라며 "그들은 원하는 모든 것을 주장할 수 있지만 아직 제대로 된 3나노미터 칩을 출시하지 못했다"라고 말했다.