삼성전자-ARM, '파운드리 동맹' 확대···AI 시장 대응 총력전(종합)

설계회사 ARM과 협력···SoC, GAA 공정에 최적화

"ARM CPU 접근 용이···최고의 소비자 경험 제공"

파운드리 추격 고삐···3나노 연평균 성장률 65%

삼성전자가 AI 시대에 맞는 최적의 반도체 칩을 제공하기 위해 ARM과 협업을 확대한다. 그래픽=박혜수 기자

삼성전자가 영국 반도체 설계 기업 ARM과 함께 파운드리(위탁생산) 능력을 확대한다. AI(인공지능) 시장에 대응하기 위해 3나노(㎚·1나노=10억 분의 1m) 기반의 최첨단 반도체를 만든다는 게 주요 골자다. 전체 파운드리 시장에서 미세 공정 비중이 늘어날 것으로 예상되는 가운데 이번 협력으로 삼성전자가 TSMC와의 격차를 좁힐 수 있을지 관심이 모아진다.

21일 삼성전자는 ARM의 차세대 SoC(시스템온칩) 설계 자산을 GAA(게이트올어라운드) 공정에 최적화하는 등의 양사 간 협력을 강화한다고 밝혔다. 삼성전자는 이번 협력을 통해 팹리스 기업의 최첨단 GAA 공정에 대한 접근성을 높이고 차세대 제품 개발에 드는 시간과 비용을 최소화할 계획이다.

ARM은 반도체 아키텍처를 설계한 이후 이를 판매하거나 로열티를 얻으며 수익을 낸다. 애플 AP(애플리케이션 프로세서)인 A 시리즈를 비롯해 퀄컴 스냅드래곤, 삼성전자 엑시노스 등이 ARM의 아키텍처를 기반으로 제작되고 있다. AP뿐만 아니라 Cortex-X라는 설계 자산(IP)을 통해 AI 서버용 등으로 쓰이는 CPU(중앙처리장치)도 만들어진다.

삼성전자가 지난 2022년 6월 세계 최초로 도입한 GAA는 4면에서 게이트가 둘러싼 차세대 트랜지스터로 불린다. 트랜지스터는 반도체를 구성하는 핵심 소자로 전류가 흐르는 채널과 이를 제어하는 게이트로 구분된다. 5나노, 3나노 등 선폭이 줄어들수록 게이트가 제 역할을 못 해 누설 전류가 발생하는 문제가 생길 수 있는데 삼성전자는 GAA 도입으로 5나노 핀펫과 비교해 전력은 45% 절감하고 성능은 23% 향상됐다고 설명했다.

삼성전자 파운드리사업부 (좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. 사진=삼성전자 제공

현재 삼성전자는 GAA 기반 3나노 1세대(SF3E)를 양산 중이며 2세대 공정(SF3) 역시 양산 경험을 토대로 차질 없이 개발 중이다. KB증권은 최근 리포트를 통해 "지난해 삼성 파운드리 수주는 160억달러로 역대 최대 규모에 달했다"며 "2028년 점유율은 24%로 2023년 12%에서 5년 만에 2배 확대가 기대된다"고 전망했다.

삼성전자는 "이번 협업으로 팹리스 고객들은 ARM의 최신형 CPU 접근이 용이해진다"며 "GAA 공정을 기반으로 설계된 ARM의 차세대 Cortex-X CPU는 우수한 성능과 전력효율로 최고의 소비자 경험을 제공할 것으로 기대된다"고 전했다.

양사는 팹리스 기업에 적기에 제품을 제공하면서도 우수한 PPA(소비전력·성능·면적)를 구현하는 것에 초점을 맞춘다. 이를 위해 협력 초기부터 설계와 제조 최적화를 동시에 처리하는 DTCO(설계 기술 공동 최적화)를 채택해 GAA 공정의 PPA 개선 효과를 극대화했다.

삼성전자와 ARM은 10년 이상 협력을 이어오고 있으며 2018년 7월에는 7나노, 5나노 핀펫 공정 기술로 협력 확대를 발표한 바 있다. 삼성전자는 3나노를 넘어 2나노 GAA 기술을 개발하고 있으며 AI 가속기 등 빠르게 성장하는 응용처의 매출 비중을 확대해 나갈 계획이다. 이를 통해 2027년까지 파운드리 사업에서 모바일 외 제품군의 매출 비중을 50% 이상 높여 나가기로 했다.

계종욱 삼성전자 파운드리 사업부 디자인 플랫폼(Design Platform) 개발실 부사장은 "이번 협력 확대를 통해 양사 고객들에게 생성형 AI 시대에 걸맞은 혁신을 지원하게 됐다"며 "이번 설계 기술 최적화를 통해 팹리스 고객들에게 최선단 GAA 공정 기반 초고성능, 초저전력 Cortex-CPU를 선보이겠다"고 말했다.

한편 시장조사업체 옴디아에 따르면 2023년부터 2026년까지 전 세계 파운드리 시장의 성장률은 연평균 13.8%로 예상된다. 선단 공정으로 분류되는 5나노 이하 공정의 매출은 전체의 24.8%를 차지했으나 2026년에는 41.2%까지 급상승할 전망이다. 특히 2023~2026년 3나노 공정의 연평균 성장률은 64.8%로 전망된다.