메모리-파운드리-패키지···'종합 반도체 기업' 삼성전자, TSMC 추격 고삐

'턴키 서비스' 강조한 삼성전자, TSMC·하이닉스 대체

일본 PFN 일감 수주···2나노 공정에 2.5D 패키지 적용

파트너사와 파운드리 생태계 확장···EDA는 TSMC 넘어

9일 삼성동 코엑스에서 열린 '삼성 파운드리 포럼 2024(Samsung Foundry Forum 2024)'에서 삼성전자 파운드리 사업부장 최시영 사장이 기조연설을 하고 있다. 사진=삼성전자 제공

삼성전자가 세계에서 유일한 반도체 회사임을 증명하며 글로벌 1위 파운드리(위탁생산) 기업인 TSMC 추격에 나섰다. 올해 미국과 한국 두 번의 파운드리 포럼에서 턴키(Turn Key, 일괄 생산) 효과를 설명하며 최적의 AI(인공지능) 솔루션을 제공할 수 있다고 강조했다. 이미 올해 AI 제품 수주 규모가 80% 이상 성장한 가운데 중소기업을 넘어 글로벌 빅테크 기업의 일감까지 확보할 수 있을지 주목된다.

지난 9일 삼성전자는 서울 코엑스에서 삼성 파운드리 포럼(Samsung Foundry Forum)을 열고 통합 AI 솔루션 턴키 서비스 수주 성과를 최초로 공개했다. 그동안 밝혀온 전 세계 유일무이 종합 반도체 회사(IDM)의 강점을 시장에 공개적으로 드러낸 셈이다.

현재 AI 반도체 시장은 크게 3분할로 이뤄진다. 엔비디아가 그래픽저장장치(GPU)를 설계하면 TSMC가 이를 파운드리하고 이후 SK하이닉스가 생산한 HBM(고대역폭 메모리)을 GPU와 함께 패키지 한다. 반면 삼성전자는 파운드리와 메모리, 패키지 사업을 모두 보유해 턴키 서비스를 제공할 수 있어 TSMC와 SK하이닉스의 역할을 대신할 수 있는 장점이 있다.

삼성전자는 세 개 사업 분야 간 협력을 통해 고성능·저전력·고대역폭 강점을 갖춘 통합 AI 솔루션을 제공한다는 계획이다. 이를 활용한 팹리스 고객은 칩 개발부터 생산에 걸리는 시간을 약 20% 단축할 수 있다고 강조했다. 또 2027년에는 데이터 전송을 위해 필요한 구리 배선 대신 광학 소자를 통합해 '원스톱 AI 솔루션'을 선보일 예정이다.

이번에 공개된 턴키 서비스는 일본 프리퍼드 네트웍스(Preferred Networks, PFN)로부터 수주한 일감이다. 이 기업은 딥러닝 분야에 특화한 칩부터 슈퍼컴퓨터, 생성형AI 기반 모델까지AI 밸류체인을 수직으로 통합해 첨단 소프트웨어 및 하드웨어 기술을 개발하고 있다. 삼성전자는 PFN AI 가속기 반도체를 2나노(SF2) 공정으로 양산해 2.5D(I-Cube S) 첨단 패키지를 통해 공급할 예정이다.

삼성전자는 2022년 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 구조 3나노(SF3E) 칩 양산에 성공한 데 이어 올해 하반기는 3나노 2세대(SF3)를, 내년에는 2나노 공정을 도입하기로 했다. 2027년에는 BSPDN(후면전력공급)을 적용한 2나노(SF2Z) 칩 양산에도 나선다. 웨이퍼는 전류 배선층과 회로가 함께 배치되는 FSPDN(전면전력공급) 구조로 만들어지는데 배선층과 회로를 분리한 BSPDN을 활용하면 웨이퍼를 앞뒤로 사용할 수 있어 보다 세밀한 회로를 새길 수 있고 전력 효율을 최대치로 끌어올릴 수 있다.

패키지도 AI 반도체의 기술 경쟁력을 좌우하는 핵심 분야다. 2.5D 패키지는 실리콘 인터포저(Interposer) 라는 특수 기판 위에 로직 칩과 메모리를 수평으로 연결하는 방식을 뜻하며 삼성전자는 'I(Interposer)-Cube', 'H(Hybrid)-Cube' 등으로 기술명을 구분하고 있다. PFN에 제공되는 'I-Cube S'는 메모리 손실은 낮추고 효율적인 열 제어 등을 특징으로 한다.

선단 공정뿐만 아니라 DSP, 설계자산(IP), 설계자동화툴(EDA), 테스트·패키징(OSAT) 등의 파트너사와 함께 파운드리 생태계도 확대하고 있다. EDA 파트너사는 23곳으로 TSMC를 이미 앞섰고 파운드리 사업부가 출범한 2017년 14곳에 불과했던 IP 파트너도 50곳으로 증가했다.

최시영 삼성전자 파운드리 사업부 사장은 이번 포럼에서 "AI를 중심으로 모든 기술이 혁명적으로 변하는 시점에서 가장 중요한 건 AI 구현을 가능하게 하는 고성능·저전력 반도체"라며 "삼성전자는 AI 반도체에 최적화된 GAA 공정 기술과 광학 소자 기술 등을 통해 고객들이 필요로 하는 원스톱(One-Stop) AI 솔루션을 제공할 것"이라고 말했다.