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[삼성 모바일AP 도전기]5→4→3나노…최선단 공정 수율잡기 '안간힘'③시스템LSI부, AP 납기 못맞춰…파운드리 감사 돌입, 신공정 고강도 경영목표 부여

손현지 기자공개 2022-05-12 11:08:07

[편집자주]

삼성전자 시스템반도체의 핵심 제품인 모바일AP (엑시노스)가 경쟁력 논란에 휩싸였다. 글로벌 점유율 축소 원인으로 수율·가격경쟁력 하락 등 다양한 관측이 제기되고 있다. 엑시노스는 스마트폰의 두뇌이자 종합반도체로서 그룹 차원에서 대규모 투자를 단행하는 '역점'사업이다. 긱벤치 등 글로벌 성능평가 기관의 평정 결과 등을 토대로 경쟁력을 분석해 본다.

이 기사는 2022년 05월 11일 08:19 더벨 유료페이지에 표출된 기사입니다.

삼성 스마트폰 내 엑시노스(삼성전자 모바일 AP) 점유율 하락조짐이 보이기 시작한 건 2019년부터다. 처음엔 경쟁사 대비 부진한 '성능'이 부각됐던 게 방아쇠를 당겼다. 그러나 이후 지속된 성능 개선 노력에도 불구하고, 엑시노스가 이전 입지를 회복하지 못한 건 낮은 '수율'(생산품 중 합격품 비율) 때문이란 분석이 지배적이다.

수율관리는 모바일 AP 경쟁력 부분에서 중요한 요소로 꼽힌다. 불량품 양산 자체가 고객사 '신뢰'와 직결되는 부분이기 때문이다. 첨단공정으로 설계됐을 지라도 대량생산 체제를 갖춘 삼성전자 MX사업부 같은 세트사들이 요구하는 물량을 맞추지 못한다면 채택받기 어렵다.

엑시노스의 경쟁력은 '생산' 파트에 있는 파운드리사업부(반도체 위탁생산)의 '최선단' 로드(프리미엄 라인 탑재) 수율 확보에 달려있다 해도 과언이 아니다. 선단 로드로 갈수록 공정 수율을 끌어 올리기가 쉽지 않다. 파운드리사업부는 5나노(㎚·1㎚는 10억분의 1m), 4나노를 안정 궤도로 끌어올렸고, 이젠 한 발 더 나아가 최선단에 있는 3나노 수율 극복에도 사활을 걸고 있다.

◇산넘어 산…5나노 수율로 속 썩이더니, 이번엔 4나노

반도체 분야에서 양산 능력은 개발과는 다른 영역이다. 삼성전자 반도체부품(DS) 사업부문 내에서도 파운드리사업부(생산)와 시스템LSI사업부(설계) 두 사업부가 마치 별개의 회사처럼 각자도생하는 이유이기도 하다.

그렇지만 그간 엑시노스의 점유율 변화에 영향을 미친 원인을 들여다보면 생산공정과 설계를 떼어놓고 볼 수 없다. 삼성 스마트폰 내 '엑시노스' 탑재비율은 2018년 48%에서 2019년 44%, 2020년 36%, 2021년엔 20%대로 연달아 떨어졌다.
엑시노스의 삼성폰 탑재율의 상승, 하락 자체가 큰 의미를 가진다고 단언하긴 어렵다. 그간의 추이는 들쭉날쭉했다. 탑재율이 낮았다가도 100%에 육박할 때도 있었을 정도다. 삼성 MX사업부로선 공급망 다각화 전략 차원에서 삼성 반도체만 고집할 수 없는 사정도 반영돼 있다. 그렇더라도 최근 2~3년 우하향 흐름을 보였다는 점에서 그 원인을 들여다 볼 필요가 있다.

2020년 처음 하락 원인은 엑시노스의 성능저하가 컸다. 당시 엑시노스는 성능평가 기관인 긱벤치 멀티코어 벤치마크에서 퀄컴의 스냅드래곤과 점수격차가 무려 753점이나 발생했다. 삼성 MX사업부도 엑시노스 채택률을 기존 44%에서 36%로 줄였다. 삼성 시스템LSI부는 성능 개선에 주력했다. 이듬해 출시한 엑시노스2100의 CPU, GPU 성능을 각각 30%, 40% 이상씩 향상시켰고 멀티코어 점수격차도 55점까지 좁혔다.

하지만 작년 엑시노스의 삼성폰 탑재비중은 20%대로 더 낮아졌다. 이번엔 파운드리 5나노 선단의 '수율' 부족이 문제였다. 신공정 기술인 5나노 체계가 갓 도입되다 보니 수율이 10~20% 수준으로 안정되지 못했다. 칩셋 10개를 생산했을 때 납품 가능한 정상품 개수가 3개에 불과하다는 뜻이다.

작년 출시했던 프리미엄(엑시노스2100), 미드엔드(엑시노스1080) AP 두개 모두 삼성전자의 5나노 공정으로 생산한 제품이다. 엑시노스 생산에 차질이 생기자 삼성 MX사업부는 중저가 스마트폰에서의 대만 미디어텍 AP할당량을 늘렸다.

삼성 파운드리사업부는 공격적으로 수율을 개선했다. 작년 하반기엔 불과 몇개월 만에 5나노 선단 수율을 60~70%까지 끌어올렸던 것으로 알려졌다. 그러자 반도체 업계는 4나노 공정이 적용될 '엑시노스2200(2022년 출시)'에 대한 기대감을 높였다. 4나노는 5나노의 파생공정인 만큼 보다 수율 확보가 수월할 것으로 예상했던 것이다.

하지만 4나노 선단공정 수율은 기대에 미치지 못했다. 삼성 파운드리에 양산을 맡겼던 삼성 시스템LSI사업부는 MX사업부에 대한 AP납기를 맞추지 못하면서 스마트폰 사업부 일정도 꼬였다. 삼성 MX사업부의 엑시노스 채택율은 20% 초반 수준으로 떨어진 상태다.

◇하반기 팹 운영 안정화 '자신감'…3나노 수율 극복 관건

삼성은 지난 2월 파운드리사업부 감사(경영진단)에 나섰다. 낮은 수율 문제가 지속될 경우 고객사들이 삼성 파운드리 품질에 의구심을 갖게될 수 있다. 파운드리는 '서비스업'으로도 불릴 정도로 고객과의 신뢰가 중요하다. 첨단 공정 전환, 기술 선점과는 무관하게 추가 수주 물량 확보에 어려움을 겪을 수도 있다.

감사팀은 원인을 찾기 위해 파운드리사업부 자료 등을 면밀히 살폈다. 추후 해결책을 마련해 강도 높은 경영 로드맵 등을 제시할 계획이다. 인사, 조직개편, 관리 프로세서 개선 등 대대적인 변화도 뒤따르게 된다.

삼성 파운드리사업부는 지난 4개월간 공정수율을 상당 수준으로 끌어올렸다. 지난달 말 강문수 삼성전자 파운드리사업부 부사장은 지난달 말 컨퍼런스콜에서 "4나노 공정은 초기 램프업(수율 향상을 통한 생산력 증대)이 지연됐지만 조기 안정화에 주력해 현재는 예상 수율 궤도에 진입한 상황"이라고 말했다. 5나노 공정도 성숙기에 접어들었다고 발표했다.

이제 업계의 관심은 2분기 양산을 앞둔 '3나노칩' 공정 수율에 쏠린다. 앞선 5나노, 4나노 공정 수율이 엑시노스 경쟁력을 좌우했던 만큼, 차기작인 3나노 수율 역량이 엑시노스의 시장 신뢰를 회복할 수 있는 키로 여겨진다.

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