[21.04.06] 삼성 vs 인텔 vs TSMC 경쟁력 비교해보니...결국 `수율`에서 갈린다

778억달러.

인텔 지난해 매출이다. 삼성전자(570억달러, 반도체 부문), TSMC(442억달러)와 비교하면 월등히 높다. 일시적 부침이 있기는 했지만 30년 동안 인텔은 반도체 업계 부동의 1위였다. 그런 인텔이 왜 파운드리 시장에 뛰어들었을까.

인텔은 반도체 시장 전반에 걸쳐 영향력이 약해지고 있기 때문이다. 당장 매출은 높지만 분야별로 따져보면 경쟁력이 떨어지고 있다. 모바일 분야에서는 퀄컴, ARM이 시장을 장악한 지 오래다. 하물며 PC 시장에서도 AMD나 엔비디아에 밀린다.

애플, 마이크로소프트(MS), 아마존 등 대형 IT 기업이 직접 반도체 설계에 나섰다는 점도 무시할 수 없는 대목이다. 더 이상 대형 IT 기업들은 인텔 칩을 쓰지 않는다. 애플만 해도 맥북에 탑재할 CPU로 인텔 CPU 대신 자체 설계한 ‘M1’ 칩을 탑재해 호평을 받고 있다. 변화의 기로에 선 인텔은 ‘자의 반, 타의 반’으로 파운드리 시장에 뛰어들었다.

그럼 파운드리 시장에서 인텔이 갖고 있는 경쟁력은 어느 정도일까. 향후 직접적인 경쟁 상대가 될 것으로 예상되는 삼성전자, TSMC와 인텔 경쟁력을 비교해본다.

극자외선 노광장비는 1대당 1500억원에 달하는 고가 장비로 미세 공정 구현을 위해 필수다.

▶어느 순간부터 뒤처진 인텔

▷7나노 공정 도입 4~5년 늦어

1나노미터. 10억분의 1미터다. 반도체 산업에서는 ‘나노’ 앞에 나오는 숫자 즉, 10나노의 10은 곧 시장에서 경쟁력을 나타낸다. 숫자가 낮을수록 생산성이 높아지면서 칩 성능이 좋아지고 전력 소모가 줄어든다. 반도체는 지름 300㎜ 원판에서 회로 선폭을 얼마나 줄이느냐 싸움이다. 선폭을 줄일수록 하나의 원판에서 좀 더 많은 칩을 생산할 수 있다.

TSMC와 삼성전자는 10나노를 넘어 7나노 공정으로 전환하고 있다. 10나노는 머리카락 두께 5000분의 1에 불과할 만큼 얇다. 육안으로는 잘 보이지도 않는다.

반도체 생산량을 늘리는 방법은 크게 두 가지다. 공정 미세화 혹은 신규 설비 투자다. 요즘 반도체 신규 공장을 짓기 위해서 드는 비용은 최소 10조원 이상이다. 미세 공정 전환에 성공하면 수십조 원 비용을 투자하지 않아도 생산량 증가와 칩 성능 향상 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있다.

이 때문에 파운드리 경쟁력을 평가하는 첫 번째 요소는 바로 공정 기술이다. 반도체 컨설팅 업체 ‘IC Knowledge’는 2011년부터 2022년까지 3사 공정 기술을 비교했다.

2014년 3사는 비슷한 시기에 14나노 공정을 도입했다. 반도체 칩의 직접적인 성능과 연관 있는 트랜지스터 밀도(Density)는 인텔(4551만MTx)이 삼성전자(3468만)나 TSMC(3606만)보다 나았다.

삼성전자와 TSMC가 인텔을 앞서기 시작한 것은 그 이후다. 2014년부터 인텔은 몇 년 동안 14나노 공정에 머물러 있었다. 더 이상 발전이 없었다.

반면 2016년 삼성전자와 TSMC는 10나노 공정에 진입했다. 밀도 역시 차이가 나기 시작했다. 인텔 칩 밀도는 4551만으로 그대로인 반면 삼성전자(5455만)와 TSMC(5510만)는 인텔 기술을 넘어섰다.

10나노 이하 공정에서는 더욱 극명하게 차이가 나기 시작한다. TSMC는 2017년 7나노 공정에 진입했다. 삼성전자 역시 2018년 7나노 공정에 들어갔지만 인텔은 2019년에도 여전히 10나노 공정에서 벗어나지 못했다.

2019년 삼성전자와 TSMC는 5나노 공정 개발에 성공했다. 다만 양사 칩 밀도는 확연히 달랐다. TSMC 칩의 밀도는 1억8546만을 기록한 반면 삼성전자는 1억3356만으로 약 40% 차이가 났다.

IC Knowledge는 올해 삼성전자와 TSMC가 3나노 공정에 들어갈 것으로 내다본다. 칩 밀도는 TSMC(3억1665만)가 삼성전자(1억8031만) 대비 월등히 뛰어날 것으로 예상했다.

다른 자료를 살펴봐도 인텔은 TSMC, 삼성전자와 차이가 벌어져 있다. 미국 인공지능 국가안보위원회(NSCAI)에 따르면 인텔의 공정 기술은 지난해 말 기준 10나노 수준이다. NSCAI는 삼성전자와 TSMC가 이미 5나노 공정에 들어섰으며 2022년 3나노 수준까지 발전시킬 것으로 예상했다. 하지만 인텔은 여전히 7나노 수준에 머물러 있을 것이라는 분석이다.

공정 기술만 놓고 보면 TSMC와 삼성전자는 대등하고 인텔은 이들과 비교해 약 6개월에서 1년 정도 뒤처져 있다.

삼성전자와 TSMC를 비교하면 어떨까. 양사 공정 기술은 큰 차이가 없다. 다만 반도체 양산에 필요한 수율(전체 생산량 중 양품의 비율)은 TSMC가 삼성전자보다 살짝 앞서 있는 것으로 전해진다.

10나노 이하 미세 공정에서 높은 수율을 확보하기 위해서는 EUV(Extreme Ultra Violet·극자외선 노광장비)가 필수다. 1대에 무려 1500억~2000억원에 달하는 고가 장비다. 지난해 말 기준 TSMC는 EUV를 약 60대 보유한 것으로 전해진다. 반면 삼성전자는 약 10대 정도로 추정된다. EUV 장비 확보는 수율 향상에 큰 도움이 된다.

결론적으로 공정 기술은 ‘TSMC, 삼성전자 > 인텔’이며 수율이나 칩 밀도는 ‘TSMC > 삼성전자’로 정리할 수 있다.

▶인텔의 장점도 있다는데

▷미 바이든 정부의 전폭적 지원

공정 기술만 갖고 인텔의 장단점을 평가할 수는 없다. 고객사 확보, 생태계, 사업 전략 등도 파운드리 시장에서 주목해야 할 요소다.

인텔이 갖고 있는 장점은 분명하다. 바로 미국 기업이라는 점이다.

바이든 정부는 전략적으로 반도체 산업을 육성하기 위해 노력하고 있다. 주요 반도체 부품 공급난이 이어지자 미국에서는 ‘반도체 자립’이 주요 화두로 떠올랐다.

인텔은 미국 현지 생산이 가능하다는 분명한 이점이 있다. 인텔과 미국 정부는 현재 심각한 반도체 수급 불균형을 기회로 삼고 전략적으로 반도체 산업을 육성하고 있다. 향후 미국 정부가 파운드리 시장에 진입한 인텔에 여러 인센티브를 제공할 가능성도 제기된다.

삼성전자와 인텔은 공통점이 있다. 둘 다 IDM으로 별도 시스템 반도체 사업부가 존재한다. 고객사 입장에서는 언제든 설계도가 유출될 수 있다는 우려 때문에 삼성전자나 인텔에 생산을 맡기는 것이 불편할 수 있다.

또 삼성전자와 인텔 모두 소품종 대량 생산에 능하다. 반면 TSMC는 다품종 소량 생산 체제를 갖추고 있다. 생산 가능한 품목, 고객사 확보, 사업 전략 측면에서 삼성전자와 인텔은 묘하게 닮았다.

이 같은 분석 때문에 전문가들은 인텔의 실질적인 경쟁자는 TSMC가 아닌 삼성전자가 될 가능성이 높다고 내다본다.

노근창 현대차증권 리서치센터장은 “인텔이 파운드리 산업 기초를 다지려면 최소 2~3년은 소요될 것으로 예상된다. 특히 미세 공정 기술 확보가 선행돼야 삼성전자, TSMC와 경쟁할 수 있다”며 “그 과정을 거치면 파운드리 시장은 1강 2중 구도로 재편될 것”이라고 말했다.

삼성전자와 TSMC, 인텔의 경쟁력 비교는 역설적으로 TSMC가 파운드리 시장에서 얼마나 대단한 기업인지를 상징적으로 보여준다.

 

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삼성 vs 인텔 vs TSMC 경쟁력 비교해보니...결국 `수율`에서 갈린다