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비메모리 1위 도전장 낸 삼성전자 이미지센서·車 반도체·파운드리서 승부
기사입력 2019.06.26 17:06:15
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삼성전자가 2030년까지 비메모리(시스템 반도체) 반도체 세계 1위를 천명했다. 메모리 반도체에서 일굴 ‘기적’을 재현하겠다는 야심찬 포부다. 비메모리 반도체는 IT 분야에서 두뇌(프로세서), 입·귀(통신), 눈(이미지센서) 등의 역할을 한다. 특히 설계 전문회사인 ‘팹리스’, 제조 전문기업인 ‘파운드리(반도체 위탁생산)’, 패키징·테스트 작업 등 특화된 곳이 즐비하다. 공정별로 분업화돼 있고 소품종 다량 시스템으로 약 8000종에 달하는 제품이 출시되고 있다.

올해 이재용 삼성전자 부회장은 비메모리 반도체(CPU·모바일AP·이미지센서·파운드리 등) 시장의 성장과 가능성에 주목하며 “2030년에는 메모리 1위는 물론 비메모리에서 1위를 달성하겠다”고 공식화하면서 ‘반도체 비전 2030’을 발표했다. 삼성전자가 ‘반도체 비전 2030’을 통해 내놓은 전략은 2030년까지 연구개발(R&D) 73조원, 생산시설 60조원 등 총 133조원을 비메모리에 쏟아 붓는 것을 핵심으로 한다. 대규모 투자를 통해 비메모리에서도 ‘반도체 기적’을 일군다는 구상이다.



삼성전자가 비메모리(시스템반도체)에 주목하는 이유는 시장 잠재력이 무궁무진하기 때문이다. 한국 반도체 업체들은 메모리에서는 세계 1등이지만 향후 더 큰 시장이 예고되는 비메모리에서는 1위와 격차가 상당한 수준이다. 삼성전자는 작년 전체 반도체 시장에서 15.9%의 점유율로 인텔(13.8%)을 제치고 1위를 차지했지만 이는 압도적 시장지배력을 가진 D램과 낸드플래시 등 메모리 덕분이었다.

시장조사기관 가트너에 따르면 비메모리에서는 한국의 점유율(2017년 기준)이 미국(63%), 유럽연합(13%), 일본(11%), 중국(4%) 등에 못 미치는 3.4%에 불과하다. 반면 글로벌 반도체 시장에서 메모리의 비중은 35%에 그치고 비메모리는 65% 정도에 달한다. 비메모리의 분야별 선두 기업으로는 CPU의 인텔, 모바일프로세서·모뎀의 퀄컴, 네트워크칩의 브로드컴, 이미지센서의 소니, 파운드리의 TSMC 등이 대표적이다.

스트래티지 애널리틱스에 따르면, 작년 휴대전화 두뇌에 해당하는 모바일 프로세서 시장에서 미국 퀄컴이 37%(출하량 기준)를 차지하고 있어 절대 강자 위치를 공고히 하고 있고, 삼성전자는 12%로 4위 수준이다. 또 TSR에 따르면 각종 이미지를 디지털 신호로 전환해주는 이미지센서 시장에서는 삼성전자가 일본 소니(26.1%)보다 낮은 23.3%로 2위에 머물고 있다.

비메모리 반도체 산업에는 파운드리(위탁 생산)와 팹리스(설계 전문 기업), 모바일 어플리케이션 프로세서(AP), 이미지센서 등이 속한다. 이중 파운드리에서는 한국의 경쟁력이 최근 크게 올라가 대만에 이어 세계 2위 수준까지 오르는 데 성공했다. 하지만 팹리스의 경쟁력은 미국, 일본은 물론이고 중국에도 뒤처진 모습이다. 팹리스는 한국이 경쟁력을 가지고 있는 메모리 반도체와는 성격이 완전히 다르다. 메모리 반도체는 대규모 설비투자가 필요한 장치산업의 특성을 갖고 있는 반면 팹리스는 창의적인 회로설계 능력이 요구된다. IC인사이츠에 따르면 인텔, 퀄컴 등을 보유한 미국은 2010년 이후 줄곧 70%에 가까운 점유율을 유지하고 있고 중국은 2010년 5%에서 지난해 13%로 8년 새 3배 가까이 점유율을 끌어올렸다. 매출액 기준 세계 팹리스 상위 10개 기업 중 2개가 중국 기업인데 한국 기업은 상위 50개 기업에 든 곳이 하나에 불과할 정도로 규모가 영세하다. 한국 최대 팹리스 기업인 LG 실리콘웍스는 지난해 7918억원의 매출을 기록하는 데 그쳤다.

경기도 화성시 삼성전자 화성사업장에서 열린 시스템반도체 비전 선포식에서 문재인 대통령이 웨이퍼칩에 서명하고 있다.



삼성전자가 비메모리 반도체를 집중 육성하겠다는 뜻은 양·질의 면에서 명실상부한 종합 반도체 1위 기업으로 도약하겠다는 의지가 담겨 있다는 분석이다. 또 메모리 의존도를 낮추고 사업다각화에 나선다는 취지로도 해석된다. 메모리 반도체 비중이 워낙 높다보니 메모리 반도체 업황 변화에 따라 삼성전자 실적이 크게 좌우되기 때문이다. 실제 지난해 삼성전자 전체 영업이익이 58조8866억원에서 반도체 부문 영업이익이 44조5738억원으로 무려 75.7%를 차지했다. 특히 반도체 부문 내에서 메모리 반도체가 비중의 70~80%에 육박해 수요 둔화로 가격이 하락하면 심한 부침을 겪을 수밖에 없는 구조다. 시스템 반도체는 향후 5G, 자율주행차, 사물인터넷(IoT) 등 4차 산업혁명이 본격화되면서 새로운 수요가 늘 것으로 기대된다. 자동차용 반도체, 의료용 반도체, 인공지능(AI)용 반도체가 특히 유망하다는 평가다. 이 부회장이 비메모리 육성 의지를 강조하면서 삼성전자의 시장 공략도 빨라질 것으로 예상된다. 이 부회장은 올 초 “메모리 반도체 시장의 정체를 극복할 수 있는 지속적인 기술 혁신과 함께 전장용 반도체, 센서, 파운드리 등 시스템 반도체 사업 경쟁력 강화를 추진해야 한다”고 강조한 바 있다. 삼성전자 비메모리 1위의 핵심 축은 이미지센서, 파운드리, 차량용 반도체, 5G반도체 등으로 요약된다. 삼성전자는 ▲현재 2위 수준인 모바일 AP와 이미지센서 경쟁력 강화 ▲지능령 차량 주행 솔루션을 위한 반도체 개발 확대 ▲파운드리 선두(대만 TSMC) 추격 등 핵심 전략을 수립했다.

▶비메모리 첫 타깃 이미지센서 시장… 소니 맹추격

삼성전자 비메모리 육성의 첫 타깃은 일본 소니를 맹추격하고 있는 이미지센서다. 이 분야에서는 삼성전자가 세계 최초로 6400만 화소의 이미지센서를 선보이며 목표 달성을 위한 ‘초(超)격차’ 전략에 시동을 걸었다.

메모리 반도체(시스템 반도체)의 핵심 분야 중 하나인 이미지센서 시장은 인공지능(AI)·5G 발전에 따른 센서 응용 증가로 폭발적인 성장이 예고된다. 삼성전자는 메모리 분야에서 축적한 압도적인 미세공정 기술 노하우와 ‘반도체 DNA’를 바탕으로 이미지센서 시장 세계 1위인 일본 소니를 조기에 넘어선다는 복안이다.



삼성전자는 올 초 각 부서에 흩어져 있던 센서 관련 팀들을 한군데로 모아 센서사업팀을 구성한 것도 이런 전략의 일환이다. 또 2017년에는 이미지센서 브랜드 ‘아이소셀’을 론칭했고 작년 10월에도 이미지센서 신제품을 내놓기도 했다. 또 올해 5월에는 0.8㎛(마이크로미터·100만분의 1m) 크기의 초소형 픽셀을 적용한 초고화소 이미지센서 신제품 ‘아이소셀 브라이트 GW1(6400만 화소)’과 ‘아이소셀 브라이트 GM2(4800만 화소)’를 공개했다.

이미지센서는 카메라 렌즈로 들어온 빛(영상 정보)을 디지털 신호로 바꿔주는 역할을 하는 비메모리 반도체다. 최근 모바일 기기는 전면을 스크린으로 가득 채운 ‘풀 스크린’과 여러 개의 카메라를 탑재한 ‘멀티 카메라’가 각광받고 있다. 작은 칩 크기로 고화소를 구현할 수 있는 초소형 픽셀의 중요성이 커지고 있다는 뜻이다. 삼성전자가 압도적인 역량을 보유하고 있는 비메모리 미세공정 기술이 빛을 발할 수 있는 부분이다. 삼성전자가 20%대의 점유율을 가진 스마트폰 제조사인 점은 또 다른 강점이다. 여기에 삼성전자의 반도체 생산능력이 더해져 시너지를 창출하면 조기에 소니를 따라잡을 가능성이 크다는 게 업계 전망이다.

현재 글로벌 이미지센서 사업은 일본 소니가 점유율 49.9%로 1위를 차지하고 있다. 삼성전자는 2013년 이미지센서 브랜드 ‘아이소셀’을 론칭한 이후 매년 10% 이상의 성장을 거듭하면서 소니를 맹추격하고 있다.

AI와 5G, 자율주행 등 4차 산업혁명 기술이 본격적으로 상용화되면 이미지센서 수요는 폭발적으로 늘어날 것으로 보인다. 스마트폰 시장은 2017년을 기점으로 성장이 정체국면에 접어들었지만 ‘멀티 카메라’ 채용률이 늘어나면서 이미지센서 시장은 지속 성장하고 있다. 반도체 전문 시장조사기관 IC인사이츠에 따르면 글로벌 이미지센서 시장은 지난해 137억달러에서 2022년 190억달러(약 22조원) 규모로 성장할 전망이다. 매년 10% 가깝게 성장할 만큼 잠재력이 크다.

또 현재 모바일에 집중된 이미지센서 사업 분야는 전장과 의료 등의 분야로 확대될 것으로 예측된다. 특히 미래 핵심 먹거리인 전장향 이미지센서 시장은 각 국가별 안전 규제 강화와 자율 주행 확대로 카메라 채용률이 크게 늘어날 것으로 보인다. 이미지센서 전문 시장조사기관 테크노시스템리서치(TSR)에 따르면 자동차 카메라 수는 2019년 2억6200만 대에서 2023년 3억7900만 대로 늘어날 전망이다.

삼성전자 이미지센서 설명회



▶삼성전자·TSMC 치열한 파운드리 ‘왕좌의 게임’

비메모리 반도체의 한 축인 파운드리 분야에서는 삼성전자가 2위로 1위인 TSMC를 맹렬히 쫓아가고 있는 상황이다. 삼성전자는 세계 파운드리 시장 1위인 대만 TSMC를 따라잡기 위한 전략을 본격 가동한 상태다.

삼성전자가 파운드리 중요성을 강조한 까닭은 4차 산업혁명 시대를 맞아 주문형 반도체 수요가 급증하고 있기 때문이다. 현재 구글, 테슬라, 애플, 아마존, 페이스북 같은 글로벌 IT 기업을 중심으로 별도 반도체 설계 팀을 두는 곳이 늘고 있다. 시장 조사업체 IHS마킷은 글로벌 파운드리 시장이 2021년까지 매년 7.7%씩 성장할 것으로 전망했다. 이는 낸드플래시(7%)보다 높은 수준이다. 시장조사기관 트렌드포스에 따르면 지난 1분기 세계 파운드리 시장에서 TSMC는 48.1%로 점유율 1위를 달리고 있고 삼성전자가 19.1%로 그 뒤를 쫓고 있다. TSMC와의 격차를 최대한 빨리 줄이는 게 삼성전자의 우선적인 목표다. 파운드리 사업을 주도해 온 TSMC는 축적된 기술과 함께 수십 년간 영업을 통해 구축해 놓은 거래처·신뢰관계 등이 강점으로 손꼽힌다.



최근 상황은 삼성전자가 지난 4월 발표한 ‘반도체 비전 2030’을 통해 비메모리 반도체 생산시설 확충에 투자를 확대할 것을 밝히자 이어 TSMC가 투자 계획을 밝히면서 파운드리 미세공정의 주도권을 잡기 위한 1,2위 간 경쟁이 가열되고 있는 모양새다. 업계에서는 삼성전자와 대만의 TSMC가 7㎚(나노미터·이하 나노) 이하의 최첨단 미세공정(회로 선폭을 줄이는 기술) 주도권을 잡기 위해 치열한 투자 경쟁을 펼치고 있다고 해석한다. 전 세계에서 7나노 이하의 파운드리 미세공정은 삼성전자, TSMC만 가능하다.

나노 공정은 회로 폭을 ㎚(1㎚는 10억분의 1m)급으로 줄여 반도체를 만드는 공정을 말한다. 5나노 공정은 반도체 소자에 들어가는 회로 선폭이 5㎚급(머리카락 굵기의 2만4000분의 1 수준)임을 의미한다. 나노 공정이 미세해질수록 칩의 크기를 줄일 수 있고 전력 효율도 높일 수 있다. 이와 함께 칩이 작아져 웨이퍼당 생산량이 증가하고 원가 경쟁력도 높아진다.

나노 이하의 반도체 미세공정을 위해서는 반도체 초미세 공정의 총아라 불리는 극자외선(EUV) 노광장비가 필수적이다. EUV 장비는 네덜란드의 ASML이 유일하게 생산해 제작에만 수개월이 걸리고 대당 1500억~2000억원에 달하는 고가의 장비다. 삼성전자는 지난해 말부터 최근까지 7나노 공정에 필요한 EUV 장비를 10여 대 구입했고, TSMC도 올 들어 EUV장비를 10대 이상 구매 예약한 것으로 알려졌다. 파운드리 3,4위 업체인 인텔과 글로벌파운드리가 최근 7나노 이하 투자를 잠정 중단한 것도 EUV장비 가격에 대한 부담 때문이었다. 현재 7나노 수주경쟁에서 앞선 TSMC가 압도적인 매출 1위를 지키고 있지만 삼성전자가 미세공정에 유리한 EUV를 TSMC보다 먼저 시작한 만큼 향후 기술을 진척시키는 데 유리할 수 있다는 분석도 나온다. 삼성전자는 미세공정 개발에 유리한 극자외선(EUV)을 먼저 활용해 기술 개발에 속도를 낸다는 전략이다.



▶차량용 반도체

삼성전자는 차량용 반도체 시장이 커질 것으로 예측하고 관련 사업에 공을 들여왔다. 자율주행 시대가 본격화함에 따라 반도체 시장에도 무궁무진한 기회가 열릴 것이라는 판단에 따라 관련 사업 확장에도 속도를 높이고 있다.

특히 작년 8월 차량용 전장부품 중심 반도체를 인공지능(AI)·5G·바이오와 함께 삼성이 공략할 ‘4대 미래 성장 사업’으로 선정한 만큼 사업에 자원과 역량을 아낌없이 투입할 것이라는 전망이다. 시장조사업체 IHS에 따르면 글로벌 차량용 반도체 시장은 2019년 약 420억달러(약 49조원)로 추정되며 2024년까지 656억달러(약 77조원) 규모로 성장할 것으로 관측된다. 차량에 탑재돼 인포테인먼트와 첨단운전자 보조시스템(ADAS) 등에서 ‘두뇌’ 역할을 하는 애플리케이션 프로세서(AP)를 비롯해 메모리, 카메라, 각종 센서 등 수많은 반도체 솔루션이 개발·탑재될 것으로 전망된다.

차량용 반도체의 수명은 2~3년마다 교체되는 스마트폰 등 전자 기기에 비해 10년 이상 될 정도로 길다. 높은 수율과 신뢰성이 무기인 삼성전자로서는 충분히 공략할 수 있는 시장이라는 얘기다. 차량용 반도체 시장점유율은 네덜란드 NXP(19%), 독일 인피니온(16%), 일본 르네사스일렉트로닉스(15%) 등 순으로 몇몇 업체가 우위를 다투고 있지만 메모리처럼 절대 강자는 없는 상황이다. 삼성전자는 아우디를 시작으로 글로벌 완성차 업체로 공급처를 확대해 업계 1위인 네덜란드 NXP 등을 빠르게 추격한다는 전략이다.

문재인 대통령과 이재용 삼성전자 부회장이 지난달 30일 경기도 화성 삼성전자 DSR에서 열린 시스템 반도체 비전 선포식을 마친 후 EUV동 건설현장을 방문하고 있다.



삼성전자가 자체 개발한 차량용 반도체 브랜드 ‘엑시노스 오토’를 탑재한 아우디 자동차가 올 가을 유럽에서 출시된다. 아우디를 시작으로 글로벌 완성차 업체들에 차량용 반도체를 공급하면서 본격적으로 시장 지배력을 확장한다는 복안이다.

삼성전자는 앞서 지난해 10월 새로운 차량용 반도체 브랜드인 ‘엑시노스 오토’를 전격적으로 선보이면서 사업 확장을 본격화했다. 삼성전자는 자동차의 각 응용처에 맞춰 엑시노스 오토 제품군을 ▲V시리즈(인포테인먼트시스템) ▲A시리즈(첨단운전자보조시스템·ADAS) ▲T시리즈(텔레매틱스시스템) 등 3개 제품군으로 세분화해 적용하고 있다. 자동차 파워 계통을 제외한 모든 부품을 삼성전자의 반도체 먹거리 사업으로 만들겠다는 계획이다.

엑시노스 오토 8890



▶G 시대 개막에 불붙은 5G반도체 시장

시스템 반도체의 미래 핵심 분야 중 하나인 5G 차세대 통신 반도체 시장에서도 5G시대가 본격적으로 열리면서 경쟁이 점화됐다. 한국에서 세계 최초 5G 상용화가 시작된 가운데 세계 반도체 업계의 5세대(5G) 경쟁이 본격적으로 시작됐다. 삼성전자는 ‘5G 토털 모뎀 솔루션’을 출시하면서 차세대 통신 반도체 시장의 주도권 선점에 나섰다. 첨단 5G 포트폴리오를 바탕으로 독점적 공급체계를 갖춰 5G시대에도 삼성 반도체의 초격차를 이어간다는 전략이다.

5G반도체에서는 글로벌 제조사 중 삼성전자와 퀄컴이 ‘양강’구도를 형성했고 인텔·화웨이 등이 5G모뎀칩 상용화에 뛰어든 상황이다. 삼성전자의 가장 큰 경쟁자는 5G 모뎀칩의 선두 제조사 퀄컴이다. 퀄컴은 2016년 업계 최초로 5G 통신 지원 모뎀 ‘스냅드래곤 X50’를 공개하고 기술 개발에 공을 들여왔다. 이밖에도 인텔이 지난해 11월 5G 모델칩을 발표했고, 중국 화웨이는 지난해 MWC 2018에서 자체 개발한 5G 칩셋을 선보였다.



삼성전자도 기술 격차를 만들기 위해 광폭 행보를 이어나갈 예정이다. 삼성전자는 24GHz 이상 초고주파 대역(mmWave)을 지원하는 RF 트랜시버와 위상배열(Phase Array) 제품의 상용화를 추진하는 한편 추후 모뎀을 프로세서에 통합한 차세대 5G 반도체도 선보일 계획이다. 삼성전자로서는 퀄컴과의 기술 격차를 최대한 빨리 줄이는 게 관건이다. 스마트폰 제조사들이 앞다퉈 5G 스마트폰 출시를 앞두고 있지만 5G칩 생산이 가능한 제조사는 한정돼 있어 수급난이 일어날 가능성도 제기된다.


애플은 2020년 출시할 5G 아이폰의 통신 반도체 수급을 놓고 고심을 거듭하는 것으로 알려졌다. 삼성전자를 제외하고는 애플 등 스마트폰 업체에 5G 통신 반도체를 공급할 능력을 갖춘 반도체 기업이 마땅치 않기 때문이다.

삼성전자 반도체 엔지니어가 작업에 앞서 회로가 새겨진 포토마스크를 확인하고 있다.



시장조사업체 스트래티지애널리틱스(SA)에 따르면 전 세계 5G 스마트폰 시장은 올해 410만 대에서 2020년 2570만 대, 2021년 1억700만 대, 2023년 3억4300만 대로 폭발적인 성장을 거듭할 것으로 전망된다.

[황순민 매일경제 산업부 기자 ]

[본 기사는 매경LUXMEN 제106호 (2019년 7월) 기사입니다]
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