디사오후이 翟少輝 류페이린 劉沛林 <차이신주간> 기자
 

▲ 2022년 12월 조 바이든 미국 대통령(가운데)이 류더인 TSMC 회장(오른쪽)과 함께 애리조나주 피닉스에 짓는 TSMC 반도체 공장 건설현장을 둘러보고 있다. REUTERS

대만 시장조사업체 이사야리서치(Isaiah)의 천이핑 총경리는 “TSMC가 선진공정을 추진하면서 최신기술을 도입하는 초기에 협력하는 고객사가 갈수록 줄었다”며 “3나노 공정의 TSMC 고객사가 애플 하나밖에 없다”고 말했다. “퀄컴과 인텔도 2024년 이후부터, AMD는 2026년에야 3나노 공정에 들어갈 것이다. 선진공정 제품은 가격이 매우 비싸다. 상업적 기준으로 볼 때 미국 정부의 보조금 없이는 TSMC가 미국에서 생산능력을 늘리기 쉽지 않을 것이다.”
TSMC에 근무했던 관계자에 따르면 TSMC가 미국에서 공장을 짓는 동안 대만 신주와 가오슝시에서도 생산능력이 미국 공장의 몇 배에 이르는 공장이 건설되고 있다. 이들 공장을 가동해 양산을 시작하면 애리조나 공장의 비중은 더욱 낮아질 것이다. TSMC가 신주 바오산에 짓는 공장은 초대형 기가팹(Gigafab)이다. 월 웨이퍼 생산능력이 10만 장이 넘을 것으로 알려졌다.

대만 행정규제
TSMC는 대만 공장에 가장 앞선 공정을 도입한다. 2025년 대만에서 2나노 공정의 제품 양산에 들어간다. 3나노 공정을 적용한 애리조나주 2기 공장은 2026년 조업을 시작할 예정이다. 천이핑 총경리는 “대만 정부가 ‘최신 선진공정이 대만에서 나갈 수 없다’고 규정해 외국 공장에선 ‘N-1’ 방식만 가능하다”고 말했다. 대만의 선진공정보다 한 세대 낮은 공정만 적용할 수 있다는 뜻이다.
미국 정부가 최신 공정을 미국에 도입하도록 TSMC에 요구해도 기술적으로 실현하기 어렵다. 천이핑 총경리에 따르면 TSMC는 대만 신주에서 기술을 개발한 3나노 공정의 양산을 얼마 전 타이난에서 시작했다. 개발 직원이 공장에 가서 수율(정상 제품 비율)을 개선하도록 지원했다. 2나노의 문턱을 넘는 과정에서 기술 복잡성이 크게 늘고 어려움이 더 많아진다. 2025년 2나노 공정의 양산이 가능해져도 곧바로 그 기술을 미국으로 가져갈 가능성은 크지 않다.
TSMC에 근무했던 관계자는 “TSMC 기술 개발의 중심은 여전히 신주에 있는 팹12”라고 말했다. “기술 개발과 공장 건설은 주기가 있다. 대만과 미국 양쪽에서 동시에 진행하기 어렵다. 보통 개발이 확정되면 공장을 짓는다. 공장 설립에만 3~4년이 걸린다. 대만 기가팹은 생산능력을 유연하게 운영할 수 있다. 기술을 개발한 뒤 바로 미국에서 그 제품을 생산하진 않을 것이다.” 그 밖에 가장 앞선 공정을 신축 공장 두 곳에서 동시에 도입하기 쉽지 않다. 구체적인 시장 상황에 따라 증산 계획을 세워야 한다. 대만 이외 지역에 있는 공장의 ‘N-1’ 방식은 당분간 변하지 않을 전망이다.
 

▲ 2022년 12월 대만 남부 타이난에서 열린 TSMC 3나노칩 양산 기념식에 참석한 사람들이 반도체 공장 모형을 둘러보고 있다. TSMC가 신주 바오산에 짓는 공장은 초대형 기가팹이다. REUTERS

공급업체의 고민
TSMC가 미국에 가면 공급망도 따라서 이동할까? 대만 반도체 분야 애널리스트는 “평소 잘 아는 공급업체가 TSMC의 요구에 따라 미국에 공장을 짓고 있다”고 말했다. 하지만 더 많은 기업이 여전히 관망하고 있다. 미국 반도체 산업 관계자는 “얼마 전 미국을 방문한 TSMC 패키징 협력사 최고경영자가 TSMC 공장 옆에 패키징 공장을 세워야 하는지 고민했다”고 전했다. “미국 정부 보조금은 TSMC만 받을 수 있다. 산업사슬 위아래에 있는 기업은 보조금 대상이 아니다. 게다가 미국에 공장을 짓는 일도 까다롭다. 미국으로 이전하면 손해일 것 같고, 이전하지 않으면 TSMC 주문을 놓칠 것 같다는 게 그의 걱정이었다.”
“산업 집적의 중심은 반도체 공장이다. 협력사가 TSMC를 따라가서 공장을 지을지 판단하려면 실제 생산능력을 봐야 한다. 설계한 생산능력만 보면 안 된다.” TSMC에서 근무한 관계자는 “반도체 공장의 월 생산능력이 웨이퍼 9만~10만 장은 돼야 협력업체가 진출할 만하다”고 말했다. 반도체 공장의 생산능력이 부족하면 일부 공급망 기업은 수지를 맞추기 위해 배나 비행기로 납품하는 방법을 선택할 수 있다.
반도체 공장이나 공급망 기업 모두 운영의 관건은 사람이다. 지난 수십 년간 미국 반도체 산업은 설계 분야에 집중해 제조인력이 부족하다. 장중머우 전 회장은 장비 반입식에서 “1년 반 전 미국에서 엔지니어 약 600명을 모집해 대만으로 데려갔다”며 “1년~1년 반 교육했다”고 소개했다. 비슷한 규모의 대만 엔지니어도 동시에 교육받았다. 천이핑 총경리에 따르면 TSMC가 미국에서 채용해 대만에서 교육한 일부 엔지니어는 TSMC의 업무 속도에 적응하지 못해 퇴사했다. TSMC가 현지 채용에 어려움을 겪어 대만에서 더 많은 인력을 파견했다.
TSMC의 미국 공장은 자동화 수준이 높은데도 대만에서 엔지니어를 파견한다. 이런 점에 비춰 노동집약형인 공급망 기업에 인력 채용과 그 비용은 큰 도전이 될 전망이다. TSMC에 근무했던 관계자는 “어플라이드머티어리얼즈나 램리서치 같은 미국 기업이 TSMC 대만 공장에 서비스할 때는 대만 엔지니어를 동원한다”며 “그러나 미국 공장에 서비스하려면 미국 엔지니어가 필요해 비용이 더 많이 든다”고 말했다.
대만 반도체 관계자들에 따르면 지난 2년 동안 대만 반도체 엔지니어의 연봉이 크게 올랐다. 생활습관이나 문화적 배경 차이 때문에 대만해협에서 중대한 지정학적 충돌이 생기지 않는 한 미국 파견을 반기지 않을 것으로 보인다. 대만에서 엔지니어를 파견하는 방법은 오래가지 못할 수도 있다.
가이신산 최고연구책임자는 “미국은 확실히 제조인력이 부족하고 2~3년 안에 확충하기 힘들다”고 말했다. 하지만 미국 반도체 산업을 잘 아는 관계자는 “미국이 이민국가라서 이민정책을 완화해 제조인력을 빠르게 보충할 수 있을 것”이라고 말했다. IC와이즈도 영주권, 보조금, 산업 고도화 등 미국 정부가 많은 도구를 지녀 인력과 비용 문제가 점차 해결될 것으로 내다봤다.
반도체 정책 자문을 제공한 관계자는 “지정학적 상황과 자원 격차 등을 고려할 때 미국이 선진공정 반도체를 대규모로 양산하겠다는 마음만 먹으면 얼마든지 가능하다”고 말했다. “결국은 가성비 문제다. 미국이 현지에서 작은 규모의 TSMC를 만든 뒤 미래에 의외의 상황이 생기면 대가를 따지지 않고 이를 기반으로 생산능력을 복제할 수 있다.”

시장 리스크
TSMC가 미국 공장을 짓고 있을 때 세계 반도체 업계는 하강 국면에 들어섰다. 경제성장이 둔화하고 스마트폰과 컴퓨터 등 전자제품 수요가 줄어 많은 반도체 기업에 재고가 쌓이고 실적이 나빠졌다. 업체들은 비용 절감과 효율 개선에 나섰다. 2022년 10월 인텔은 2023년 비용을 30억달러, 2025년 말까지 해마다 80억~100억달러 줄이겠다고 밝혔다.
2022년 3분기 부진한 단말시장의 압력이 반도체 위탁생산 업계까지 전달됐다. 선두 기업인 TSMC도 그 영향을 피하지 못했다. 웨이저자 최고경영자는 3분기 실적보고회에서 “고객사의 재고 조정과 경기 둔화의 영향으로 어려움을 겪었다”고 말했다. “스마트폰과 컴퓨터 시장 수요가 줄어 일부 고객사는 제품 생산 계획을 연기했다. TSMC의 생산능력 가동률이 2022년 4분기부터 영향받았고 2023년 상반기까지 이어질 수 있다.”
2023년 1월12일 열린 4분기 실적보고회에서 그는 2023년 상반기 TSMC 매출액이 전년 동기 대비 6~9% 하락할 것으로 예상했다. 허후이 옴디아 반도체 부문 수석애널리스트는 “반도체 제조 업계는 2023년 하반기에야 주문량이 회복될 것”이라며 “2022년 3분기 이후 재고가 많이 쌓여 반도체 위탁생산 기업의 수주량이 매주 적었다”고 말했다. “2023년 2분기까지 재고를 적정 수준까지 소진해야 새 주문을 받을 수 있을 것이다.”
시장조사업체 트렌드포스는 2023년 반도체 위탁생산 수요가 2021년의 80%에 불과할 것으로 예측했다. 이와 함께 신규 생산라인을 가동해 전체 생산능력이 약 10% 늘어난다. 따라서 2023년 반도체 위탁생산 업계의 가동률(설비이용률을 가늠하는 기준)이 75~80%일 것으로 예상됐다. 리야친 트렌드포스 총경리에 따르면 2023년 확장한 생산능력은 성숙공정 비중이 높다. 현재 70% 수준인 성숙공정 설비 가동률은 계속 떨어져 2023년 2분기 60~70%로 전망된다. 일부 기업은 반토막 날 것이다. 현재 85% 수준인 선진공정 설비 가동률은 70%로 내려갈 수 있다.
 

▲ 미국 텍사스주 오스틴에 있는 삼성전자 반도체 파운드리(위탁생산) 공장. 반도체 업계 상황이 나빠지고 있으나 삼성과 TSMC의 경쟁은 치열하다. 삼성전자 제공

만만찮은 삼성
업계 상황이 하향곡선을 긋는 사이 TSMC와 삼성은 선진공정의 ‘군비경쟁’을 치열하게 벌였다. 가이신산 최고연구책임자는 “TSMC의 미국 공장 설립이 실질적 진전을 거두자 고객사들은 계획 실행에서 TSMC가 앞선 것으로 판단한다”며 “삼성의 부담이 커졌다”고 말했다. 삼성의 텍사스주 4나노 공장에서 중요한 진척이 있다는 소식은 아직 들리지 않았다. “삼성은 (선진공정) 고객사가 TSMC만큼 많지 않지만, 미국에 공장이 없으면 사업에 영향받기 때문에 어쩔 수 없이 투자해야 한다. 삼성은 선진공정 목표가 명확해 약간 지연되더라도 투자 방향을 바꾸지 않을 것이다.”
과거 삼성은 선진공정 개발 과정에서 좌절을 경험했다. 2021년 상반기 삼성은 5나노 공정의 수율이 예상만큼 올라가지 않아 주요 고객사인 퀄컴의 주력 제품 출하가 지연됐다. 2022년 1분기에는 삼성이 선진공정 수율을 조작했다는 소문이 한때 업계에 돌았다. 2022년 6월30일 삼성은 3나노 공정 기반 제품의 양산을 시작했다고 발표했다. 하지만 삼성은 3나노 공정의 첫 고객사를 밝히지 않았고 생산한 제품 종류와 수량도 공개하지 않았다. 시장에서는 TSMC의 3나노 양산 전에 삼성이 이 소식을 발표해 기선을 제압하고 사기를 높인 것으로 분석했다. TSMC는 2022년 말 3나노 양산에 성공해 2023년부터 관련 매출액이 발생했다.
웨이저자 최고경영자는 얼마 전 참석한 공개행사에서 경쟁사의 추격에 대해 “한 국가나 기업의 기술이 비약적으로 성장하는 것은 불가능하지 않지만 매우 어려운 일”이라고 주장했다. TSMC에 근무했던 관계자는 “선진공정은 승자독식의 영역”이라며 “TSMC가 이미 생산능력으로 보호벽을 세운 상태라서 삼성을 비롯한 경쟁사가 주기에 역행해 생산능력을 확장하는 전략으로 공격하긴 힘들다”고 말했다.
그러나 3나노 수준까지 도달하면 기술 개발 우위를 예측하기 어렵다는 의견도 있다. 중국 반도체 투자자는 “미래의 기술 발전은 변화 폭이 크다”며 “지금 단계에서 3나노냐 2나노냐 하는 것은 그렇게 중요하지 않다”고 말했다. “3나노의 수율을 올리고 다른 기술을 접목하면 비용과 전력 소모가 2나노보다 적을 수 있다.” 주목할 것은 삼성의 3나노 공정은 선진공정에서 오랫동안 적용하던 핀팻(FinFET)이 아닌 게이트올어라운드(GAA·Gate-All-Around) 기술을 적용했다는 점이다. 핀팻이 반도체의 3개 면을 활용하는 3차원이라면, GAA는 4차원 기술이다. TSMC도 2025년에 양산하는 2나노 공정에 GAA 기술을 적용할 계획이다.
선진공정 외에 TSMC 매출액의 3분의 1을 차지하는 성숙공정도 압박받을 것이다. 중국 반도체 투자자는 “과거 중국의 성숙공정 분야 투자가 부족했다”고 말했다. 대만 기업의 규모가 너무 커서 중국 기업이 뛰어들어도 큰 이익을 얻기 어렵기 때문이다. 잠재 고객사가 많지 않았고 외국 고객사가 중국의 위탁생산 업체를 선택할 것 같지도 않았다. 중국 정부도 성숙공정을 중요하게 생각하지 않았다. 지금은 상황이 바뀌었다. 미국이 중국의 선진공정 기술 개발을 억제하는 바람에 중국은 성숙공정에 주력하고 있다.
2021년부터 중국 최대 반도체 위탁생산기업 SMIC가 28나노 이상 성숙공정을 적용한 12인치 웨이퍼 위탁생산 공장 설립 계획을 발표했다. 2021년 3월 선전에 23억천만달러를 투자해 월 생산능력 4만 웨이퍼 규모의 반도체 공장을 설립한다고 밝혔다. 2022년 1월에는 상하이 공항산업단지의 반도체 공장 건설을 시작했다. 투자액 88억7천만달러, 월 생산능력 10만 웨이퍼다. 8월26일에는 75억달러를 추가 투자해 톈진에 월 생산능력 10만 웨이퍼 규모의 반도체 공장을 건설한다고 공시했다.
주로 아날로그 반도체를 생산하는 화훙반도체도 2022년 11월 우시에 12인치 웨이퍼 생산라인을 신설한다고 밝혔다. 투자액 67억달러, 월 생산능력 8만3천 웨이퍼다. 광둥성에 있는 캔세미도 2022년 6월과 11월 투자금을 조달해 3기 아날로그 반도체 생산라인 건설에 투입했다. 캔세미 관계자는 “앞으로 3년 안에 생산능력을 2배로 늘리는 것이 목표”라고 말했다.
반도체 정책 자문을 제공한 관계자는 “TSMC와 비교하면 중국의 성숙공정은 마이크로컨트롤러(MCU)에 내장하는 임베디드플래시(Embedded Flash) 기술을 비롯한 일부 특수 공정이 아직 부족하다”며 “더 많은 반도체 설계 기업과 조율하고 기술을 개선해야 한다”고 지적했다. “성숙공정 기술을 개발하고 폭스콘의 수준으로 제품을 만들면 세계 반도체 설계 기업이 성숙공정이 필요할 때 가장 먼저 선택할 것이다.”
 

▲ 2020년 10월 중국 상하이에서 열린 국제반도체박람회를 찾은 관람객들이 행사장에 마련된 중국 반도체 업체 SMIC 홍보관을 둘러보고 있다. REUTERS

중국의 도전
이 관계자는 “기술 측면에서 보면 TSMC는 성숙공정 투자가 상대적으로 적고 여전히 선진공정 중심”이라며 “성숙공정이 생산과잉 상태가 되고 시장에서 가격경쟁이 시작되면 TSMC도 영향받을 것”이라고 말했다. 중국 반도체 투자자는 “퀄컴의 전원관리 칩 공급에선 SMIC 톈진 공장과 TSMC 팹5가 경쟁 관계”라며 “현재 물량의 비중이 4 대 6”이라고 말했다. “만약 톈진 공장이 생산능력을 확장해 가격을 내리면 더 많은 주문을 받지 않을까?”
중국 반도체 위탁생산 업체 임원에 따르면 중국의 성숙공정 목표는 생산능력을 늘리고 제품 품질을 개선하는 것이다. 반도체 기술 경쟁에는 두 가지 방향이 있다. 크기를 줄이고 트랜지스터 수를 늘려 기능을 개선하는 것과 품질 신뢰도를 높여 소비전자에서 산업용·차량용 반도체로 발전하는 것이다. “지금은 크기를 줄일 능력이 없어 품질 제고를 추구해야 한다. 이는 중국의 기존 산업이 지원할 수 있는 분야다. 중국에서 전원관리와 아날로그 반도체, 이미지 센서 등 성숙공정 응용 기술이 발전할 것이다. 이런 분야는 응용 환경이 상대적으로 발전했고 미국의 엄격한 제재를 받을 가능성도 없다.”
중국 반도체 투자자는 “중국의 아날로그 반도체 자급률이 10% 정도여서 시장 성장 가능성이 크다”고 말했다. “중국의 성숙공정이 가성비를 갖추면 아날로그 반도체 기업의 세계시장 개척이 가능하다. 텍사스인스트루먼츠나 아날로그디바이스(ADI) 등 구미 아날로그 반도체 제조사가 타격받을 것이다.” 그는 앞으로 3년 동안 중국이 40나노와 55나노 공정에 주력하고 5년 안에 28나노 기술이 획기적 진전을 거둘 것으로 예상했다.

ⓒ 財新週刊 2023년 제3호
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번역 유인영 위원