애리조나 2공장 장비 반입 일정 조기화
AI 수요 급증·첨단 패키징 병목 동시 압박
고객사 이탈 조짐에 전략 급수정

TSMC가 미국 애리조나 제2공장의 반도체 장비 반입 시점을 전격적으로 앞당기며, 미국 내 첨단 공정 생산 로드맵 재편에 나섰다. 3나노 공정 도입을 전제로 한 이번 결정은 고객 구조 변화에 대응하는 전략적 전환으로 해석된다. 특히 장비 반입 시점을 기준으로 역산할 경우, 미국 현지에서의 3나노 양산은 예상보다 훨씬 빠르게 가시권에 진입한다. 경쟁사들이 따라올 수 없는 압도적인 물량 장벽을 세워, 고객사들이 다른 파운드리로 눈을 돌릴 틈을 주지 않겠다는 전략으로 풀이된다.

애리조나 2공장, 2026년 장비 반입·2027년 양산

19일 닛케이아시아에 따르면 TSMC는 미국 애리조나 제2공장에 반도체 장비 반입 시점을 2026년 3분기(7~9월)로 확정했다. 이는 3나노 계열(N3) 생산 라인 가동을 위한 것으로 보인다. 반도체 공장은 첨단 미세공정 특성상 장비 반입 후 생산 라인 최적화와 수율(양품 비율) 안정화에 통상 1년이 걸린다. 이를 역산하면 2027년 하반기에는 3나노 칩의 본격적인 양산이 가능하다. 당초 제2공장 가동 시점은 2028년으로 추진되고 있었지만 시기가 1년 정도 앞당겨진 셈이다.

닛케이아시아는 웨이저자(C.C. Wei) TSMC 최고경영자(CEO)가 미국 내 반도체 생산 일정을 최소 수 분기 앞당기도록 독려했다고 전했다. 현재 TSMC는 미국에 총 1,650억 달러(약 244조원)를 들여 반도체 공장 5곳과 패키징 설비 2곳, 연구개발(R&D) 센터를 모두 건설한다는 계획을 세웠다. 투자가 모두 마무리되면 첨단 반도체 생산 물량 전체의 약 30%가 미국에서 생산된다.

이미 가동을 시작한 애리조나 제1공장은 애플의 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)와 엔비디아의 최신 블랙웰(Blackwell) 인공지능(AI) 가속기를 생산 중이다. 지난 3분기 TSMC 매출에서 북미 지역이 차지하는 비중은 76%에 달했다. 전년 3분기(71%)는 물론, 전 분기(75%) 대비로도 더 확대됐다. 엔비디아, 애플, AMD 등 핵심 고객사가 모두 미국 기업인 만큼, 현지 생산 체제 구축은 선택이 아닌 필수 생존 전략이라는 평가다.

애플·엔비디아 줄 선 美, 첨단 패키징 공정도 풀가동

TSMC가 애리조나 2공장 가동 시점을 앞당긴 것은 AI 반도체 주문이 폭주하는 상황에서, 핵심 공정인 첨단 패키징 병목 현상으로 인해 고객 이탈 조짐이 보이고 있어서다. 첨단 패키징은 여러 칩렛(Chiplets)을 결합해 AI 칩의 성능을 극대화하는 데 있어 '성배(Holy Grail)'와 같은 핵심 기술로 인정받고 있다. 이 때문에 TSMC의 차세대 패키지 공정(Chip on Wafer on Substrate, CoWoS)과 같은 솔루션은 엔비디아, AMD, 구글, 애플, 미디어텍 등 주요 기업들로부터 최고 수준의 관심을 받고 있다.

하지만 TSMC는 더 이상 자체적으로 모든 패키징 수요를 감당할 수 없는 상황에 놓였다. 대만 현지 외신 및 업계에 따르면 TSMC의 CoWoS는 가동률 100%에 도달했다. 엔비디아, 구글 등 주요 고객사의 AI·고성능 컴퓨팅 주문이 급증하면서 CoWoS-L과 CoWoS-S 등 모든 공정이 사실상 풀가동 상태에 이른 상태다. 이에 TSMC는 대만과 미국에 새로운 공장을 개발하며 CoWoS 생산 라인을 적극적으로 확장하고 있지만 고객사들의 긴급한 수요를 감당하기엔 역부족이다.

수급 측면에서도 TSMC는 여유가 없다. TSMC의 3나노 계열 생산능력 또 2027년까지 주요 고객사 물량으로 사실상 꽉 찬 상태다. 2나노 역시 애플이 초기 물량의 절반 이상을 선점한 것으로 알려졌고, 나머지를 두고 엔비디아·퀄컴·마이크로소프트(MS) 등 주요 업체들이 치열하게 경쟁하는 구도다. 문제는 가격과 공급이다. TSMC는 미국 공장의 높은 인건비와 설비비로 인해 총이익률이 떨어지자 첨단 공정 단가 인상과 우량 고객 선별 전략으로 수익성을 방어하는 중이다. 그러나 이 과정에서 일부 팹리스(반도체 설계)는 'TSMC에만 의존하기는 어렵다'며 다른 파운드리(반도체 위탁생산)로 눈을 돌리기 시작했다. 삼성전자를 '2순위 생산 거점'으로 검토하려는 움직임의 배경이다.

추격 속도 내는 삼성, 방어선 쌓는 TSMC

삼성전자는 그동안 첨단 파운드리에서 수율 부진으로 고전을 면치 못했다. 과거 14나노 시절 애플 A9 수주 이후 이렇다 할 대형 모바일 AP 물량을 확보하지 못했고 3나노 초기 가격에서도 수율이 발목을 잡았다. 하지만 최근 들어 분위기가 달라졌다. 삼성의 2나노 공정 수율은 최근 55~60% 수준까지 개선된 것으로 전해진다. 상업적 경쟁력을 확보하려면 70% 이상이 필요하다는 평가가 많지만 최소한 초기 양산을 논의할 수 있는 수준에는 들어섰다.

수율 개선의 시험대는 테슬라와 엑시노스다. 테슬라는 이미 삼성과 165억 달러(약 24조4,000억원) 규모의 장기 공급 계약을 맺고 AI5·AI6 등 차세대 자율주행·AI 칩 생산을 의뢰한 상태다. 업계에서는 AI5는 기존 4나노급, AI6는 2나노 공정을 염두에 둔 것으로 보고 있다. 삼성은 미국 테일러에 건설 중인 파운드리 라인에서 2나노 기반 AI6 생산을 검토 중인 것으로 알려졌다.

삼성전자 테일러 팹 전략의 핵심은 '미국 현지화'와 '초기 수율'로 압축된다. 업계에 따르면 삼성전자는 안정적인 초기 수율을 위해 비교적 안정권에 들어선 4나노 공정을 우선 적용한 뒤, 국내에서 수율을 끌어올리고 있는 2나노 공정의 노하우를 순차적으로 이식한다는 계획이다. 삼성전자가 올해 확보한 테슬라·애플향 물량을 소화하기 위해서는 미주 생산거점의 완성도가 결정적이다. 글로벌 파운드리 고객사들이 미국 내 생산을 최우선 조건으로 내걸고 있는 만큼, 테일러 팹의 안정적인 양산 능력은 향후 수주전의 핵심 경쟁력으로 직결된다.

이에 TSMC는 독점적 우위를 더욱 굳히기 위해 미국 공장 긴급 수정(Scrambles)에 이어, 애리조나 공장의 차세대 공정 조기 안착을 위해 인적 자원 교류를 통한 기술 이식에도 속도를 내고 있다. 미국 IT 매체 WCCF테크에 따르면 TSMC는 애리조나 공장에 근무 중인 수백 명의 엔지니어 중 일부를 선발해 대만으로 보내고 있다. 이들은 반도체 생산의 심장부인 대만 현지 팹에서 3나노와 2나노 공정의 세부적인 생산 노하우(ins and outs)를 습득하는 임무를 맡았다. 차세대 리소그래피(노광) 기술의 최전선은 여전히 대만 본토에 집중돼 있어, 현지 훈련 없이는 미국 공장의 기술 고도화가 불가능하기 때문이다.

지난 2021년에도 미국 측 엔지니어들이 대만으로 파견돼 1년 6개월간 장기 훈련을 받은 전례가 있다. 이번 파견은 애리조나 제2공장 건설이 시작된 시점과 맞물려, 향후 3나노 및 2나노 칩 주문 확보에 결정적인 경쟁 우위를 점하기 위한 적절한 타이밍에 이뤄진 조치로 분석된다. TSMC는 미국 훈련 강화와 별개로 대만 본토에서의 생산 능력 확충에도 막대한 자금을 쏟아붓고 있다. 주문량을 소화하기 위해 대만에 2나노 공정 공장 3곳을 추가로 건설할 계획으로, 초기 투자비만 286억 달러(약 42조원)에 달할 것으로 추산된다. 미국 애리조나 공장의 엔지니어 훈련과 기술 업그레이드는 이러한 글로벌 생산 전략의 핵심 퍼즐 조각이자, TSMC가 2028년 이후 펼쳐질 초미세 공정 전쟁에서도 주도권을 놓지 않겠다는 의지의 표명으로 읽힌다.