아이폰9의 A12 Vortex와 갤럭시X의 엑시노스9820 그리고 스냅드래곤 855가 만들어지는 7나노 공정에 대한 이야기

많이 아는 것보다 하나의 사실 관계라도 정확히 해석하는 것이 점점 더 중요해지는 요즘입니다. IT 업계의 경우도 마찬가지겠는데요.

일례로 스마트폰 AP 공정을 잠시 살펴보겠습니다.

우선 몇 개의 회사 중에 상대적으로 공정이 앞선 이 두 개의 회사들을 비교해보면

삼성의 경우는 10나노의 마이너 업그레이드 버전에 8나노라고 보는 것이 맞겠죠.

TSMC는 올해 2, 4분기에 이미 양산에 돌입한 7나노 입니다.

AP 파운드리 산업과 관련된 최근의 소식들을 정리해 보면,

애플의 A11 칩을 TSMC가 그들의 10세대 공정에서 독점 생산하고 있고,

같은 TSMC의 7나노 공정에서는 애플의 A12칩의 수주가 이뤄진것은 물론이거니와,

삼성 파운드리 사업의 효자 노릇을 톡톡히 해오던 퀄컴의 스냅드래곤 의 생산 마저도

차기작인 스냅드래곤 855에 이르러서는 당분간 TSMC 에서 전담하게 될 것이라는 전망이 거의 확실하죠.

딱 여기까지의 내용만을 접한 몇몇의 사람들은 위의 내용을 근거로 삼성의 기술력은 TSMC에 못 미치고

차세대 AP의 수주전 에서도 밀렸기 때문에 장기적인 관점에서 삼성의 반도체 산업이 앞으로 어려움을 겪을 것이라는 그런 주장을 하기도 합니다

우선 위의 주장이 맞는지에 대한 부분을 바로 답하기 보다는 그 사실 관계를 둘러싼 전체 반도체 시장의 배경에 대해 먼저 설명을 하는 것이 필요할 텐데요.

어느 기업이 특정 산업군에서 어느 정도 위치 인가를 따지는 아주 다양한 방법이 있겠죠. 그 중 매출 측면에서 살펴보면

삼성전자는 반도체 업계에서

2017년을 기점으로 선두 기업이 되었습니다

그리고 여기 상위 10개의 리스트 중에

TSMC는 아예 찾아볼 수도 없죠.

그런데, "아니던데. 내가 본 자료에는 TSMC가 단연 1등이던데?" 이런 반론을 제기하는 분들이 있을 수 있겠습니다. 아마도 그 분들이 보신 자료는 바로 이런 자료가 되겠죠.

내용을 살펴보면 TSMC가 독보적인 1위의 자리에 있습니다.

그리고 삼성의 이름은 저마치 4위에서 찾아 볼 수가 있는데요.

이렇게 순위가 다른 이유, 다들 아시겠지만 바로 이 자료가 거대한 반도체 시장의 일부분에 불과한 파운드리 시장에서의 매출 순이기 때문이죠.

물론 파운드리 시장도 매우 큰 시장 임에는 분명합니다.

파운드리 업체 중 하나인 TSMC의 2017년 매출을 보면 약 320억 달러나 되죠.

하지만 이 거대한 시장도 전체 반도체 시장에서는 작은 부분 집합에 불과합니다.

출처가 좀 다른 점, 감안하고 보더라도

2017년에 반도체 시장 매출 규모는 약 4290억 달러,

그리고 파운드리 시장은 약 623억 달러 정도에 불과하다는 점, 다시 한번 확인할 수 있습니다.

그럼 삼성의 반도체 매출 중에 파운드리가 차지하는 비중은 얼마나 될까요.

삼성전자의 전체 약 620억 달러의 매출 중에

파운드리 매출은 46억 달러에 불과하죠.

물론, 이 파운드리 시장이 메모리 분야에 다소 치중되어 있는

삼성전자 반도체 사업의 포트폴리오 강화 차원에서는 물론이고, 반도체를 직접 생산하는 삼성 입장에서는

파운드리 수주를 통해 공정 운영에 큰 이득이 있기 때문에 삼성에게 이 사업이 매우 중요한 것은 맞지만,

파운드리 사업에서의 어려움을 근거로 삼성 반도체 사업에 위기를 논하는 것은 맞지 않다, 이렇게 정리해 볼 수 있겠습니다.

이제 본격적으로 TSMC와 삼성 간의 공정 격차와 관련된 이야기를 나누면 좋을 것 같은데요.

우선 2007년으로 돌아가보면

당시에는 삼성이 아이폰의 AP를 만들었었죠. 그러던 삼성의 독점공급 구조가 이른바 애플의 공급망 다변화 정책을 통해 깨지게 되면서,

TSMC와 삼성 간의 파운드리 수주 전쟁의 막이 오르게 됩니다.

이 시기까지 아이폰의 AP들을 세대 별로 정리해 보면 이렇게 되는데요. 중요하게 봐야 되는 점이 이 아이폰 6s 때입니다.

이 시기에 이르러서 그 유명한 칩 게이트 사건이 발생하게 됩니다.

간단히 정리하면 6s에 들어간 A9 칩 중에 TSMC에서 제조한 칩을 쓴 아이폰에 비해

삼성에서 제조한 칩을 쓴 아이폰이 배터리 성능과 발열 면에서 성능이 나쁘더라는 뭐 그런 이야기죠.

우선 이 사실관계에 대해서는 저는 다소 왜곡된 측면이 있었다고 판단 하는데, 그 부분은 우선 논외로 하고

실제로 당시에는 아이폰에 대해 좋지 않은 여론이 형성되게 만들었던 그런 사건이었습니다.

이전 챕터에서 이 AP 파운드리가 양 사로 나눠진 것과 관련해 공급망 다변화라는 다소 거창한 단어를 이야기 했는데요.

지금에 와서 이 시기에 시간들을 떠올려 보면 애플 입장에서는 거대한 라이벌로 성장해 버린 삼성을 견제할 수밖에 없었던 상황이라 충분히 생각이 되죠.

때마침 터진 이 칩 케이트는 라이벌로 성장해 버린 삼성전자를 자사의 파운드리 업체에서 제외시킬 수 있는 아주 안성맞춤인 명분이 되었습니다.

그렇게 삼성이 배제된 채, 그 다음 세대인 아이폰 7의 A10 칩은 이제 TSMC가 독점 생산 하게 되는데요.

이 위기의 순간, 삼성의 대처는 어땠을까요?

우선 삼성은 기술로 이 위기 상황을 극복하겠다는 내용의 입장을 매스컴을 통해 여러차례 밝혔습니다.

그러더니 보란듯이 세계 최초로 10나노 양산에 돌입합니다.

그러면서 기술로 위기 상황을 극복하겠다는 삼성의 발언이 정말 그대로 실현된 것처럼 보였죠. 그리고 이 파운드리 싸움에서

삼성이 다시 유리한 위치를 선점하였다는 전망이 이어졌습니다.

어쩌면 이어지는 A11 칩의 수주를 삼성이 다시 가져올 수 있을지도 모른다는 기대가 점점 설득력을 얻게 되는데요.

뚜껑을 열어보니 막상 결과는 조금 달랐습니다.

아이폰 8의 A11 칩 마저 오히려 10나노를 뒤늦게 완성한 TSMC의 품으로 가게 되면서,

애플과 삼성 두 기업간에 묘한 긴장감이 흘렀습니다.

그리고 이어지는 TSMC의 행보가 재밌는데요. 삼성보다 먼저 7나노 공정으로 가게 된 것이죠.

그렇게 7나노 공정을 먼저 완성시킨 탓에 그 다음 세대인 애플 A12 칩은 물론이고,

퀄컴의 스냅드래곤 855까지도 TSMC의 품에 안기게 되었죠.

이 A12 칩의 경우, 올 2, 4분기부터 이미 양산에 돌입해있고,

스냅드래곤 855의 경우도

삼성의 7나노 공정이 완성된 이후는 조금 달라질 수도 있겠지만, 그 전까지 TSMC가 단독 공급하는 것은 확실해 보입니다.

여기까지가 현재의 내용이 되겠고, 바로 이 내용들이 삼성이 향후에도 TSMC에 밀리게 될 거라는 주장들이 나오게 된 그런 배경 인 셈이죠.

우선 TSMC의 경우 바로 7나노로 직행하였습니다.

여기서 조금 주의해야 할 점이 있는데요.

몇 개의 기사들에서 TSMC가 10나노 공정을 "건너 뛰었다"는 문장을 찾을 수 있는데, "건너 뛰었다"는 이 워딩을 문자 그대로

받아들이기보다는 "공정 투자를 최소화하고 7나노로 갔다." 이렇게 해석하는 것이 옳다는 점 정도 정리하면 좋을거 같구요.

반대로 삼성의 경우 TSMC와는 다르게 8나노 공정을 진행하였다는 점, 그리고 7나노 역시 공정 완성 시기를 약간 희생해서라도

TSMC보다 앞선 기술의 공정을 도입하려 하는 점, 이 두가지 점 정도를 삼성이 7나노가 늦었던 이유로 들 수 있겠습니다.

그리고 바로 여기서 EUV에 대한 내용이 등장 해야 될것 같은데요.

당장의 수주에서 약간의 희생을 감수하고서라도 완성하려 했던 이 7나노 EUV 공정이

현재 TSMC의 브루아르곤 액침노광 멀티 패터닝 조합에 비해 그럴 만한 장점이 있기 때문일 텐데요

우선 반도체를 만드는 과정을 정리해 보면, 이 많은 과정 중에 가장 중요한 부분 중에 하나가 이 파란색 박스 안에 이 웨이퍼에 회로를 새기는 작업이다.

뭐 이렇게 이야기해 볼 수 있겠죠.

위에서 언급한 액침노광 멀티패터닝과 EUV가

바로 이 부분에서 적용되는 기술들입니다.

먼저 TSMC의 7나노 기술과 관련해 그 원리에 대해 간단히 설명하자면, 우선 웨이퍼 위에 회로를 새기는 이 노광의 과정 중에

이 불화아르곤에서 나오는 광선으로는 공정을 미세화하는 데에는 한계가 있습니다.

바로 파장이 크기 때문인데요. 이 한계를 극복하여 더 미세한 패턴을 새기기 위해

중간에 액체 층을 추가해 파장의 크기를 줄이는 방식이 액침 노광 입니다. 이 기술을 통해 100나노를 훌쩍 넘는 파장을 효과적으로 줄이게 되는 거죠.

38나노 정도 선까지 개선이 되는데요. 그렇더라도 10나노, 7나노의 공정 미세도와는 괴리감이 있죠.

여기에 멀티 패터닝 이라는 기술이 더해지게 됩니다

TSMC가 바로 이 기술들을 통해 7나노까지 구현을 하게 된 것이죠.

그런데 이와 같은 멀티 패터닝 방식에는 문제가 있습니다.

우선 이 사진을 보시면 10나노에서 7나노로 옮겨지는 과정에서 노광을 하는 과정이 더욱 더 복잡해지고,

산술적으로도 이 횟수가 기하급수적으로 증가하는 것을 볼 수 있죠.

이렇게 멀티 패터닝을 통한 공정 미세화에는 한계가 있습니다.

기본적으로 생산 속도가 느려지고, 이 패턴이 계속 될수록 미세한 오차들이 중첩이 되면서 해상도가 떨어지게 되는데요.

이제 이 시점에서 EUV에 대한 이야기를 시작해야 할 것 같습니다.

EUV는 극자외선이란 뜻이죠. 그 밖에 복잡한 설명이 필요 없이 그 자체로 10나노 대의 파장을 갖습니다.

따라서 여러 가지 문제점을 유발하는 파장의 크기를 줄이기 위한 이 별도의 보완 작업들이 현저히 줄어들게 되죠.

실제로 액침노광과 멀티 패터닝 조합과

EUV를 통한 각각의 결과를 살펴보면 왜 삼성이 공정이 늦는 것을 감수하면서까지 EUV 도입을 기다렸나 하는 부분에 대해

공감할 수 있겠는데요.

우선 무엇보다 EUV 광원의 출력, 그리고 가동률. 대표적으로 이렇게 두 가지 점을 들 수 있겠는데요.

광원출력 관련해서는 이 출력이 높을수록 더 빠르게 생산이 가능하겠죠. 이 내용은 시간당 생산 속도와 관련이 되고

가동률 관련해서는 이 속도로 얼만큼 계속해서 가동할 수 있냐는 뭐 그런 이야기겠죠.

문제는 이 부분이 삼성만 열을 낸다고 얻을 수 있는 그런 부분이 아니고, 바로 EUV 노광 장비 를 만드는 업체가 따라와 줘야 하는데

삼성 입장에서는 우선적으로 이 업체가 제공하는

현재 시점의 EUV 기계 성능을 고려해야겠죠. 그리고 계속해서 개선된 제품이 나올 것이기 때문에 어느 시점에

이 장비들을 구매 하느냐 하는 이 구매 시기에 대한 고민이 있겠는데요. 대당 가격이 약 1500억에서 2000억에 다르기 때문에 무턱대고

여러대를 구매하기도 어려울 뿐만 아니라, 이 한정된 공급이 다른 업체로 가지 않도록 선점해야하는 부분도 있기 때문에 삼성 입장에서는

여러모로 어려운 결정의 연속이 되겠습니다.

아서 살펴본 것처럼 같은 7나노여도 기존의 방식과 EUV 방식 패턴의 충실도가 굉장히 다르죠.

물론 EUV를 통한 제작이 코스트가 비싼 것은 사실입니다. 허나 기존 방식의 경우는 이 공정이 미세화 되면 될수록

생산 속도와 패턴의 충실도 면에서 손해를 보기 때문에 이 가격적인 부분이 일정 부분 상쇄되고, 광원의 출력과 가동률과 같은 부분은 앞으로 점차

개선이 될 수 있는 그런 부분들이기 때문에 장기적인 관점에서 EUV로의 전환을 빠르게 이루어낸 업체의 전망이 밝다 이렇게 평가할 수 있겠죠.

그리고 여기서부터는 이 공정 도입과 관련된 뉴스에 귀를 기울이면 좋을 것 같은데요.

현재까지는 삼성이 가장 빨라 보이죠. 물론 공정의 완성 시점만을 근거로

삼성이 앞으로의 파운드리 사업에서 무조건 잘될 것이다. 이렇게 이야기하는 것은 어렵겠지만,

적어도 TSMC와의 싸움에서 유리한 고지를 점령할 수 있을 것이라는 전망에는 힘을 실어 주기에 충분한 내용이라 할 수 있겠습니다.

오늘 함께 나눈 이 파운드리 시장과 관련된 이야기가 사실은 차세대 엑시노스 9820,

스냅드래곤 855, 그리고 애플의 A13 칩 으로 이어지는 아주 중요한 내용이 되기 때문에 다소 재미없는 내용이 될 것을 감수하고 정리해 보았는데요

관련 내용이 필요하셨던 분들께 조금이나마 의미 있는 영상이 되었으면 하는 바람이 있습니다.

자 오늘도 행복한 하루 보내시구요. 다음 시간에 다시 찾아뵙겠습니다

오늘도 시청해 주셔서 진심으로 감사합니다.