▲ 김기남 삼성전자 반도체총괄 사장이 5월 24일 미국 캘리포니아에서 개최된 ‘삼성 파운드리 포럼’에서 위탁생산 사업계획을 발표하고 있다. 〈출처: 삼성전자〉

2017년 5월, 파운드리 사업부를 신설해 시장 확대에 나선 삼성전자가 고전을 면치 못하고 있다. 10나노 공정에 집중한 삼성전자가 7나노 공정 개발에 앞선 TSMC에게 일격을 당하고 있는 것이다.

2017년 5월 24일, 미국 산타클라라 ‘삼성 파운드리 포럼’에서 삼성전자는 2020년까지 4나노 반도체 공정을 도입한다는 미세 공정 로드맵을 발표했다. 이날의 발표를 종합해보면, 2017년 내에 8나노 공정을 도입하고, 2018년에는 7나노, 2019년에는 6·5나노, 2020년에는 4나노 미세 반도체 공정을 단계적으로 도입한다는 것이다.
삼성전자의 미세 공정 로드맵 발표 이틀 후, TSMC는 2017년 3분기부터 반도체 위탁생산 신규 공장의 착공을 시작할 것이며, 이 신규 공장은 10·7나노 미세 공정 전용 공장이 될 것이라고 밝혔다. 또한 10나노 반도체 생산 능력을 웨이퍼 기준으로 연간 40만 장 규모까지 끌어올리겠다고 밝혔다. 10나노 공정은 삼성전자가 TSMC보다 앞서 있는데, 삼성전자는 2016년 10월부터 양산을 시작해 올해 3월까지 약 7만 장을 출하한 것으로 알려져 있다.
또한 TSMC는 12개 고객을 대상으로 7나노 반도체를 테스트하고 있다고 밝히며 2018년 상반기부터는 양산이 가능하다고 밝혔다. TSMC는 올초 3나노 칩셋 개발에 착수했다고 발표했는데, 양산이 되려면 기술적으로 상당한 시간이 필요할 것으로 전망된다. 삼성전자의 노드맵에서 보듯, 3나노 칩셋을 발표한 기업은 아직 없는 상태다.
반도체 미세 공정 로드맵 발표에서 보듯, 삼성전자와 TSMC는 시장점유율을 놓고 치열한 경쟁을 벌여왔다. IHS에 따르면, 위탁생산 시장에서 TSMC는 50.6%의 점유율로 1위를, 삼성전자는 7.9%의 점유율로 4위를 지키고 있다. 하지만 최근 몇 년 간 삼성전자는 위탁생산 공정기술을 빠르게 발전시켜 TSMC의 주요 고객이었던 퀄컴 등을 확보했었다.

TSMC, 삼성 따돌리나? 열쇠는 수율 
삼성전자와 TSMC의 경쟁이 치열해지자 일각에서는 삼성전자의 파운드리 사업부의 성공을 장담하기 어렵다는 의견들이 제기됐다. 자체적으로 칩을 설계, 생산, 최종 제품까지 제조하고 있어 애플이나 다른 스마트폰 제조사들과의 경쟁이 불가피해 위탁생산 수주가 쉽지 않다는 것이다. 이는 경쟁자일 수도 있는 삼성전자에게 칩 설계 도면을 넘겨주기가 어렵기 때문에 파운드리 사업이 성공하기 어렵다는 것이다.
지금까지 삼성전자는 45나노, 28나노 공정까지 애플의 칩을 독점적으로 생산해왔다. 하지만 20나노 제품은 TSMC에서 생산했다. 애플을 TSMC에 빼앗기자 삼성전자는 퀄컴을 신규 고객으로 끌어들여 성과를 낼 수 있었다. 14나노에서는 삼성전자와 TSMC가 절반 가량의 물량을 소화해냈다. 또한 퀄컴 스냅드래곤 820(14나노)과 850(10나노)은 삼성전자에서 전량 생산됐다. 하지만 7나노에서 TSMC가 퀄컴의 물량을 수주하면서 두 기업 사이의 경쟁은 치열해졌다.
퀄컴의 7나노 물량이 TSMC로 넘어간 이유는 이미 TSMC가 7나노 공정의 테스트를 시작했고, 내년 상반기부터 양산이 가능한 체제로 들어갔기 때문이다. 현재 퀄컴은 TSMC가 배포한 칩 개발 툴을 활용해 7나노 공정 기반의 스냅드래곤 애플리케이션 프로세서(AP)를 설계 중이며, 하반기에 패키지 설계와 검증 작업을 마친 후 올 연말이나 2018년 초에 양산에 돌입할 예정이다.
애플도 2016년부터 TSMC에 아이폰7용 16나노 A10 AP를 전량 맡겼고, 2017년 하반기에 출시할 것으로 예상되는 새로운 아이폰의 10나노 AP도 TSMC에서 생산하는 것으로 알려졌다. 게다가 퀄컴에 이어 스마폰 AP 세계 2위인 타이완의 미디어텍이 7나노 공정 파트너로 TSMC를 선택했다는 소식도 전해졌다.
TSMC가 퀄컴과 애플을 다시 수주할 수 있게 된 배경에는 패키징 기술력도 한몫했다. TSMC는 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키지(FoWLP) 기술을 업계 최초로 상용화했고, 전공정부터 후공정 생산까지 가능한 서비스를 제공하고 있다.
반면, 삼성전자는 2018년 하반기에나 출시할 엑시노스가 8나노 공정인 점 등을 미루어 볼 때, 아직 7나노와 관련한 생산 환경을 조성하지 못한 것으로 파악된다. 물론, 올해 수주해 놓은 10나노 AP와 모뎀 칩 물량으로 큰 타격은 없겠으나, 신규 고객을 수주하지 못한다면 2018년 이후 공장 가동률에 타격을 입을 수도 있다. 삼성전자는 TSMC의 FoWLP 기술에 대응하기 위해 팬아웃 패널 레벨 패키지(FoPLP) 기술을 개발 중에 있다.

▲ TSMC의 8인치 웨이퍼 생산 모습 〈출처: TSMC〉

TSMC가 거대 고객을 수주했지만, 과제가 남아있다. 반도체는 공정 개발도 중요하지만, 그에 못지않게 불량률을 최소화해 안정적으로 양산하는 것도 매우 중요하다. 수율 측면에서 삼성전자와 TSMC는 모두 난항을 겪은 바 있다. 가장 최근인 10나노 공정을 예로 들어, 삼성전자는 퀄컴 스냅드래곤 양산 수율이 낮아 출시가 늦어지면서 2분기 출시 예정인 스마트폰부터 적용될 것으로 전망된다. 
TSMC도 올해 출시할 애플 아이패드 신제품에 10나노 기반 프로세스를 공급하려 했지만, 양산 안정화에 문제가 생겨 3월에 출시 예정이었던 아이패드의 출시가 미뤄지고 있는 상황이다. 즉 7나노 공정에서 TSMC가 앞서갔다고는 하나 공정 개발보다 수율 문제를 최소화한 기업이 승기를 잡을 확률이 더 높다. 만약 TSMC가 차질 없이 양산에 성공한다면 삼성전자와의 격차를 더욱 벌릴 수 있다. 이는 삼성전자 입장에서도 마찬가지일 것이다.
고객 수주 경쟁뿐만 아니다. 삼성전자와 TSMC는 차세대 반도체로 꼽히는 임베디드 M램(eMRAM) 경쟁을 벌이고 있다. TSMC는 2018년 말까지 22나노 공정으로 생산한 eMRAM을 내놓을 계획이다.
삼성전자는 현재 28나노 FD-SOI 기반의 MRAM을 판매하고 있으며, 2017년 5월 파운드리 포럼에서는 현재 양산되고 있는 28나노 FD-SOI 공정에 eMRAM과 RF 기능을 통합한 플랫폼을 소개하며 이를 18나노까지 발전시킨다는 계획을 발표하기도 했다.