시스템반도체 분야에서 삼성전자와 TSMC의 운명이 갈린 기점은 2013년 6월이다. 그 전까지 삼성전자에 아이폰 애플리케이션프로세서(AP) 생산을 의존하던 애플이 돌연 TSMC와 대규모 공급계약을 체결하면서다. 인공지능(AI) 시대의 강자로 불리는 엔비디아도 최고급 칩은 대부분 TSMC에 생산을 맡기고 있다.
TSMC와 삼성의 격차가 만들어진 결정적 공정은 ‘칩 온 웨이퍼 온 서브스트레이트(CoWoS)’라고 불리는 패키징 공정이다. CoWoS는 플라스틱 기판에 중간 실리콘 기판을 더 올린 뒤 그 위에 여러 칩을 배열하는 기술이다. 2010년대 들어 하나의 반도체 기판에 들어가는 연산 칩과 메모리의 양이 급격히 늘어나기 시작하자 이 공정을 개발해 통신 속도와 전력효율을 크게 개선했다.
반도체 장비 업계의 한 고위 관계자는 23일 “2010년대까지만 해도 삼성은 돈을 잘 벌어들이는 메모리 중심으로 사업 계획을 만들었고 파운드리(반도체 위탁 생산) 사업부는 바깥식구처럼 취급하는 문화가 있었던 게 사실”이라며 “특히 전공정을 중심으로 미세화 경쟁에만 몰두하면서 패키징 공정을 상대적으로 소홀히 해 최근 몇 년 동안 엄청난 고전을 겪는 원인이 됐다”고 설명했다.
반도체 전문가들은 TSMC가 장악한 최첨단 패키징 생태계 경쟁에서 마침내 균열이 나타나기 시작했다고 보고 있다. 반도체 패키징 시장의 게임체인저라고 불리는 유리기판이 등장하면서다. 박성수 JWMT 대표는 “CoWoS가 기술적 한계에 다다르고 있어 새로운 시장이 열리고 있다”며 “우리나라 반도체 산업이 TSMC의 그늘에서 벗어날 수 있는 기회”라고 강조했다. 유리기판을 중심으로 한 차세대 패키징 기술을 선점하면 메모리에 이어 파운드리까지 장악할 수 있는 새로운 기회의 문이 열릴 수 있다는 뜻이다. 고대역폭메모리(HBM)와 같은 첨단 제품에 탑재되는 로직다이와 같은 부품 역시 이 패키징 실력에 따라 성능이 좌우되기 때문에 메모리 패권에도 직접적 영향력이 나타날 가능성이 크다.
실제 최근 반도체 시장은 기하급수적으로 늘어나는 컴퓨팅 수요를 감당할 수 있는 최첨단 칩의 등장을 요구하고 있다. 가령 2020년 엔비디아의 주력 제품이던 A100 80GB(기가바이트) 그래픽처리장치(GPU)의 트랜지스터는 542억 개였다. 그런데 올해 출시한 루빈의 경우 GPU 트랜지스터가 3360억 개로 6배 넘게 늘었다. 함께 장착되는 HBM의 용량 또한 80GB에서 288GB로 뛰었다.
문제는 기존 플라스틱 기판이 이런 변화를 더 이상 감당하지 못한다는 점이다. 칩 무게를 이기지 못하고 휘는 현상이 발생하는 데다 칩 간 통신 배선도 더 이상 촘촘하게 만들기 어렵다. 유리는 열에 강해 보다 넓은 면적으로 제작해도 덜 휘는 장점이 있다. 칩 간 통신에서 발생하는 병목을 해결하기 위해 기판에 광통신 방식을 접목하는 기술도 연구되고 있는데 여기서도 유리가 플라스틱보다 더 나은 대안이 된다.
글로벌 반도체 제조 기업들도 유리기판에 뛰어들고 있다. 인텔은 2023년 일찌감치 유리기판을 미래 먹거리로 천명하고 미국 애리조나 챈들러에 10억 달러를 들여 패키징 연구개발(R&D) 시설을 짓는가 하면 최근에는 인도 오디샤주에 33억 달러를 들여 유리기판 코어 생산 설비를 만들기로 했다. CoWoS에 집착하던 TSMC 역시 최근 들어 일본 이비덴과 대만 이노룩스 등 협력사들에 CoWoS용 유리기판 개발 계획을 전달하기도 했다.
시장에서도 유리기판에 대한 기대가 높아지고 있다. 국제반도체장비재료협회(SEMI)는 유리기판 반도체는 2028년부터 본격 상용화되기 시작해 매년 67.2%씩 성장할 것으로 내다봤다. 2040년께는 유리기판 시장 규모가 130억 달러에 달할 것이라는 전망이다. 유리기판과 함께 적층세라믹커패시터(MLCC) 등 차세대 패키징 기술을 가진 삼성전기의 주가는 올해 27만 원으로 시작해 130만 원대까지 치솟기도 했다.
반도체 업계의 한 관계자는 “일단 2028년 유리기판 제품이 시장에 유입되면 시스템반도체 시장 판도가 흔들리기 시작할 것”이라며 “AI 시대에 요구되는 반도체의 성능이 크게 뛰고 있어 패키징 생태계를 바꿔서라도 더 나은 제작자가 선호될 수 있다”고 설명했다.
정부 역시 차세대 패키징의 중요성을 인식하고 지원을 집중하고 있다. 우선 반도체 첨단 패키징 실증센터를 구축하는 데 5년간 420억 원을 투입한다. 수요 앵커 기업 주도로 핵심 소재·부품·장비 기업을 키워 산업 생태계를 조성하는 사업도 추진 중인데 유리기판이 시범사업 후보로 거론된다. 삼성전자와 같은 최종 수요자가 여러 중소·중견 기업과 함께 유리기판 코어 생산, 유리관통전극( TGV) 장비, 식각 장비, 기판 제조와 관련된 소재·부품·장비를 패키지로 동시에 개발하는 방식이다. 이 외에도 정부는 첨단 반도체 기술 개발에 2031년까지 국비 2068억 원을 투입할 방침이다.