글로벌 반도체 제조라는 치열한 경쟁 속에서 삼성전자와 TSMC의 경쟁은 단순한 기업 경쟁을 넘어 기술의 미래를 좌우하는 지정학적 쟁점으로까지 발전했습니다. 현재 시장 점유율 데이터는 TSMC가 압도적인 선두를 차지하는 극명한 양극화를 보여주지만, 이러한 정적인 모습만으로는 표면 아래에서 일어나고 있는 지각변동을 제대로 포착할 수 없습니다. 세계 최초로 3나노미터 게이트 올 어라운드(GAA) 아키텍처를 구현하려는 삼성의 전략적 모험은 무어의 법칙을 오랫동안 제약해 온 물리적 한계에 도전하는 잠재적인 패러다임 전환을 의미합니다. 하지만 실리콘 패권 경쟁은 더 이상 프런트엔드 리소그래피만으로 결정되지 않습니다. 생성형 AI의 등장으로 첨단 패키징, 특히 2.5D 및 3D 통합을 통해 메모리와 로직을 수직으로 적층하는 기술이 빅테크 기업과의 계약 수주를 위한 결정적인 요소로 부상했습니다. 본 분석에서는 삼성의 "게임 체인저" 기술이 TSMC의 견고한 생태계를 효과적으로 무너뜨리고 글로벌 파운드리 시장의 판도를 바꿀 수 있을지 살펴봅니다.
글로벌 시장 점유율 격차 삼성 vs TSMC
통계적 격차와 '순수 파운드리' 전략의 이점: 글로벌 파운드리 시장을 분석할 때, TSMC와 삼성전자 간의 시장 점유율 격차는 단순한 통계적 차이가 아니라 근본적으로 다른 두 기업의 경영 철학을 반영하는 것입니다. 60% 이상의 시장 점유율을 차지하는 TSMC는 자체 브랜드 제품을 설계하거나 판매하지 않는 '순수 파운드리' 모델을 고수하고 있습니다. 이러한 중립성은 애플이나 AMD 같은 고객들에게 제조 파트너가 미래에도 경쟁자가 되지 않을 것이라는 확신을 주기 때문에 시장 지배력의 근간이 됩니다. 이와는 극명한 대조를 이루는 삼성은 막대한 자본 투입에도 불구하고 10~15%의 시장 점유율에 머물러 있으며, 이 수치는 여전히 정체되어 있습니다. 이러한 정체는 주로 "IDM 역설"에 기인합니다. 퀄컴이나 엔비디아와 같은 잠재적 주요 고객들은 자사의 가장 민감한 지적 재산을 삼성에 맡기기를 꺼리는데, 제조 과정에서 얻은 기술적 정보가 삼성의 엑시노스나 갤럭시 제품 라인에 유출될 것을 우려하기 때문입니다. 따라서 이러한 격차는 단순히 제조 능력의 문제만이 아니라, 삼성의 이중적인 정체성에 내재한 신뢰 부족에서 비롯되며, TSMC는 이를 이용하여 압도적인 시장 점유율을 유지하고 있습니다. 수익성 해자: 기존 공정 노드와 가격 결정력. 3 나노미터 이하 공정 지배권을 둘러싼 언론의 이목을 집중시키는 경쟁 이면에 숨겨진 진정한 시장 점유율 격차의 원동력은 TSMC가 장악하고 있는 난공불락의 기존 및 성숙 공정 노드에 있다. 언론이 인공지능(AI)용 최첨단 칩에 집중하는 동안, TSMC 매출과 영업이익의 상당 부분은 자동차 및 가전제품용 칩을 생산하는 구형(28nm 또는 7nm 등) 제조 라인에서 발생합니다. 이러한 라인은 초기 장비 투자 비용이 이미 회수되었기 때문에 매우 높은 마진으로 운영됩니다. TSMC는 이러한 막대한 현금 보유고를 활용하여 차세대 연구 개발에 공격적으로 재투자함으로써 깨뜨리기 어려운 선순환 구조를 만들어냅니다. 반면 삼성은 파운드리 투자에 필요한 자금을 메모리 사업부의 수익에 의존해야 하는 경우가 많습니다. 이러한 재정 구조로 인해 메모리 시장이 경기 침체기에 접어들면 삼성전자는 파운드리 부문에서 가격 경쟁이나 대규모 생산 능력 확장에 나서기가 제한적이며, 결과적으로 TSMC는 전 세계 웨이퍼 가격을 좌우하고 상대적으로 제약 없이 시장 점유율 1위 자리를 유지할 수 있습니다. 애플 효과와 생태계 고착화. 격차 확대는 프리미엄 시장에서 승자독식이라는 역사적 결과이기도 하며, 특히 애플의 AP 주문 감소에서 잘 드러납니다. 애플이 2016년경 A 시리즈 칩 생산을 TSMC에 전적으로 맡긴 이후, TSMC는 독특한 선순환 구조를 경험해 왔습니다. 애플의 막대한 생산량 수요 덕분에 TSMC는 다른 어떤 경쟁사보다 빠르게 최신 칩의 수율을 안정화할 수 있었고, 이는 다시 미디어텍이나 엔비디아와 같이 검증된 안정성을 요구하는 고성능 칩 고객들을 끌어들이는 결과로 이어졌습니다. 이에 따라 TSMC의 "그랜드 얼라이언스 파트너, EDA 툴 공급업체, 패키징 업체 네트워크는 TSMC의 프로세스 설계 키트(PDK)에 최적화된 견고한 생태계를 구축했습니다. 팹리스 기업이 TSMC에서 삼성으로 전환하는 것은 단순히 제조 주문을 옮기는 것만으로는 부족합니다. 다른 생태계에 맞춰 전체 칩 아키텍처를 재설계해야 하므로 비용이 많이 들고 위험 부담도 큽니다. 이처럼 높은 전환 비용은 강력한 방어벽 역할을 하여, 삼성전자가 더 낮은 제조 가격을 제시하지만 기존 고객 기반을 쉽게 빼앗아 오지 못하게 막습니다.
3nm GAA 공정 기술 수율과 효율성을 위한 전략
FinFET을 넘어선 MBCFET 아키텍처로의 전략적 전환: 삼성전자가 3나노미터 공정에서 GAA(Gate-All-Around) 구조를 구현하기로 한 결정은 현대 반도체 역사상 가장 대담한 엔지니어링 전략 중 하나였습니다. TSMC는 초기 3나노미터 공정에서 안정성을 확보하기 위해 검증된 FinFET 아키텍처의 수명을 연장하기로 했지만, 삼성은 FinFET이 정전기 제어 및 누설 전류 감소 측면에서 물리적 한계에 도달했다고 판단했습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 삼성은 자체 개발한 멀티 브리지 채널 FET(MBCFET™) 기술을 도입했습니다. 얇은 나노와이어를 주로 사용하는 일반적인 GAA(Global Axial Atmosphere) 방식과 달리, MBCFET는 수직으로 적층 된 더 넓은 나노시트를 사용합니다. 이러한 구조적 혁신은 셀 크기를 변경하지 않고도 채널 폭(나노시트 폭)을 조절하여 전력 및 성능 특성을 맞춤 설정할 수 있다는 중요한 이점을 제공합니다. 이 아키텍처는 전류 채널의 네 면을 모두 게이트로 둘러싸는 방식을 통해 FinFET에 비해 훨씬 낮은 전압에서 동작할 수 있도록 합니다. 이러한 "기술적 도약" 전략은 전력, 성능 및 면적(PPA) 측면에서 근본적인 우위를 확보하여, 이론적으로 TSMC의 FinFET 기반 3nm 공정을 에너지 효율성 측면에서 열등하게 만들도록 설계되었습니다. 에너지 효율성은 모바일 및 하이퍼스케일 고객에게 매우 중요한 지표입니다. '죽음의 계곡': 초기 수율 불안정성 극복하지만 프로토타입에서 대량 생산으로의 전환은 삼성전자를 반도체 제조에서 악명 높은 '죽음의 계곡'에 노출했습니다. 여러 나노시트를 수직으로 적층하는 복잡한 구조는 FinFET 시대에는 존재하지 않았던 완전히 새로운 결함 발생 메커니즘을 만들어냅니다. 나노시트 두께의 균일성을 확보하고 그사이에 있는 희생층을 정밀하게 식각하려면 매우 엄격한 공정 여유가 필요합니다. 1세대 3nm(SF3E) 노드에 대한 초기 보고서에서는 이러한 새로운 통합 문제로 인해 초기 수율이 상업적 실현 가능성에 필요한 임계값을 충족하지 못했다고 지적했습니다. 이러한 불안정성은 퀄컴이나 엔비디아와 같은 주요 팹리스 고객사들 사이에서 주저함을 불러일으켰는데, 이들은 이론적 성능보다 공급망 예측 가능성을 우선시하기 때문입니다. 결과적으로 삼성은 현재 2세대 3nm 공정(SF3)에 집중하여, 공격적인 결함 검사 방법을 적용하고 소스/드레인 형성 공정을 최적화하고 있습니다. 목표는 수익률 곡선이 정상화되었음을 입증하여 시장에 "초기 도입자 불이익"이 해소되었고 해당 기술이 이제 주력 제품 수준의 대량 생산 준비가 완료되었음을 확신시키는 것입니다. 2 나노 공정의 미래를 대비하기: 초기 도입의 장기적인 이점. 초기에는 어려움과 수율 조정 문제가 있었지만, 삼성의 GAA(Global Axide Application) 조기 도입은 다가오는 2나노미터 시대에 큰 이점을 가져다줄 수 있는 숨겨진 전략적 이점입니다. TSMC는 2nm 노드(N2)부터 GAA 아키텍처로 전환할 예정이며, 이는 삼성전자가 현재 겪고 있는 것과 같은 학습 곡선 및 수율 안정화 문제를 해결해야 한다는 것을 의미합니다. 업계 표준이 2nm로 완전히 전환될 시점에는 삼성전자가 나노시트 구조에 대한 수년간의 양산 데이터와 라이브러리 최적화 경험을 축적해 놓을 것입니다. 이러한 "경험 격차"는 현재 시장 역학을 뒤집을 가능성이 있습니다. 삼성전자가 자사의 3세대 GAA 공정(SF2)이 TSMC의 1세대 GAA 공정보다 우수한 성숙도와 수율 안정성을 제공한다는 것을 입증할 수 있다면, 단일 공급업체에 대한 의존도를 줄이고 공급망을 다변화하려는 주요 고객들을 되찾을 절호의 기회가 될 것입니다. 따라서 현재 3nm 수율 확보를 위한 노력은 단순히 분기별 실적 문제가 아니라, 향후 10년간 실리콘 분야를 선도하기 위한 기반 인프라 구축에 필요한 투자입니다.
AI 반도체 주문 핵심 첨단 패키징 시대
패러다임 전환: 보호에서 성능 향상으로. 생성형 AI 시대에 반도체 패키징은 단순한 보호 백엔드 공정에서 시스템 수준 성능을 결정하는 핵심 요소로 탈바꿈했습니다. 트랜지스터의 물리적 크기 축소(무어의 법칙)가 원자 수준에 근접함에 따라, 업계는 더 이상 대규모 언어 모델(LLM)에 필요한 연산 능력을 확보하기 위해 논리 노드 축소에만 의존할 수 없습니다. 대신, 경쟁의 장은 이종 집적화(Heterogeneous Integration)로 옮겨갔습니다. 이는 고성능 로직(GPU/NPU)과 고대역폭 메모리(HBM)와 같은 서로 다른 칩들을 단일 기판에 결합하는 기술입니다. 이러한 기술적 전환으로 인해 NVIDIA와 AMD 같은 기술 대기업들에는 칩을 제조하는 능력만큼이나 칩을 패키징하는 능력이 중요해졌습니다. 데이터 전송 속도가 처리 속도를 따라가지 못하는 병목 현상인 "메모리 장벽"은 실리콘 인터포저를 활용하여 초광폭 데이터 고속도로를 구축하는 첨단 2.5D 패키징 기술을 통해서만 극복할 수 있습니다. 따라서 오늘날 AI 가속기 파운드리 주문을 따내려면 최고 품질의 3나노미터 트랜지스터를 제공하는 것뿐만 아니라 이러한 대규모 멀티칩 시스템을 전기적 및 열적으로 관리할 수 있는 검증된 고수율 고급 패키징 솔루션을 제공해야 합니다. CoWoS 독점 타파: 삼성의 I-Cube 및 X-Cube 전략 (현재) 글로벌 AI 공급망의 가장 큰 장애물은 TSMC의 독자적인 CoWoS(칩 온 웨이퍼 온 기판) 기술 부족으로, 이에 따라 NVIDIA의 H100 가속기 출하량이 사실상 제한되었습니다. 이러한 공급 병목 현상은 삼성전자가 시장 구조를 뒤흔들 수 있는 전략적 기회를 제공합니다. TSMC의 시장 지배력에 맞서기 위해 삼성은 AVP(Advanced Package) 사업팀을 적극적으로 강화하고 있으며, 자체 개발한 I-Cube(CoWoS와 유사한 2.5D 패키징)와 X-Cube(3D 수직 적층) 기술을 상용화하고 있습니다. 삼성이 내세우는 핵심 차별화 요소는 인터포저 기술의 유연성입니다. 기존 실리콘 인터포저는 가격이 비싸고 리소그래피 장비의 레티클 한계로 인해 크기에 제약이 있지만, 삼성은 차세대 AI 칩에 필요한 8개 또는 12개의 HBM 스택을 수용할 수 있는 더 큰 패키지 크기를 구현하기 위해 패널 레벨 패키징(PLP) 및 브리지 기술을 선도적으로 활용하고 있습니다. 삼성은 자사의 I-Cube 수율이 CoWoS와 동등하다는 것을 입증함으로써, 공급망 다변화를 간절히 원하고 TSMC의 제한된 생산 라인에 대한 단일 의존에서 벗어나고자 하는 팹리스 대기업들에 필요한 "제2의 공급원"이 되는 것을 목표로 하고 있습니다. '턴키' 솔루션의 이점: 세계 유일의 글로벌 IDM 솔루션. 삼성의 패키징 경쟁에서 가장 강력한 무기는 바로 완벽한 '턴키 솔루션'을 제공할 수 있는 세계 유일의 통합 디바이스 제조업체(IDM)라는 독보적인 지위입니다. TSMC는 SK 하이닉스나 마이크론 같은 외부 업체로부터 HBM을 조달하여 최종 패키지를 조립해야 하지만, 삼성은 GPU를 제조하는 파운드리 사업부, HBM3E를 생산하는 메모리 사업부, 그리고 이들을 패키징 하는 AVP 사업부까지 가치 사슬의 모든 단계를 자체적으로 보유하고 있습니다. 이러한 수직적 통합 덕분에 경쟁업체들이 따라 할 수 없는 효율적인 최적화 프로세스를 구현할 수 있습니다. 분산된 공급망에서 최종 패키지에 결함이 발생하면 파운드리, 메모리 제조업체, 패키징 업체가 서로 책임을 전가하며 해결을 지연시키는 경우가 많습니다. 삼성은 수율 관리를 위한 통합 컨트롤 타워를 제공하고 처리 시간(TAT)을 대폭 단축함으로써 이러한 비효율성을 제거할 수 있습니다. AI 인프라 구축에 박차를 가하는 하이퍼스케일 기업에 있어, 단일 계약으로 로직, 메모리, 패키징까지 모두 해결할 수 있는 "원스톱 솔루션"은 점점 더 매력적인 제안이 되고 있으며, 이는 AI 반도체 조달 시장의 경쟁 구도를 근본적으로 바꿀 수 있습니다.
