삼성전자는 왜 메모리 세계 1위를 넘어 파운드리와 GAA에 도전할까?
반도체 산업을 움직이는 글로벌 기업 ⑥
삼성전자 – 파운드리와 GAA에 도전 AI 반도체 시대
핵심 키워드: 삼성전자, 삼성 반도체, DRAM, NAND, HBM, 파운드리, GAA, 2nm, AI 반도체, 첨단 패키징
들어가며 – 삼성전자는 어떤 반도체 회사일까?
앞선 1강부터 5강까지는 ASML, Applied Materials, Lam Research, KLA, Tokyo Electron 등 반도체를 만들기 위한 핵심 장비 기업들을 살펴봤다.
이제부터는 그 장비를 이용해 실제 반도체를 설계하고 생산하는 글로벌 기업들을 살펴볼 차례다.
그 첫 번째 기업은 바로 한국을 대표하는 삼성전자다.
삼성전자를 단순히 스마트폰이나 TV를 만드는 회사로 생각하는 사람도 많다.
하지만 삼성전자의 진짜 핵심 경쟁력 가운데 하나는 바로 반도체다.
특히 삼성전자는 세계 반도체 산업에서 매우 독특한 위치에 있다.
왜냐하면 한 기업 안에서 다양한 종류의 반도체 사업을 동시에 진행하고 있기 때문이다.
삼성전자의 반도체 사업을 크게 나누면 다음과 같이 볼 수 있다.
- DRAM
- NAND Flash
- HBM
- 시스템 반도체
- 파운드리
- 이미지센서
- 첨단 패키징
즉, 삼성전자는 단순히 메모리 반도체만 만드는 기업이 아니다.
데이터를 저장하는 메모리부터 AI 연산에 사용되는 고성능 칩, 그리고 다른 기업의 반도체를 대신 생산하는 파운드리까지 사업을 확장하고 있는 종합 반도체 기업이다.
이번 6강에서는 삼성전자의 반도체 사업이 어떻게 발전해 왔는지, DRAM과 NAND의 경쟁력은 무엇인지, 그리고 삼성전자가 왜 GAA와 2nm 파운드리 기술에 집중하고 있는지 살펴보겠다.
1. 삼성전자 반도체의 시작 – 메모리에서 세계적인 경쟁력을 만들다
삼성전자의 반도체 역사를 이야기할 때 가장 먼저 떠올려야 하는 분야는 메모리 반도체다.
메모리는 컴퓨터와 스마트폰, 서버, AI 데이터센터 등 거의 모든 전자기기에 필요하다.
대표적인 메모리는 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
DRAM
컴퓨터와 서버가 데이터를 빠르게 처리할 수 있도록 임시로 데이터를 저장하는 메모리다.
전원이 꺼지면 저장된 데이터가 사라지는 특징이 있다.
NAND Flash
스마트폰, SSD, USB, 데이터센터 저장장치 등에 사용되는 비휘발성 메모리다.
전원이 꺼져도 데이터를 저장할 수 있다.
삼성전자는 오랜 기간 DRAM과 NAND 기술에 대규모 투자를 진행하면서 글로벌 메모리 산업의 핵심 기업으로 성장했다.
메모리 산업의 특징은 기술력이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 대규모 생산능력도 필요하다는 점이다.
반도체 공장 하나를 건설하는 데에도 막대한 자금이 필요하고, 미세공정 기술을 발전시키기 위한 연구개발 비용도 매우 크다.
이 때문에 메모리 산업은 시간이 갈수록 소수의 글로벌 기업 중심으로 경쟁이 이루어지는 구조가 만들어졌다.
2. DRAM은 왜 계속 발전해야 할까?
DRAM은 단순히 데이터를 저장하는 반도체가 아니다.
컴퓨터와 서버, 스마트폰의 성능을 결정하는 중요한 요소 가운데 하나다.
CPU나 GPU가 아무리 빠르게 계산하더라도 필요한 데이터를 제때 공급받지 못하면 전체 시스템의 성능이 떨어질 수 있다.
따라서 DRAM에서는 다음과 같은 요소가 중요하다.
- 더 빠른 속도
- 더 높은 용량
- 더 낮은 전력 소비
- 더 높은 집적도
과거에는 일반 PC와 스마트폰 시장이 DRAM 수요를 이끌었다.
하지만 최근에는 AI와 데이터센터가 메모리 산업의 새로운 성장 동력으로 떠오르고 있다.
특히 대규모 AI 모델을 학습하고 실행하기 위해서는 엄청난 양의 데이터를 빠르게 처리해야 한다.
여기에서 등장하는 핵심 메모리가 바로 HBM, High Bandwidth Memory다.
3. HBM이란 무엇일까? AI 시대의 핵심 메모리
HBM은 기존 DRAM을 평면적으로 배치하는 방식과 달리 여러 개의 메모리 칩을 수직으로 쌓아 높은 데이터 처리 성능을 구현하는 고대역폭 메모리 기술이다.
쉽게 말하면 일반 도로를 계속 넓히는 대신 여러 층의 고속도로를 만들고 데이터를 더 빠르게 이동시키는 방식과 비슷하다.
HBM의 핵심은 대역폭(Bandwidth)이다.
AI GPU와 AI 가속기는 엄청난 양의 데이터를 매우 빠르게 처리해야 한다.
하지만 연산장치의 성능만 높아지고 메모리에서 데이터를 가져오는 속도가 느리다면 전체 시스템의 성능이 제한될 수 있다.
이 문제를 흔히 메모리 병목현상과 연결해 설명할 수 있다.
HBM은 AI 프로세서 가까이에 고대역폭 메모리를 배치해 데이터 이동을 빠르게 하는 데 중요한 역할을 한다.
따라서 AI 시대에는 다음과 같은 구조가 중요해지고 있다.
AI GPU 또는 AI 가속기
↓
초고속 인터커넥트
↓
HBM 고대역폭 메모리
삼성전자가 HBM 기술 경쟁에 적극적으로 참여하는 이유도 바로 여기에 있다.
AI 산업이 성장할수록 단순히 GPU의 성능만 중요한 것이 아니라, GPU가 필요한 데이터를 얼마나 빠르게 공급받을 수 있는지가 중요해지고 있기 때문이다.
4. 삼성전자의 새로운 도전 – 메모리에서 AI 메모리로
과거 메모리 산업에서는 DRAM의 가격과 공급량이 중요한 경쟁 요소였다.
하지만 AI 시대에는 단순히 메모리를 많이 생산하는 것만으로는 충분하지 않다.
이제는 다음과 같은 기술이 중요해지고 있다.
- HBM
- 고속 인터페이스
- 저전력 기술
- 고용량 메모리
- 첨단 패키징
- 열 관리
특히 HBM은 기존 DRAM보다 제조과정이 더 복잡하다.
여러 개의 DRAM 칩을 쌓아 올리고 이를 연결해야 하기 때문이다.
여기에는 TSV, Through-Silicon Via라는 기술이 사용된다.
TSV는 실리콘 칩을 관통하는 미세한 연결 구조를 이용해 여러 개의 반도체 다이를 수직으로 연결하는 기술이다.
쉽게 표현하면 반도체 칩을 여러 층으로 쌓고 각 층 사이에 수직 엘리베이터를 만드는 것과 비슷하다.
이러한 기술이 발전하면서 삼성전자의 경쟁력도 단순한 DRAM 미세화에서 벗어나,
메모리 + 적층 + 패키징 + 시스템 연결
이라는 새로운 영역으로 확대되고 있다.
5. NAND Flash – 데이터를 저장하는 반도체도 3차원으로 진화하고 있다
삼성전자의 또 다른 핵심 사업은 NAND Flash다.
NAND는 스마트폰과 SSD, 데이터센터 저장장치 등에 사용된다.
과거 NAND는 평면 구조에서 셀을 옆으로 계속 늘리는 방식으로 발전했다.
하지만 미세화가 진행될수록 물리적인 한계가 나타났다.
그래서 등장한 것이 바로 3D NAND다.
3D NAND는 메모리 셀을 수직으로 쌓아 저장용량을 높이는 방식이다.
이를 건물에 비유하면 쉽게 이해할 수 있다.
과거에는 도시의 면적을 계속 넓혀 건물을 늘리는 방식이었다면, 이제는 같은 면적 위에 더 높은 빌딩을 짓는 방식으로 변화한 것이다.
하지만 NAND를 높게 쌓을수록 제조공정은 더 어려워진다.
수많은 층을 정밀하게 형성해야 하고, 깊은 구조를 식각해야 하며, 각 층이 안정적으로 연결되어야 한다.
여기에서 앞서 살펴본 Lam Research와 Applied Materials 같은 장비 기업들의 기술도 함께 중요해진다.
6. 삼성전자는 왜 파운드리 사업에 도전할까?
삼성전자의 반도체 사업을 이해할 때 가장 중요한 키워드 가운데 하나가 바로 파운드리(Foundry)다.
파운드리는 다른 기업이 설계한 반도체를 대신 생산하는 사업을 말한다.
예를 들어 어떤 기업이 새로운 AI 칩이나 모바일 프로세서를 설계했다고 가정해 보자.
하지만 직접 반도체 공장을 운영하려면 수십조 원에 가까운 대규모 투자가 필요할 수 있다.
따라서 반도체 설계기업은 직접 생산하지 않고 전문 제조기업에 생산을 맡길 수 있다.
이때 전문 생산을 담당하는 기업이 바로 파운드리다.
대표적인 파운드리 기업으로는 TSMC가 있다.
삼성전자 역시 자체 제품을 생산하는 것과 동시에 다른 기업의 반도체를 생산하는 파운드리 사업을 운영하고 있다.
삼성전자가 파운드리에 집중하는 이유는 단순하다.
미래 반도체 시장에서는 메모리뿐 아니라 AI 프로세서와 모바일 칩, 자동차 반도체, 데이터센터용 반도체 등 다양한 시스템 반도체의 중요성이 커지고 있기 때문이다.
7. 삼성전자와 TSMC의 가장 큰 차이
삼성전자와 TSMC를 비교할 때 중요한 차이가 있다.
TSMC는 대표적인 전문 파운드리 기업이다.
반면 삼성전자는 메모리와 시스템 반도체, 파운드리를 함께 운영하는 종합 반도체 기업이다.
이 차이는 장점이 될 수도 있고 동시에 어려운 과제가 될 수도 있다.
삼성전자는 메모리 기술과 제조기술, 첨단 패키징 등 다양한 분야에서 기술을 연결할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어 미래 AI 시스템에서는 다음과 같은 구성 요소가 함께 필요하다.
AI 프로세서
+
HBM
+
첨단 패키징
+
고속 인터커넥트
삼성전자는 이러한 여러 분야의 기술을 하나의 반도체 생태계로 연결할 가능성을 가지고 있다.
반면 파운드리 시장에서는 고객사의 설계를 안정적으로 생산하고 높은 수율을 확보하는 것이 핵심 과제다.
결국 파운드리 경쟁은 단순히 “몇 nm인가?”라는 숫자만으로 결정되지 않는다.
얼마나 안정적으로 생산할 수 있는가?
얼마나 높은 수율을 확보할 수 있는가?
고객이 원하는 성능과 전력 효율을 제공할 수 있는가?
이러한 요소가 함께 중요하다.
8. GAA란 무엇일까?
삼성전자의 차세대 반도체 기술을 이야기할 때 빠질 수 없는 것이 바로 GAA, Gate-All-Around다.
트랜지스터는 반도체의 기본 구성요소다.
과거에는 평면형 구조의 트랜지스터가 주로 사용됐다.
하지만 반도체가 점점 작아지면서 전류를 제대로 제어하기 어려워지는 문제가 발생했다.
이를 해결하기 위해 등장한 것이 FinFET이다.
FinFET은 기존 평면 구조보다 게이트가 채널을 더 효과적으로 제어할 수 있도록 설계됐다.
하지만 반도체 미세화가 계속되면서 FinFET 역시 새로운 한계에 도전하게 됐다.
그래서 등장한 구조가 GAA다.
GAA는 게이트가 채널을 더욱 효과적으로 둘러싸도록 설계한 차세대 트랜지스터 구조다.
쉽게 표현하면,
평면형 트랜지스터
채널의 일부를 제어한다.
FinFET
채널의 여러 면을 제어한다.
GAA
채널 주변을 더욱 효과적으로 감싸 전류를 제어한다.
이러한 구조는 전력 효율과 성능을 개선하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
9. 삼성전자가 GAA에 주목하는 이유
AI와 모바일, 데이터센터 반도체에서는 단순히 성능만 높이는 것이 목표가 아니다.
전력 소비 역시 매우 중요하다.
특히 AI 데이터센터에서는 수많은 GPU와 AI 가속기가 동시에 작동한다.
이 과정에서 엄청난 전력이 소비되고 열이 발생한다.
따라서 미래 반도체에서는 다음과 같은 문제가 중요해진다.
더 높은 성능
더 낮은 전력 소비
이 두 가지를 동시에 해결하는 것이 쉽지 않다.
GAA 구조는 이러한 문제를 해결하기 위한 차세대 트랜지스터 기술 가운데 하나다.
삼성전자는 GAA 기술을 차세대 파운드리 경쟁력의 핵심 요소 가운데 하나로 보고 있다.
반도체 산업이 3nm와 2nm 이하로 발전할수록 단순한 미세화뿐 아니라 트랜지스터 구조 자체를 바꾸는 것이 중요해지고 있기 때문이다.
10. 2nm 경쟁은 단순히 숫자의 경쟁이 아니다
반도체 산업에서는 3nm, 2nm라는 숫자가 자주 등장한다.
하지만 소비자가 생각하는 것처럼 실제로 모든 구조가 정확히 2나노미터라는 의미는 아니다.
반도체 산업에서 공정 노드 이름은 기술 세대를 구분하는 중요한 기준이지만, 단순히 하나의 물리적인 길이를 의미하는 것은 아니다.
따라서 진짜 중요한 것은 숫자 자체보다 다음과 같은 요소다.
- 트랜지스터 성능
- 전력 효율
- 집적도
- 수율
- 생산성
- 제조 비용
예를 들어 2nm라는 이름을 사용하더라도 실제 제품에서 높은 성능과 낮은 전력 소비를 제공하지 못하거나 안정적인 생산이 어렵다면 경쟁력을 확보하기 어렵다.
반대로 공정 노드가 비슷하더라도 설계와 패키징, 메모리 기술이 결합되면 전체 시스템의 성능에서 큰 차이가 나타날 수 있다.
따라서 앞으로의 반도체 경쟁은,
더 작은 숫자를 먼저 발표하는 경쟁
에서,
더 좋은 시스템을 실제로 안정적으로 생산하는 경쟁
으로 변화할 가능성이 높다.
11. 삼성전자의 또 다른 무기, 첨단 패키징
앞으로 반도체 산업에서 매우 중요한 기술 가운데 하나가 바로 첨단 패키징(Advanced Packaging)이다.
과거에는 반도체 칩 하나를 완성한 뒤 패키지에 넣는 과정이 비교적 단순하게 여겨졌다.
하지만 AI 반도체 시대에는 상황이 달라지고 있다.
AI GPU 하나만으로 모든 기능을 해결하기 어려워지고 있기 때문이다.
그래서 여러 개의 반도체를 하나의 시스템처럼 연결하는 기술이 중요해지고 있다.
대표적인 기술은 다음과 같다.
- HBM 적층
- 2.5D 패키징
- 3D 패키징
- Chiplet
- 이종집적
예를 들어 하나의 AI 시스템 안에는 다음과 같은 반도체가 함께 들어갈 수 있다.
AI GPU
+
HBM
+
입출력 칩
+
인터커넥트
이 여러 칩을 얼마나 빠르고 효율적으로 연결하느냐가 전체 시스템의 성능에 영향을 준다.
삼성전자는 메모리와 파운드리 사업을 동시에 운영하고 있기 때문에, 장기적으로는 메모리와 로직 반도체, 패키징 기술을 연결하는 전략이 중요한 경쟁력이 될 수 있다.
12. 삼성전자의 진짜 경쟁력 – 반도체 생태계를 동시에 가지고 있다
삼성전자의 가장 큰 특징은 특정 반도체 하나에만 집중하지 않는다는 점이다.
삼성전자는 다양한 반도체 기술을 동시에 발전시키고 있다.
예를 들면,
메모리
DRAM, NAND, HBM
시스템 반도체
모바일 프로세서, 이미지센서 등
파운드리
외부 고객사의 반도체 위탁생산
첨단 패키징
여러 반도체를 연결하는 기술
이러한 기술이 미래에는 서로 연결될 가능성이 있다.
예를 들어 AI 반도체 시장에서는 고성능 AI 프로세서만 중요한 것이 아니다.
그 옆에는 HBM이 필요하고, 이를 연결하기 위한 첨단 패키징이 필요하다.
따라서 미래 경쟁은 하나의 칩을 얼마나 잘 만드는가를 넘어,
AI 시스템 전체를 얼마나 효율적으로 구성할 수 있는가
로 발전할 수 있다.
삼성전자는 이러한 시스템 반도체 생태계를 구축할 수 있는 잠재력을 가진 기업 가운데 하나다.
13. 삼성전자가 앞으로 해결해야 할 과제
물론 삼성전자 앞에는 많은 경쟁과 과제도 있다.
메모리 시장에서는 SK하이닉스와 Micron 같은 강력한 경쟁자가 존재한다.
파운드리 시장에서는 TSMC가 강력한 경쟁력을 보유하고 있다.
AI 반도체 시장에서는 NVIDIA와 AMD, 그리고 다양한 AI 칩 기업들이 경쟁하고 있다.
따라서 삼성전자가 미래 반도체 시장에서 경쟁력을 높이기 위해서는 다음과 같은 과제가 중요하다.
첫 번째, HBM 경쟁력
AI 시대의 고성능 메모리 시장에서 기술과 생산능력을 확보해야 한다.
두 번째, 파운드리 수율
첨단 공정을 안정적으로 대량생산할 수 있는 능력이 중요하다.
세 번째, GAA 기술 완성도
차세대 트랜지스터 구조에서 성능과 전력 효율, 생산성을 확보해야 한다.
네 번째, 첨단 패키징
AI 반도체와 HBM을 효율적으로 연결하는 기술이 필요하다.
다섯 번째, 시스템 반도체 생태계
설계기업과 고객사가 삼성 파운드리를 선택할 수 있도록 경쟁력을 높여야 한다.
14. AI 시대는 삼성전자에게 위기이면서 동시에 기회다
AI 반도체 시장은 빠르게 변화하고 있다.
현재 AI 시장에서는 GPU와 AI 가속기의 중요성이 매우 크다.
하지만 AI 시스템 전체를 살펴보면 GPU만 필요한 것은 아니다.
더 많은 HBM이 필요하고, 더 빠른 인터커넥트가 필요하며, 더 효율적인 전력 관리 기술과 첨단 패키징이 필요하다.
이것은 삼성전자에게 기회가 될 수 있다.
삼성전자는 오랜 기간 메모리 기술을 발전시켜 왔으며, 동시에 파운드리와 첨단 패키징 분야에도 투자하고 있다.
따라서 미래 AI 반도체 시장에서 중요한 질문은 단순히,
“누가 가장 빠른 칩을 만들 것인가?”
가 아닐 수 있다.
오히려,
누가 AI 프로세서와 메모리, 패키징을 가장 효율적으로 연결할 수 있는가?
가 중요한 경쟁이 될 가능성이 있다.
마무리 – 삼성전자는 ‘메모리 회사’에서 AI 반도체 종합 기업으로 변화
삼성전자는 오랫동안 DRAM과 NAND를 중심으로 세계 반도체 산업에서 강력한 경쟁력을 만들어 왔다.
하지만 앞으로의 반도체 산업은 과거와 달라지고 있다.
AI는 더 높은 성능의 프로세서와 더 많은 데이터를 요구한다.
이 과정에서 HBM과 첨단 패키징의 중요성이 커지고 있다.
동시에 2nm 이하의 미세공정과 GAA 같은 새로운 트랜지스터 구조도 등장하고 있다.
삼성전자는 이러한 변화에 대응하기 위해,
DRAM → HBM
NAND → 고적층 3D NAND
메모리 → 시스템 반도체
FinFET → GAA
단일 칩 → 첨단 패키징
이라는 새로운 기술 경쟁에 도전하고 있다.
삼성전자의 미래는 단순히 메모리 점유율만으로 결정되지 않을 것이다.
앞으로는 메모리와 파운드리, 첨단 패키징을 얼마나 효율적으로 연결하고 AI 시대의 새로운 반도체 수요에 대응하느냐가 중요한 과제가 될 것이다.
삼성전자는 이미 세계적인 메모리 기업이다.
하지만 앞으로 삼성전자가 목표로 하는 것은 단순한 메모리 1위가 아니라,
AI 시대의 반도체 생태계 전체를 연결하는 글로벌 종합 반도체 기업
이라고 볼 수 있다.
유트
