[딜사이트 김민기 기자] 삼성전자가 디자인하우스 파트너사인 에이디테크놀로지와 함께 독일 스마트 엔지니어링 기업인 'S'사와 3㎚(나노미터·10억분의 1m) 반도체 설계 계약을 체결하면서 위탁생산(파운드리) 분위기 전환에 나섰다.

내년 갤럭시S24 신제품에 삼성전자의 자체 모바일 애플리케이션프로세서(AP) '엑시노스 2400'도 탑재될 예정이고 퀄컴의 모바일 칩 수주 경쟁도 있는 만큼 파운드리에서 TSMC와 격차를 줄일 수 있을지 관심이 모인다. 

다만 수율을 얼마나 끌어올리냐가 관건이다. 삼성전자 3나노 공정 수율은 60% 이상으로 알려져 있지만 일각에서는 아직 50% 수준으로 보고 있어 수율을 높여 성능을 안정화시키고 고객사 신뢰를 확보해야한다. 

18일 업계에 따르면 에이디테크놀로지는 3나노 공정 반도체 설계 지원 사업을 수주했다. 삼성전자는 지난해 세계 최초 양산한 차세대 트랜지스터 구조 '게이트올어라운드(GAA)' 공정으로 양산한다.

에이디테크놀로지는 반도체 회로를 설계하는 팹리스와 위탁생산을 하는 파운드리를 연결하는 역할을 하는 디자인솔류션 기업이다. 삼성전자 파운드리 사업부의 공식 디자인 솔루션 파트너 '디자인솔루션파트너(DSP)'에 이름을 올렸다. 

삼성전자 입장에서도 지난해 6월 3나노 공정을 도입했지만 TSMC와 공정 기술 경쟁에서 점유율 면에서 유의미한 결과를 내지 못했다. 이번 수주가 그만큼 큰 의미로 받아들여진다. 계약을 맺은 독일 'S'사가 시장 기대를 채울 만큼 대형 고객사는 아니다. 그러나  소위 '빅칩'이라 불리는 최첨단 서버용 칩 양산 경험이 많지 않은 삼성전자 입장에서는 흔치 않은 기회다.

최근 아이폰15 발열 이슈로 TSMC의 3나노 모바일 애플리케이션프로세서(AP)이 안정성이 논란에 휩싸였다. 삼성전자 입장에서는 고객사 확보에 기회다. 삼성전자가 기술 우위를 점할 발판이 마련된 상황이다.

삼성전자는 현재 GAA 기반 3나노 1세대(SF3E)를 양산 중이다. 2세대 공정(SF3) 역시 SF3E 양산 경험을 토대로 개발하고 있다. SF3를 2024년 양산할 예정이다. 현재 모바일, HPC 등 고성능 저전력을 필요로 하는 고객사 들과 논의 중에 있는 것으로 전해진다. 

다만 핵심은 3나노 수율이다. 삼성전자의 3나노 공정 수율이 60%로 알려져 있다. 그러나 전문가들은 아직까지는 50%대 수준에 머물러 있는 것으로 보고 있다. 삼성전자가 60% 수율을 기록한 칩은 로직칩에 들어가는 S램(SRAM)이 생략된 공정이다. 온전히 삼성전자가 60% 수율을 달성했다고 보기에는 어렵다는 분석이다. 이 칩은 중국 비트코인 채굴용 반도체(ASIC) 팹리스에 공급됐다.

특히 내년부터 본격적으로 출시될 퀄컴, 삼성전자 시스템LSI의 3나노 모바일 칩 수주 경쟁에도 수율이 결정적인 영향을 미칠 전망이다. 내년 3나노 공정으로 제작되는 퀄컴 스냅드래곤8 4세대는 3나노 수율 여부에 따라 삼성전자가 가져올 물량 규모가 정해질 것으로 관측된다. 

내년에 출시되는 갤럭시 S24, S24+ 등 갤럭시S 시리즈에 탑재될 것으로 전망되는 엑시노스 2400도 4나노 공정이 적용될 것으로 보인다. 결국 퀄컴, 엔비디아, AMD 등 메이저 고객의 AP나 GPU에 대한 3나노 물량을 많이 가져와야 경쟁사인 TSMC를 앞설 수 있다. 

설계자산(IP) 확보도 장기적인 과제다. TSMC와 경쟁에서 격차가 큰 이유 중 하나는 TSMC 대비 IP 확보가 부족하다는 점이다. TSMC는 오픈이노베이션 플랫폼(OIP)을 통해 IP 포트폴리오 5만5000건 이상과 기술 4만3000건 이상 등을 보유하고 있다. 삼성전자는 4500여개 IP 포트폴리오와 56개 IP 기업을 확보했을 뿐이다. 

IP는 반도체 특정 기능 등을 회로로 구현한 설계 블록이다. IP 확보 규모에 따라 공정기간 단축이나 고객사 확보에 미치는 영향이 매우 크다.

IP 확보를 위해 삼성전자는 최근 반도체 설계의 전설로 불리는 캐나다 AI 반도체 스타트업 텐스토렌트의 짐켈러 최고경영자(CEO)와 손을 잡았다. 짐캘러는 애플·테슬라·인텔·AMD의 최첨단 반도체 설계를 주도해 온 전설적인 인물이다. 다만 텐스토렌트의 '차세대 AI칩' 생산에는 시간이 걸릴 것으로 보인다.

업계 관계자는 "3나노는 도입 초기 단계라 TSMC와 삼성이 모두 치열한 수율 경쟁을 벌일 것"이라면서 "핀펫 방식을 적용한 TSMC도 발열 이슈에 노출됐다. GAA(게이트올어라운드) 기술을 적용한 삼성전자도 아직은 3나노 수율을 더 올려야 되는 숙제를 안고 있다"고 전했다.