애플과 엔비디아를 둘러싼 TSMC, 인텔, 삼성전자의 반도체의 패권 전쟁의 맞침표는?

반갑습니다. '투자하는 아재'입니다. 오늘의 주제는 애플과 엔비디아를 둘러싼 TSMC, 인텔, 삼성전자에 대해 이야기하겠습니다. 과거의 흐름부터 현재 급변하는 AI 시장에 흐름에 맞추어 저의 의견을 공유합니다.

 주관이 포함된 내용으로 반감을 가지실 수 있으니 댓글을 통해 소통해 주시면 저의 성장하는 투자에 도움이 될 듯합니다.

 이 글은 저의 유튜브 채널에서도 감상하실 수 있습니다.(https://youtu.be/x2 cgGZRjNrE)

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 현재 반도체 시장을 요약해 보면, COVID-19를 전후로 한 파운드리 비즈니스의 부각과 한계에 봉착한 미세 선단공정의 '무어의 법칙' 붕괴로 인한 패키징의 대두로 요약해 볼 수 있을 것입니다.

 반도체를 이야기하는데 '애플'이 무슨 상관이냐고 반문하실 분들이 계실 겁니다. 하지만 파운드리에 있어 애플의 칩(Chip)을 수주한다는 것은 '다품종 소량 생산'이라는 파운드리 비즈니스의 한계를 뛰어넘어 '소품종 대량 생산'이라는 이상을 이루게 해 줄 '치트키'와 같은 것이기에 전체적인 흐름에서 중요합니다.

 다들 아시겠지만, 과거 파운드리와 후공정(PACKAGING)은 그렇게 주목받지 못한 반도체 비즈니스였습니다.

  하지만, 2010년을 전후로 삼성전자와 애플의 모바일 시장에서의 경쟁구도는 각종 하드웨어를 비롯한 반도체 칩의 보안상의 문제를 대두시켰습니다. 같은 산업의 경쟁사 삼성이 모바일 핵심 AP를 설계를 해주고 각종 하드웨어를 납품받는 일은 애플에게는 굉장히 위험한 일이 되었습니다. 그동안에는 전 적으로 삼성전자에 의지하여 사업을 유지하던 애플에게 적색등이 켜진 것입니다. 그러면서 삼성과 애플은 디자인 특허와 같은 지식재산권 분쟁의 문제로 균열을 보이기 시작했습니다.

 이러한 이유에서 애플은 삼성전자의 대체 기업을 찾아 나섰으나 결코 쉬운 일이 아니었습니다.

 이러한 흐름을 읽고 있던 TSMC의 창업주 '모리스 창'은 파운드리만 하는 TSMC의 비즈니스를 무기로 애플이 원하는 지식재산권과 보안의 문제 해결을 약속하면서 애플과의 신뢰를 쌓기 시작하였습니다. 

 3년간의 검증과 시제품 생산을 통해 2013년 애플은 자체 모바일 AP인 A8을 TSMC에 생산의뢰를 하였고 TSMC에서 생산된 A8은 2014년에 출시된 아이폰6에 장착되었습니다.

이러면서 TSMC와 삼성전자의 애플칩 수주를 위한 미세공정 대결구도는 본격화되었습니다.

 2015년, 애플은 아이폰6s에 삼성과 TSMC의 칩을 모두 사용하는 특이한 시도를 했습니다. 두 기업의 공정을 저울질하기 위한 애플의 시험대였습니다. 하지만 당시 삼성전자는 14 나노로 16 나노의 TSMC에 비해 파운드리 선단공정에서 기술적인 우위를 갖고 있었습니다.

 결투가 벌어지기 전까지는 대부분 TSMC의 열세를 점쳤습니다. 하지만 막상 뚜껑을 열어보니 이외의 결과를 보였습니다.

 두 기업의 칩의 성능이 대등하거나 TSMC의 소폭 우위에 있다는 결과가 나오기 시작했습니다. 당시 16 나노의 더 미세한 공정의 삼성의 칩이 더 좋은 결과를 보일 것이라는 전문가들의 예상은 보기 좋게 빗나갔습니다.

 추후에 알려진 사실이지만 미세선단공정에서 추격하기 어려울 것을 인지한 TSMC는 "모리스 창'의 주도하에 후공정(PACKAGING) 경쟁력 강화로 파훼법을 찾았습니다.

 이러한 사실이 밝혀지고 TSMC의 FO-WLP( Fan Out-Wafer Level Packaging )이 세상에 널리 알려지면서 후공정인 Packaging공정의 중요성이 부각되었습니다.

 애플의 A9칩은 삼성이 제조한 마지막 애플 반도체로 남게 되었습니다.

 삼성과의 경쟁에서 승리한 TSMC는 이후 애플의 반도체를 전량 생산하게 되었습니다. 아이폰, 아이패드는 물론 에어팟, 맥북 등 애플이 자체적으로 설계한 모든 반도체의 설계도가 TSMC로 향했습니다. 그러자 TSMC 매출에서 애플의 비중은 초기 8%에서 현재는 23%로 치솟았습니다.

 이는 반도체 판도의 변화를 일으켰습니다. 과거 1980년 대부터 2000년대 중반까지 매출기준으로 영원히 굳건할 것만 같았던 인텔의 반도체 제왕의 자리는 2000년대 말부터 2010년대에는 점차 입지가 약해지면서 삼성전자가 새로운 반도체 패권 경쟁에 뛰어들었습니다. 

 서버용 CPU의 수요 증가 시기에는 인텔이, 그 외에는 삼성의 우세 속의 경쟁이 이루어졌고, 4차 산업의 초입인 현재에는 제왕의 계보는 TSMC와 삼성, 인텔의 3강의 경쟁구도가 본격화되었습니다.

 인텔의 몰락은, 서버용 CPU에 있어 굳건한 최강자 인텔은 점차 강점인 서버용 CPU시장에서도 AMD에게 점유율을 조금씩 뺏기고 있고 두 번의 연이은 파운드리 실패로 인해 신성장 동력을 찾지 못한 것이 주요 원인이었습니다.

 연이은 실패와 경질성 CEO교체로 분위기를 쇄신을 도모하던 인텔은 최종 엔지니어 출신의 '펫 겔 싱어'가 CEO를 맡으면서 다시 파운드리에서의 선단공정과 자체 아래의 Advanced Packaging을 통해서 다시 반도체 시장의 군주로 군림하겠다는 목표를 향해 전력을 다하고 있습니다.

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TSMC, 인텔, 삼성파운드리의 패키징 기술 비교

 하지만 인텔은 좀처럼 이렇다 할 성과를 보이지 못하고 선단공정에서 아직까지 7 나노 양산 수준에 머물러 있습니다. 그들의 약속처럼 5 나노와 3 나노를 건너뛰고 24년에  2 나노 양산에 성공할 수 있을지에 대한 확률은 지극히 낮아 보입니다.

 일부의 언론에서는 시제품 생산(Risk Production)과 양산의 차이를 모르고 인텔의 2 나노 칩 생산 가능성을 높게 보도하고 있으나 이는 사실과 큰 차이가 있을 수 있으니 맹목적으로 믿어서는 안 될 듯합니다. 저를 비롯한 많은 전문가들은 인텔이 선단 공정에선 경쟁 3사 중 제일 낮은 기술을 가지고 있다고 생각하고 있습니다.

 반면, 인텔은 Advanced Packaging에 있어선 발 빠른 움직임을 보이고 어느 정도의 성과도 보이고 있습니다. 개인적인 소견으론 기술적으로 TSMC보다는 약하지만 삼성보다는 약간 높은  Advanced Packaging의 기술적 우위를 가지고 있을 것이라 예상해 봅니다. 

 하지만 삼성도 TSMC와 인텔을 Advanced Packaging분야에서 빠르게 추격하고 있어 그 차이는 크지 않을 것이라 생각됩니다.

 인텔의 가장 큰 장점으로는 미국이 든든한 뒷배라는 점입니다. 또한 파운드리의 치트키 애플 또한 미국기업이라는 점이 그들이 2025년 애플의 칩을 수주하겠다는 다소 허황된 목표에 느낌표를 더해주는 요소이기도 합니다.

 과거 메모리 치킨게임 당시 미국의 마이크론은 D램 5, 6위의 기업이었습니다. 당시 2, 3, 4위의 일본 기업들이 삼성의 치킨게임 속에 추풍낙엽으로 떨어져 나갔지만 마이크론은 살아남았습니다. 이러한 마이크론의 생존은 현재 D램 3위 기업으로 자리 잡게 하였고 이는 세계 최대 경제 강국인 미국의 든든한 지원이 큰 몫을 했을 것이라 생각됩니다. 

 TSMC는 누가 뭐라 해도 파운드리 최강자로 군림하고 있습니다. 현재 앞도적인 Advanced Packaging 기술을 바탕으로 50% 이상의 점유율로 파운드리를 점령하고 있습니다. 하지만, 대부분의 선단공정 시설들이 대만 본토에 집중되어 있는 점은 중국과 미국의 패권전쟁의 여파와 중국의 대만 침공등의 지리학적 요인과 더해져 투자자들을 고민하게 만들기 충분해 보입니다. 

 이러한 리스크를 줄이기 위한 방책으로 TSMC는 최근 미국 애리조나 주에 400억 달러(53조)를 투자하여 FAB을 건설할 계획을 갖고 있었습니다. 하지만 건설 중이던 FAB(공장)이 인력공급 문제와 갈등으로 지연될 것이라는 점은 FAB증설에 있어 아직 지연 리스크가 없는 삼성전자와의 점유율 차이를 소폭 줄여 줄 것이라 예상해 볼 수 있습니다.

 또한, 선단공정에서 새로운 GAA 3 나노를 양산중인 삼성전자에 비해 아직 GAA의 하위 기술인 FIN-FET 3 나노에 머물러 있습니다. 그럼에도 불구하고 최근 알려진 바에 의하면 삼성전자 보다 5% 낮은 55%의 수율을 보이고 있다고 합니다. 이는 TSMC가 선단공정에선 어느 정도 삼성이 추격을 허용하고 있다고 생각됩니다.

 낮은 수율은 50%에 육박하고 있던 영업이익률에 악영향을 미칠 것은 당연할 것이며 이는 경제침체등의 거시적 경제 흐름과 파운드리 시장의 침체와 맞물려 흐르고 있습니다. 물론 거시 경제의 흐름과 파운드리 시장의 침체는 경쟁구도의 3사 모두가 처한 상황이라 생각할 수도 있을 것입니다. 

 하지만 경쟁하는 3 기업의 체감온도는 각기 다를 것으로 생각됩니다.

 인텔은 IDM(종합반도체 기업)이긴 하지만 서버용 CPU에 특화되어 있고, 파운드리만을 하는 TSMC에 비해 삼성전자는 가장 색이 짙은 IDM(종합반도체 기업) 일뿐만 아니라 핸드폰, 가전, 전장등의 다양한 비즈니스 포트폴리오를 구축하고 있어 가장 안정적인 현금흐름을 가지고 있습니다. 이는 반도체를 제조하는 파운드리 비즈니스에 있어 안정적인 투자를 지속할 수 있다는 '규모의 경제'의 핵심과 맞닿아 있습니다.

 물론 삼성전자의 현금흐름 또한 D램이 매우 큰 비중을 차지하고 있어 D램의 업황에 따라 주가의 변동성이 큽니다. 하지만 반도체 산업만을 영위하고 있는 인텔과 TSMC에 비해 앞의 다양한 포트폴리오를 가지고 있는 삼성전자가 가장 안정적인 현금흐름을 보일 수밖에 없다는 것은 부정할 수 없는 사실입니다

 최근 출시된 애플의 아이폰 15에 탑재된 A17칩에 있어 여러 좋지 않은 소식이 전해지고 있습니다. TSMC의 3 나노에 있어 발열문제가 불거지고 있고 이와 더불어 기대에 미치지 못한 낮은 성능개선은 TSMC와 애플과의 칩생산 계약에서 기존과는 다른 좋지 않은 계약을 성사하게 했습니다

 기존의 계약은 양품과 불량품 모두를 합산하여 생산비를 받았지만 이번 애플과의 계약에선 양품의 생산량만큼의 생산비만을 애플에게 받습니다. 이는 낮은 매출과 영업이익률로 직격 될 것이고 당연히 투자 축소로 연결될 것입니다.

 또한 낮은 3 나노 수율과 수익성은 최근 발표 된 투자 축소와 연계시킬 수 있을 것입니다. 축소 규모는 파운드리 업황에 따라 변동될 것이라 생각됩니다. 

 현재의 반도체 시장은 AI라는 거대 물결 속에 표류하고 있습니다. 관련하여 HBM(광대역폭 메모리) 메모리 시장의  성장 예상치는 기존 30%에서 점차 상승하여 현재는 100% 이상 성장하는 시장이 될 것이라 합니다. 이에 따른 수혜는 SK하이닉스와 삼성파운드리의 몫이 될 것입니다.

 하지만, AI라는 반도체 산업의 큰 파도 속에 TSMC는 별다른 수혜가 없습니다. 그나마 어느 정도의 파운드리 생산시설을 보유하고 있는 인텔의 경우 조금의 득은 있을 수도 있겠지만 애플의 막대한 칩 생산량을 감당해야 하는 TSMC는 낮은 수율로 인한 생산성 저하로 엔비디아의 생성형 인공지능(AI) 학습용 칩인 GPU의 생산에 있어 최신 3 나노 공정에서 생산이 한계에 다다른 것으로 보입니다.

 당연히 TSMC 또한 생산시설(CAPA) 확충으로 대응하고 있지만 생산 시설 확충이 2, 3년 정도의 긴 시간을 필요로 하는 일이기에 즉각적인 대응에는 한계가 있습니다. 

 얼마 전까지 엔비디아의 AI용 GPU의 전용 메모리인 HBM(광대역폭 메모리)은 기존 SK하이닉스에서 전량 생산하였습니다. SK하이닉스의 HBM메모리는 TSMC에게 보내지고 이를 TSMC가  패키징 하는 과정을 거쳐 엔비디아의 AI용 GPU는 생산됐습니다.

 이러한 분업화된 과정은 더 많은 비용과 시간을 필요로 했습니다. 더욱이 엔비디아는 AI용 GPU 수요에 맞춰 생산량을 늘리고 싶어도 애플의 A17칩 생산으로 과부하된 TSMC의 생산라인을 지켜볼 수밖에 없습니다. 따라서 엔비디아가 급속도로 커지고 있는 AI시장에서 조금이라도 빠르게 더 큰 매출과 이익을 확보하는 방법은 삼성전자와의 협력 밖에는 없습니다.

 이러한 엔비디아의 니즈를 파악한 삼성전자는 IDM이라는 장점을 내세워  HBM메모리와 2.5D 패키징 기술인 I-Cube4를 활용한 Turn-Key(세트 생산)로 엔비디아의 AI용 메모리 칩을 수주하는 데 성공하였습니다. 

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 과거 TSMC에게 파운드리의 한계를 넘게 해 준 치트키였던 애플의 칩 전량 수주는
AI라는 반도체의 새로운 패러다임으로 인해 오히려 "독이 든 성배"가 될 수 있을지도 모르겠습니다. 

 만약, 삼성파운드리가 HBM과 패키징의 "Turn-Key 수주"를 통하여 엔비디아의 신뢰를 얻을 수 있다면 이를 바탕으로 삼성파운드리가 일부 물량을 수주받을 가능성이 커 보입니다. 엔비디아의 입장에서도 GPU의 원활한 수급을 위해 TSMC와 삼성파운드리를 모두 활용하는 투트랙(Two-Track)이 전략을 펼칠 가능성이 높다고 생각합니다. 

 물론, 엔비디아는 삼성파운드리의 GAA 3 나노의 성능과 수율, 그리고 Advanced Packaging의 기술력과 생산단가 등을 고려하여 TSMC와 저울질할 것입니다. 만약 엔비디아의 GPU칩 수주에 성공한다면 삼성파운드리는 더 높은 곳으로 도약할 수 있을 것입니다.

 추가로 삼성은 24년 초 엑시노스 발매를 앞두고 있습니다. 삼성의 모바일 S24에 탑재될 것으로 기대를 모으고 있는 엑시노스 2400은 삼성의 파운드리 점유율과 3 나노 기술력을 인증받을 시험대가 될 것입니다.

 엑시노스 2400의 성공은 퀄컴에 전량 의존했던 모바일 AP를 삼성파운드리와의 양분을 통하여 좀 더 낮은 칩 제조 단가 협상에서 유리한 고지를 점할 수 있을 것이고 GAA 3 나노 칩 생산 경험 증대로 인한 수율 향상 및 타 거대 팹리스 업체들의 수주를 받을 수 있는 기회의 장이 될 것으로 생각됩니다.

 모바일 판매 1위인 삼성의 AP물량은 과거 10%에 육박할 정도로 엄청납니다. 당연히 초기에는 퀄컴의 AP인 스냅드래곤과 같이 활용할 것으로 보이지만 삼성의 모바일 사업부는 점차 엑시노스의 비중을 늘려갈 것입니다. 

 또한 삼성의 엑시노스의 성공여부는 그동안 TSMC에 집중되었던 파운드리에서 거대 팹리스들의 발걸음을 삼성으로 돌리게 만들어 삼성의 파운드리의 점유율은 점차 올라갈 수 있을 것으로 예상해 볼 수 있습니다.

 일부의 투자자들은 2030년 시스템 반도체 1위를 차지하겠다는 이재용 CEO의 선포가 허황된 것이라 말합니다.

 하지만 위의 시나리오가 얼마나 실현될지에 대한 여부에 따라 2030년 시스템 반도체 1위 달성이라는 목표에 얼마나 접근할 수 있을지가 결정될 듯합니다.

 개인적으론 삼성전자의 성장을,
대한민국의 성장을,
그리고 투자자로서의 저의 성장을 기대합니다.

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 반도체 시장에 있어 영원한 제왕은 없는 듯합니다. 하지만 서로 얽혀있는 상생과 관계로 투자자의 관점에 따라 반도체의 미래를 보는 시각도 가지각색일 수밖에 없습니다.

하지만 저는 대한민국의 국민으로 반도체에 투자하는 투자자로서 다양한 포트폴리오의 삼성전자가 안전한 현금흐름을 바탕으로 종합반도체 기업(IDM)의 이점을 잘 살려 반도체 제왕의 패권 전쟁의 승리를 기대하고 있습니다.

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여러분의 성공적인 투자를 기원합니다.