국내 언론 보도에 의하면 삼성전자는 미국의 GPU 공급사 엔비디아의 파운드리 위탁생산 물량을 추가 수주했다. 뉴스에 언급된 제품은 Ampere GPU 중에서 GeForce RTX30 시리즈이다. 12 월 17 일 오후에 관련 뉴스가 알려진 이후 뉴욕증시의 주가 반응은 TSMC ADR -0.8%, 엔비디아 +0.8%였다.
GPU (Graphics Processing Unit) 컴퓨터 그래픽을 처리하는 장치로, 그래픽 카드를 구성하는 가장 중요한 핵심 요소입니다. 그 다음으로 중요한 요소는 GPU 외부에 탑재된 그래픽 메모리(DRAM)입니다. 엔비디아 (NVIDIA) 미국의 컴퓨터 GPU 설계 회사이자 독립형 GPU 리테일시장 점유율, 자율주행 자동차 부분에서 1위를 달리는 회사입니다. 파운드리 (fab, foundry, semiconductor fabrication plant) 반도체 산업에서 외부 업체가 설계한 반도체 제품을 위탁받아 생산·공급하는, 공장을 가진 전문 생산 업체를 지칭합니다.
GeForce RTX30 2020년 9월 17일부터 출시된 19번째 지포스 제품군. 게이밍용 Ampere 아키텍처 기반의 GPU는 본래 TSMC 7 nm 공정을 염두하고 설계, 개발되었으나, TSMC와의 단가, 납기, 물량 협상이 결렬되며 삼성 파운드리로 이전했는데, 이 과정에서 8 nm로 마이그레이션이 이뤄졌습니다.
엔비디아의 주가가 상승한 이유는 그동안 파운드리 파트너사 (TSMC)의 공급 부족으로 GPU 신제품 공급이 부족하다는 우려가 해소됐기 때문이다. 엔비디아처럼 설계를 담당하는 팹리스 입장에서는 파운드리 파트너사가 다변화될수록 유리하다.
TSMC (台積電) 대만 소재의 세계 최대 파운드리 업체입니다. 타 기업으로부터 설계도를 받아 반도체를 위탁 생산하는 기업입니다.
팹리스(fabless) 팹리스는 반도체 설계를 전문적으로 하는 기업입니다. 설계를 제외한 웨이퍼 생산, 패키징, 테스트 등은 모두 외주로 진행되며, 외주를 통해 생산이 완료된 칩의 소유권이나 영업권은 팹리스에 있어 자사 브랜드로 판매합니다.
※팹(fab)이란? ‘fabrication facility’의 약자로 웨이퍼를 생산하는 설비를 의미합니다. 팹을 건설하려면 수 조원 이상의 대규모 자본이 필요하기 때문에 대기업이 주도하고 있습니다.
TSMC ADR 주가는 하락했는데, 하락 폭은 제한적이었다. 상기 뉴스가 TSMC ADR 주가에 부정적 영향을 끼치지 않았을 것으로 판단한다. 애플과 AMD와 같은 고객사가 TSMC의 선단 공정 가동률을 높게 유지시켜 주기 때문이다. TSMC ADR 주가 하락의 이유는 경쟁사 삼성전자의 수주 뉴스보다 오히려 TSMC의 배당락일 (12/17) 영향 때문으로 판단한다.
ADR (American Depository Receipts) 미국에서 발행된 주식예탁증서(DR). 주식예탁증서는 원(原) 주식을 다른 나라의 예탁기관(Depositary)에 맡기고, 주식발행기업과 예탁기관 간에 체결하는 예탁계약을 근거로 예탁기관이 발행하는 증권을 말합니다. 원주식에 대한 권리가 표시되어 있어 그 나라에서 현지 통화로 쉽게 사고팔고 할 수 있다는 것 외에는 원주식과 경제적으로 별 차이가 없습니다.
배당락 (Ex-Dividend) 주식의 배당으로 인해 배당하는 만큼 주식 가격을 조정하는 (내리는) 것입니다.
최근에 삼성전자 파운드리와 관련해, 미국 팹리스 고객사들로부터의 수주 관련 뉴스가 이어지고 있다. 이러한 흐름 때문에 삼성전자 파운드리의 성과지표 중 가장 빠르게 변하는 것은 외부 고객사 비중이다. 과거에 삼성전자 파운드리의 최대 고객사는 시스템 LSI, 삼성디스플레이 등의 내부 고객사였다.
시스템 LSI 5G 멀티모드 Exynos Modem, AI를 위한 컴퓨팅 파워를 제공할 차세대 CPU/GPU/NPU, Image/Touch/Bio Sensor, 차량용 infotainment 등 시스템 반도체용 IP 설계, IC 설계, Solution을 개발하는 사업부.
2017 년에 삼성전자는 반도체 사업 부문의 조직 개편을 통해 시스템 LSI 사업부에 속해있던 파운드리를 따로 떼어내 사업부로 격상하고 독립성과 전문성을 강화했다. 2020 년 기준으로 내부 고객사 매출 기여도는 아직 50%를 상회한다. 그러나 2021 년부터는 외부 고객사 매출 기여도가 55~60%까지 늘어날 것으로 전망한다. 고객사 중에 엔비디아의 매출 기여도는 2020 년 기준 낮은 한 자릿수, 2021 년 기준 10%를 상회할 것으로 기대한다.
향후에 삼성전자 파운드리 사업부에서 외부 고객사 매출 비중을 더욱 빠르게 확대하려면 어떤 전략이 필요할까? 미국 팹리스 고객사들이 선호하는 후공정 기술 확보와 관련 시설투자가 필요할 것으로 판단한다. 퀄컴과 엔비디아는 전통적으로 외부 후공정 서비스 공급사 (OSAT: Outsourced Semiconductor Assembly and Test)를 이용했다. 이번에 뉴스로 보도된 엔비디아향 수주의 경우, 삼성전자가 전공정 파운드리 (칩 제조)를 담당하지만, 후공정 서비스는 여전히 전통적인 외부 후공정 서비스 공급사들이 담당할 것으로 추정한다.
OSAT (Outsourced Semicomductor Assembly And Test) 반도체 패키징 및 테스트 수탁기업으로 어셈블리 기업, 패키징 기업이라고도 불립니다. 폭넓은 의미에서 반도체 후공정 업계를 뜻하는데, 반도체 후공정은 크게 패키징, 테스트로 볼 수 있습니다.
반도체 팹 공정을 통해 만들어진 웨이퍼에 있는 수백 개의 칩이 있습니다. 그러나 이 상태의 칩은 외부와 전기신호를 주고받을 수 없으며, 외부 충격에 의해 손상되기도 쉽습니다. 이 칩을 낱개로 하나하나 잘라내어 기판이나 전자기기에 장착되기 위해 포장하는 작업을 패키징이라 합니다.
패키징 기업은 이런 반도체 칩 포장을 전문으로 하는 곳입니다. 이렇게 팹 공정과 패키징 공정을 마친 반도체는 완벽한 품질과 신뢰성을 위해 철저한 검사를 거칩니다. 고가의 전자 장비의 핵심 부품인 만큼 엄격한 신뢰성이 요구되기 때문이죠. IDM이나 파운드리 기업은 테스트 전문 기업에 업무를 위탁함으로써 효율을 높이고 전문성을 더하기도 합니다.
삼성전자의 경쟁사 TSMC는 2010년대 중반부터 후공정 서비스를 강화해 Wafer Bumping, WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package), InFO (Integrated Fan-Out), CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) 등을 제공한다. 그중에서 InFO는 제한된 면적에 입출력 단자를 최대한 많이 형성하는 기술이며 전공정 기준으로 7nm~16nm의 선단 공정에 특화된 맞춤형 후공정 기술이다. 고성능 Mobile AP (Application Processor), 이더넷 스위치용 네트워크 프로세서 등에 적용된다.
Wafer Bumping Fab-out wafer들은 PCB에 Direct로 접합할 수 있는 부분이 없습니다. Bumping 공정은 이러한 Fab wafer들을 Ass'y 즉, PCB에 조립할 수 있도록 접합체를 만들어주는 부가 과정입니다.
WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) Solder ball에 의한 Ball drop (or Ball attach) 공정을 통해 Device를 PCB에 접합시키는 별도의 후공정(Ass'y) 과정이 필요하지 않은 Package입니다.
InFO(Integrated Fan-Out) 칩 바깥으로 배선을 빼서 고성능 칩의 최종 패키지 두께를 줄이고 성능을 높이는 기술입니다. 실리콘 다이의 외부 패키지에서 입출력 단자의 영역을 넓힌 것이 특징입니다. 외부 공간에서 1,000핀 이상의 입출력 단자를 처리할 수 있도록 지원, 멀티 다이를 탑재하고 수동 소자를 넣을 수 있게 됐습니다.
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CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) TSMC의 차세대 패키징. 인쇄회로기판(PCB) 대신 인터포저라는 판 위에 메모리와 로직 반도체를 올리는 패키징입니다. 기존 패키징보다 실장 면적이 줄고, 칩 간 연결을 빠르게 할 수 있어 고성능 컴퓨팅(HPC) 업계에서 각광받습니다.
Mobile AP (Application Processor) 스마트폰이나 태블릿 PC 등에 필요한 OS, 애플리케이션들을 구동시키며(CPU), 여러 가지 시스템 장치/인터페이스를 control 하는 기능(chip)을 하나의 칩에 모두 포함하여 만든 것(System-On-Chip)입니다.
삼성전자는 2020 투자자 포럼에서 엑스큐브, 아이큐브 패키징 등의 후공정 기술을 선보였다. 이런 종류의 패키징 기술은 3차원 혹은 2.5차원의 적층 패키지 기술이다. 엑스큐브는 복수의 칩을 수직으로 얇게 쌓아서 하나로 패키징 하는 기술이다. 삼성전자의 발표 자료에 따르면, 로직과 SRAM (Static Random Access Memory)을 단독으로 설계·생산해 위로 적층 하기 때문에 전체 칩 면적을 줄이면서 고용량 메모리 솔루션을 장착할 수 있어 고객의 설계 자유도를 높일 수 있다. 적층 구조에서 상단 칩과 하단 칩을 연결할 때는 실리콘관통전극 (TSV) 기술이 적용된다. 원래 TSV 기술은 고성능 DRAM에서 시도되었던 기술인데 엑스큐브의 적층 구조에 적용되면서 시스템 반도체까지 적용 범위를 넓힌 것으로 추정한다.
엑스큐브 (X-Cube)
아이큐브 패키징 (I-CUBE) 패키지 기판 위에 실리콘 인터포저(데이터 송수신용)를 깔고 로직과 메모리칩을 평면으로 나란히 배열하는 기술입니다. 이렇게 패키징하면 데이터 송수신이 빨라지고 효율도 높아집니다. 최종 칩 패키지 크기가 줄어드는 효과도 있습니다.
TSV (Through Silicon Via) 와이어를 이용해 칩을 연결하는 대신 칩에 미세한 구멍을 뚫어 상단 칩과 하단 칩을 전극으로 연결하는 패키징 기술로 속도와 소비전력을 크게 개선할 수 있습니다.
삼성전자 파운드리 사업부가 캡티브 고객사와의 관계를 더욱 강화하려면 대규모의 후공정 시설투자가 필요할 것으로 판단한다. 2021 년 투자 아이디어로 제시하기에는 아직 덜 익은 사과 같은 느낌이 들지만, 3D-NAND 고단화과 전공정 파운드리 시설투자 이후에 삼성전자 서플라이 체인에서 후공정 시설투자에 대해 조금씩 관심을 가져야 할 것으로 전망한다.
캡티브 마켓 (captive market) 일반적으로 소비자가 특정 제품을 구매할 때 자신이 선택할 수 있는 공급자의 수가 매우 제한돼 정해진 소수의 공급업자에게서 구입하거나 아니면 구입을 포기해야 되는 시장.
3D-NAND 메모리 반도체의 한 종류로 2D (평면) 낸드의 회로를 수직으로 세운 제품입니다.2D (평면) 낸드보다 속도가 빠르고 용량을 크게 늘릴 수 있으며, 안정성과 내구성도 뛰어날 뿐 아니라 전기 소모량도 적게 듭니다.
서플라이 체인 (supply chain) 공급사슬. 기업의 공급사슬은 원재료를 획득하고, 이 원재료를 중간재나 최종재로 변환하고, 최종 제품을 고객에게 유통시키기 위한 조직 및 비즈니스 프로세스의 네트워크.
20/12/18 하나금융투자 Analyst 김경민
마치며
그동안 파운드리라 하면 단순히 수주받아 생산하는 업체 정도로만 생각하고 있었는데 그게 아니었네요.
삼성전자도 대단한 기업이지만, 삼성전자를 제치고 세계 1위 반도체 업체가 된 TSMC도 만만치 않네요. 최신 공정 기술을 보유하기 위해 천문학적인 투자를 감행하고 있는 이유가 이제야 조금 이해 갑니다.
저도 약간 섣부른 판단이라 생각되지만 TSMC를 따라잡기 위한 삼성전자의 노력과 엔비디아의 일부 물량 수주는 긍정적인 신호로 보이네요.
