中 메모리 업계, 글로벌 D램 '3강 체제'에 도전장 던져
DDR4 저가 물량 공세 이어 DDR5 시장에서도 '질주'
기술 격차 강조한 SK하이닉스 "中 DDR5, 우리 제품과 차이 있다"

세계 D램 시장을 선점하고 있는 한국 반도체업계의 입지가 흔들리고 있다는 외신 보도가 나왔다. 창신테크놀로지(CXMT) 등 중국 메모리 업체의 급성장으로 인해 글로벌 D램 시장에 '지각변동'이 일어나고 있다는 분석이다.

CXMT, D램 시장 점유율 5%

10일(현지시간) 영국 파이낸셜타임스(FT)는 중국 컨설팅 업체 첸잔을 인용해 "연간 900억 달러(약 130조7,600억원) 규모인 D램 시장에서 CXMT의 점유율이 5%로 늘어났다”며 “CXMT의 성장이 세계 시장을 선점하고 있는 삼성전자와 SK하이닉스 등 한국 업체들을 위협하고 있다”고 보도했다. CXMT는 중국 D램 1위 업체다.

현재 세계 D램 시장은 1위 업체인 삼성전자와 2위 업체인 SK하이닉스가 전체의 70∼80%를 점유하고 있다. 미국의 마이크론까지 합세하면 세 업체의 시장 점유율은 자그마치 96%에 달한다. 하지만 이 같은 '3강 체제'는 최근 CXMT를 비롯한 중국 업체들의 저가 물량 공세로 인해 점차 흔들리고 있다. 이와 관련해 한 업계 관계자는 "중국 메모리 기업들은 알리바바 등 중국 기업과 정부 투자를 발판 삼아 구형 메모리인 DDR4 생산을 공격적으로 늘리고 있다"며 "특히 CXMT 등이 저가로 시장에 대규모 물량을 쏟아내며 점유율을 빠르게 확대했다"고 설명했다.

DDR5 경쟁력도 급성장

범용 D램 시장에서 '저가 물량 공세'로 덩치를 키운 중국 메모리 기업들은 최근 들어 첨단 DDR(더블데이터레이트)5 D램 시장에서도 두각을 드러내고 있다. 미국의 기술·장비 수출 규제를 뚫고 고부가가치 D램 시장 내에서 경쟁력을 확보한 것이다. 반도체 전문 시장조사업체 테크인사이츠에 따르면, CXMT의 1z DDR5 16기가비트(Gb) D램은 삼성전자와 SK하이닉스의 동일 사양 제품과 유사한 성능을 내는 것으로 전해진다.

테크인사이츠는 CXMT의 DDR5 16Gb D램이 16㎚(나노미터·10억분의 1m) 공정을 활용해 생산됐다고 밝혔다. 이는 한국 기업의 10나노대 3세대(1z, 15.8~16.2㎚) D램과 유사하다. 성능의 핵심 척도인 비트밀도(단위 면적당 저장 단위)는 0.239Gb/㎟로, 동일 규격의 삼성전자 제품(0.217Gb/㎟)과 SK하이닉스 제품(0.213Gb/㎟)보다 높다. 테크인사이츠는 “CXMT는 16㎚ 공정을 통해 정보를 저장하는 셀 면적을 18㎚ 공정 대비 20% 줄였다”고 분석했다.

수율 역시 급속도로 개선되고 있다. 시장조사 전문기관 트렌드포스에 따르면 CXMT는 40% 수준에 그쳤던 DDR5 제품의 수율을 80%까지 끌어올리고, 중국 현지 메모리 모듈 업체인 킹뱅크, 글로웨이 등을 통해 32GB DDR5 제품을 공급하는 중이다. 업계 선두 주자인 삼성전자와 SK하이닉스의 DDR5 칩 수율은 80~90% 수준인 것으로 전해진다.

국내 메모리 업계 영향은

시장에서는 조만간 CXMT가 14~15㎚ 수준으로 알려진 ‘10나노 4세대(1a)’ D램 개발에 착수할 것이라는 관측이 제기된다. 미국의 첨단 반도체 제조 장비 수출 규제로 EUV(극자외선 노광장비) 등 첨단 제조 장비를 도입할 수는 없으나, 기존 보유한 장비로도 충분히 차세대 D램 개발 및 양산이 가능할 것이라는 설명이다. 한 시장 관계자는 "업계에서는 CXMT가 올해 내로 1a 개발을 완료할 것이라는 전망이 많다"며 "단 첨단 장비 부족 등 한계로 인해 초기 수율이 좋지 않을 수는 있다"고 말했다.

국내 반도체업계는 첨단 D램 경쟁력을 확보한 CXMT가 DDR4에 이어 DDR5 시장에서도 저가 물량 공세를 펼칠 수 있다는 우려를 드러내고 있다. CXMT는 지난해 하반기 DDR4 제품 물량을 30%가량 저렴한 가격으로 글로벌 시장에 쏟아낸 바 있다. 이로 인해 지난해 7월 개당 2.1달러던 PC용 DDR4 D램 고정거래 가격은 12월 1.35달러로 35.7% 급락했고, 한국 메모리 기업의 수익성도 눈에 띄게 악화했다. 만약 CXMT가 DDR5 시장에서도 유사한 전략을 채택할 경우 한국 기업의 타격이 불가피할 것으로 보인다.

다만 일각에서는 과도한 우려라는 분석도 나온다. 김우현 SK하이닉스 최고재무책임자(CFO·부사장)는 지난달 23일 실적 설명회에서 “중국 기업의 DDR5 제품 품질과 성능은 (SK하이닉스 제품과) 확실한 차이가 있을 것”이라고 했다. 기술 격차를 고려하면 CXMT의 DDR5 시장 진출은 큰 문제가 되지 않을 것이라는 의미다. 실제 현재 삼성전자·SK하이닉스는 CXMT가 개발 중인 1a D램의 상위 제품인 1b(12나노급 D램) D램의 양산에 집중하고 있는 것으로 알려져 있다.

'슈퍼 乙' 영국 ARM, 칩 직접 제작
글로벌 반도체 생산 체제 변화 예고
엔비디아 등 반도체 업체와 경쟁 본격화

손정의 소프트뱅크그룹 회장이 AI(인공지능) 인프라 확장의 첨병으로 삼은 영국 팹리스(반도체 설계) 업체 ARM이 자체 칩 개발에 뛰어든다. 반도체 설계에 그쳤던 사업구조를 자체 개발까지 확장해 본격적인 AI 칩 경쟁에 뛰어들려는 전략으로 풀이된다. AI 열풍으로 반도체 지형도가 급변한 가운데 빅테크 간 경쟁이 더욱 치열해지는 모습이다.

설계만 하던 ARM, 올여름 자체 칩 공개

13일(현지시각) 파이낸셜타임스(FT)는 소식통을 인용해 ARM 최고경영자(CEO)인 르네 하스(Rene Haas)가 이르면 오는 여름 자체 제작한 첫 칩을 공개할 예정이라고 전했다. ARM은 새로운 칩의 첫 고객으로 이미 페이스북 모회사 메타플랫폼을 확보한 것으로 알려졌다. 제조는 대만 TSMC가 맡을 가능성이 높다.

ARM은 글로벌 반도체 설계 기업으로 삼성, 애플, 퀄컴, 엔비디아 등 전 세계 반도체 기업들이 ARM의 기술을 활용하고 있다. ARM의 비즈니스 모델은 크게 두 가지로, 모든 칩의 골자가 되는 아키텍처 선행 라이선스와 실제 칩 내부에 탑재되는 코어 디자인을 파는 로열티다. 다수 칩 회사가 ARM에 라이선스 요금을 낸 뒤 아키텍처 사용권을 얻고, ARM 코어를 칩 안에 배열해 완성품 칩 설계도를 만든다. 이렇게 만들어진 제품들은 모두 'ARM 생태계'에 속해 있다.

특히 ARM은 스마트폰에 들어가는 AP(애플리케이션 프로세서)를 비롯해 전 세계에서 만들어지는 칩의 90% 이상이 ARM 아키텍처를 기반으로 두고 있을 정도로 압도적인 시장 점유율을 자랑한다. 사실상 ARM의 독점 생태계라 해도 무방하다. 이처럼 ARM은 칩을 자체적으로 만들지 않고 대신 칩 설계 자산을 다른 회사에 라이선스하는 방식으로 성장해 왔다.

ARM 사업 모델의 딜레마

이런 가운데 ARM의 자체 칩 개발은 기존의 칩 설계 라이선스를 제공하는 사업 모델에서 벗어나는 변화를 의미한다. ARM의 비즈니스 모델은 안정적인 수익을 보장하지만, 동시에 빠른 매출 확장을 꾀하기 힘들다는 치명적 단점을 안고 있다. 특히 라이선스에서 이 같은 문제가 두드러진다. ARM은 여러 고객사와 협상을 통해 ARM 아키텍처의 사용권을 수개월에서 연 단위로 판매하는데, 2010년 무료로 이용 가능한 오픈소스 아키텍처 'RISC-V(리스크-V)'가 탄생한 뒤로 라이선스 사업 모델이 흔들렸다. 리스크-V의 확장을 막기 위해 구형 ARM 아키텍처 라이선스 비용을 낮추거나, 무료로 푸는 등 저가 공세를 펼쳐야 했기 때문이다.

실제로 2014년만 해도 ARM의 수익 구조에서 라이선스 매출과 로열티 매출 비중은 거의 동등했으나 2021년 기준으론 라이선스 매출(11억 달러, 약 1조5,900억원)이 로열티 매출(15억 달러)보다 확연히 뒤처졌다. 이 추세는 최근까지 두드러지고 있다. 대신 ARM의 성장을 이끌어온 사업은 시스템 반도체의 코어, 즉 로열티 매출이었다. 코어 로열티는 라이선스처럼 협상을 통해 사용권을 판매하는 것이 아닌, 칩 매출액의 일부를 ARM에 환원하는 방식이기 때문에 반도체 호황기에 더 직접적인 수혜를 누릴 수 있다.

하지만 로열티 사업에도 한계가 있다. 통상 ARM의 로열티는 칩 판매가의 1~2% 수준에 불과하다. ARM 입장에서는 매년 수천억 개씩 팔려나가는 ARM 반도체 생태계 전체 매출 중 티끌만 한 분량만 떼가는 셈이니 욕심이 생길 수밖에 없는 노릇이다. 즉 ARM 입장에서는 자체 칩 개발이 시장도 확장하고 매출도 증대할 절호의 기회다.

ARM은 먼저 미국 인텔과 AMD의 점유율을 노릴 전망이다. ARM이 첫 시험대로 낙점한 서버용 중앙처리장치(CPU) 시장은 두 기업이 사실상 양분해 왔는데, 이들 기업은 ARM의 명령어집합 대신 ‘x86’을 기반으로 반도체를 설계한다. ARM이 이 시장에 직접 뛰어들게 된 배경을 짐작할 수 있는 대목이다. ARM의 대주주 손정의 회장은 이를 위해 CPU를 설계하는 미국 스타트업 암페어를 인수할 계획인 것으로 알려졌다.

차세대 네오버스 생태계 조성에도 박차

ARM의 이런 행보는 총 10조 엔(약 88조원)을 들여 소프트뱅크를 AI 중심 기업으로 탈바꿈하려는 손 회장 계획의 일환이기도 하다. 손 회장은 AI 사업 생태계를 데이터센터와 로봇, 전력까지 확대한다는 계획이다. 나아가 최신 AI와 반도체 및 로봇 기술을 통합해 다양한 산업 분야의 혁신을 촉진할 방침이다. 이 계획에서 AI 칩은 핵심에 자리하고 있다. 실제 ARM은 궁극적으로 AI 칩을 직접 만든다는 구상이다. 손 회장이 AI 인프라 확장을 목표로 ARM을 핵심 사업으로 삼고 있는 만큼 자체 칩 출시는 AI 칩 시장 진출의 중요한 단계인 셈이다.

또한 ARM은 AI 시대를 맞아 폭증하고 있는 커스텀 칩 수요에 발맞춰 네오버스(Neoverse) 생태계 구축에도 드라이브를 걸고 있다. 최근 AI 워크로드가 빠르게 성장하면서 전체 AI 스택을 지원하기 위해서는 긴밀하게 결합된 CPU 컴퓨팅이 필수적이다. 이런 가운데 ARM의 네오버스 기반 CPU는 데이터 전처리, 오케스트레이션, 검색 증강 생성(RAG)과 같은 데이터베이스 증강 기술 등에서 이점을 제공한다.

현재 ARM의 아키텍처는 모바일용인 코텍스(Cortex)군과 서버용인 네오버스군으로 나뉜다. 가장 최근에 발표한 새로운 기술은 네오버스 제품군인 네오버스 CSS N3와 V3다. 네오버스 CSS N3는 N2에 비해 와트당 성능이 20% 향상됐으며, 성능에 중점을 둔 V시리즈인 V3는 N2에 비해 소켓당 성능이 50% 증가됐다. 네오버스 CSS는 메모리⋅I/O(입출력)⋅가속⋅토폴로지(연결방식) 등 SoC(시스템온칩)를 구성하는 요소들을 ARM이 사전에 통합 검증해 놓은 덩어리로, 고객사들은 이를 그대로 갖다 쓰거나, 일부 요소를 업그레이드하는 방식으로 칩 개발 속도를 단축할 수 있다.

이처럼 ARM은 전 세계가 AI를 수용함에 따라 가장 작은 센서에서부터 가장 큰 데이터 센터에 이르기까지 ARM 아키텍처 활용 범위를 계속해서 확장하고 있다. 특히 인프라 내에서 범용 CPU만으로는 더 이상 시장의 요구사항을 충족시킬 수 없게 되면서 아마존웹서비스(AWS), 마이크로소프트(MS), 엔비디아 등 빅테크 기업들이 ARM 아키텍처에 기반한 새로운 커스텀 칩을 개발하고 있는 상황이다.

中 반도체 장비 수입 55조원 규모 예상
첨단 장비 수입 막힐까 공격적 매입
장비 자립화 속도↑, 기술 격차 좁혀

미국 정부의 첨단기술 수출 통제 조치에 맞서 반도체 장비 수입을 크게 늘려온 중국이 올해부터는 구입 물량 조절에 나설 것이란 전망이 제기됐다. 중국이 2023년 하반기를 기점으로 반도체 장비 ‘사재기’에 가까운 행보를 보여 온 것과는 상반된 모습이다. 미국 정부의 첨단기술 수출 통제 효과가 가시화하고, 이와 동시에 중국의 자급체제 구축 또한 탄력을 받은 데 따른 결과로 풀이된다.

2021년 이후 지속된 증가세 꺾이나

13일(현지시각) 기술 분석 기관 테크인사이츠(TechInsights)의 보고서에 따르면 중국의 올해 반도체 제조장비 구매액은 380억 달러(약 55조1,570억원)를 기록할 전망이다. 이는 지난해 구매액 (410억 달러·약 59조6,000억원) 대비 6%가량 감소한 수준이자, 2021년 이후 처음으로 나타나는 감소세다.

테크인사이츠는 “전 세계 반도체 장비 시장이 큰 폭으로 성장하는 가운데 중국의 수요는 눈에 띄게 줄어들고 있다”고 진단하며 “주요 반도체 장비 수출국인 미국의 기술 규제 영향으로 중국의 수입이 막히면서 이러한 결과로 이어질 것”이라고 내다봤다. 바이든 정부 임기에 시작된 대중국 제재 조치가 갈수록 그 범위를 넓히고 있다는 설명이다.

다만 이 같은 반도체 제조장비 구매액 감소에도 중국은 세계 최대 반도체 장비 시장의 위상을 유지할 것으로 보인다. 테크인사이츠는 “중국은 반도체 성숙 공정에 특화된 생산시설 건설을 지속하면서 디스플레이 구동 집적회로(DDIC)와 전력관리 집적회로(PMIC) 등의 공급 과잉이 예상된다”며 “이는 역외 기업들의 수익성에도 일부 영향을 미칠 수 있다”고 분석했다. 나아가 중장기적으로 중국의 반도체 장비 구매도 다시 증가세로 전환할 가능성이 농후하다고 내다봤다. 리소그래피 장비 등 핵심 기술 분야에서 해외 제조업체에 대한 의존도가 여전히 높은 만큼 기술 격차 해소에 상당한 시간이 걸릴 것이란 설명이다.

레거시 장비로 수출 통제 확대 우려

중국은 미국의 반도체 장비 규제가 일본, 네덜란드 등으로 확산한 2023년 하반기부터 본격적인 매입에 나선 바 있다. 첨단 장비는 물론 중국이 전략적으로 집중하고 있는 레거시(구형) 분야로도 미국의 규제가 확대될 수 있다는 우려에서다. 이와 관련해 한 반도체 업계 관계자는 “중국은 그간 동남아, 중동 등 제3국을 통해 장비를 들이거나, 첨단 장비를 레거시라고 속여 미국의 규제를 우회했다”며 “규제가 강화되면 이런 ‘꼼수’마저 막힐 것이라 보고 마구잡이로 장비를 사들인 모양새”라고 전했다.

실제 국제연합(UN) 무역통계 분석 결과 지난해 1분기(1월~3월) 미국, 일본, 네덜란드가 중국으로 수출한 반도체 장비는 134.8% 늘어났다. 금액으로는 56억9,900만 달러 규모로 전년 동기(24억2,700만 달러) 대비 2배 이상 늘어난 수준이다. 특히 네덜란드의 중국 수출액이 2023년 4억6,700만 달러에서 작년 22억5,500만 달러로 1년 사이 383% 뛰었다. 중국이 미세공정에서 가장 애를 먹고 있는 노광 분야 1위 장비회사 ASML이 바로 네덜란드 기업이다.

이 같은 중국의 공격적 사재기는 주요 반도체 제조국들의 장비 구매액이 일제히 감소한 것과 대비된다. 같은 기간 한국의 반도체 장비 구매액은 7% 줄었고, 북미와 일본 역시 각각 33%, 4% 감소했다. 파운드리(반도체 위탁생산) 1위 업체 TSMC 본사가 있는 대만은 66% 급감했다. TSMC는 지난해 실적발표 자리에 파운드리 성장률 전망치를 기존 약 20%에서 10%대 중후반으로 하향 조정한다고 밝히기도 했다.

통상 반도체 산업에서 장비 구매는 후행 지표로 읽힌다. 산업이 호조를 띠면, 제조사들로서는 회전이 빠른 소재와 부품부터 확보하고 장비는 그 이후에 늘리는 구조다. 전 세계적 반도체 장비 구매액 감소 현상을 산업 침체 신호로 해석하는 데는 무리가 있다는 평이 나오는 이유다. 아짓 마노차 SEMI 회장은 “글로벌 반도체 업계 분위기는 여전히 긍정적이고 회복 국면에 접어든 상태”라며 “국가별 공급망 경쟁과 첨단 기술에 대한 수요 증가로 장비 시장은 꾸준히 성장할 전망”이라고 말했다.

중국 장비사 매출 급증, 반도체 자급체제 구축 목전

가파른 증가세를 보이던 중국의 반도체 수입이 돌연 속도를 늦춘 배경에는 장비 자립화가 자리하고 있다. 그간 중국 반도체 장비는 미국, 일본이나 한국 장비보다 기술적으로 뒤처졌다고 평가받았으나 최근에는 상당한 진전을 이룬 것으로 전해진다. 특히 레거시 장비의 경우 사실상 기술 격차가 없다는 것이 업계 중론이다.

이를 뒷받침하듯 중국 장비사들의 실적 역시 일제히 상승세다. 중국 최대 반도체 장비사 북방화창(나우라)은 지난해 3분기 기준 누적 매출이 약 3조9,415억원을 기록, 전년 대비 39.5% 증가했다. 북방화창 관계자는 “장비 매출이 급격히 증가했을 뿐 아니라 원가율도 하락해 수익성이 높아졌다”고 설명했다. 같은 기간 화하이칭커 역시 33.2% 증가한 약 4,747억원의 매출을 올렸으며, 중웨이반도체(AMEC)는 약 1조665억원의 매출을 기록하며 전년 대비 36.3% 성장세를 그렸다. 이 가운데 AMEC이 경우 식각 장비 매출이 전년 동기 대비 53.8% 증가했는데, 식각 장비는 미국 반도체 장비사 램리서치가 주력하는 분야기도 하다.

엑시노스2500 제품 최적화 돌입
하반기 ‘갤럭시 Z폴드7’ 탑재 추진
낮은 수율에 개발·생산 일정 줄줄이 변경

삼성전자가 모바일 애플리케이션 프로세서(AP) 엑시노스 시리즈의 부활에 팔을 걷어붙였다. 올 하반기 출시되는 삼성전자 플래그십 스마트폰 탑재를 위해 품질을 일부 낮추더라도 양산품 생산율 높이기에 주력하겠다는 구상이다. 이는 경쟁사 퀄컴에 캡티브(내부 고객사)마저 빼앗긴 흑역사를 되풀이하지 않겠다는 의지로, 시장에서는 오랜 시간 삼성전자 파운드리의 발목을 잡아 온 수율(생산품 중 정상품 비율) 문제가 해소될지 주목하는 모습이다.

품질 고집 내려놓고 수율 향상에 주력

14일 IT업계에 따르면 삼성전자는 최근 3나노미터(nm, 1nm=10억분의 1m) 공정을 적용한 AP 엑시노스2500의 제품 최적화 작업에 돌입했다. 연내 출시 예정인 플래그십 폴더블 스마트폰 갤럭시 Z폴드 7에 탑재하기 위해서다. 특히 삼성전자는 엑시노스2500의 사양을 일부 하향 조정하는, 이른바 ‘다운그레이드’를 추진 중인 것으로 알려졌다. 그간 낮은 수율이 문제점으로 지적돼 온 만큼 품질을 다소 포기하더라도 안정성과 완성도를 높이겠다는 복안이다.

엑시노스는 삼성전자 LSI시스템 사업부가 개발하고 파운드리 사업부에서 생산하는 제품이다. 앞서 삼성전자는 2022년 엑시노스를 탑재한 갤럭시S22가 발열 등 문제를 일으키자, 이듬해 엑시노스 탑재를 포기한 바 있다. 이 때문에 업계에서는 삼성전자가 AP 개발을 포기할 것이라는 이야기까지 나왔으나, 지난해 출시한 갤럭시S24 시리즈에 엑시노스와 퀄컴 AP를 병용하며 이 같은 소문은 일단락됐다.

하지만 불과 1년 만에 S25 탑재가 불발되면서 다시 위기설에 불을 붙였다. 이 같은 굴욕의 배경에는 낮은 수율 문제가 자리하고 있다. 엑시노스는 3nm 파운드리 공정 양산이 예정돼 있었지만, 수율이 목표치에 미달하면서 스마트폰(MX) 사업부의 선택을 받지 못한 것이다. MX는 S25 시리즈에 엑시노스 대신 퀄컴의 ‘스냅드래곤8 엘리트’를 전량 탑재했다.

업계에서는 삼성전자의 3nm 공정 수율이 30%대로 올라왔다는 관측도 있었지만, 실제로는 20%대에 머문 것으로 파악됐다. 통상 제조업에서는 수율이 60% 이상을 유지해야 양산이 가능한 것으로 평가한다. 한 반도체업계 관계자는 “엑시노스2500의 경우 수율 제고가 관건”이라고 짚으며 “올해 상반기는 지나야 폴더블폰 탑재 여부를 확인할 수 있을 것으로 보인다”고 전했다.

경쟁사 TSMC는 ‘승승장구’

일각에선 삼성전자가 엑시노스 생산을 자사 파운드리가 아닌 대만 TSMC에 맡길 것이라는 전망이 제기되기도 했다. IT 팁스터 주칸로스레베(Jukanlosreve)는 지난해 11월 자신의 소셜미디어 X(옛 트위터)에 “삼성이 TSMC와 협력해 엑시노스 생산을 고려 중”이라고 주장했다. 이전에도 주칸로스레베는 삼성전자와 TSMC 3nm 공정에 대한 수율 차이를 줄곧 언급해 왔다. 삼성전자의 3nm 2세대(SF3) 수율이 20% 수준인 반면, TSMC 3nm 2세대(N3E) 공정 수율은 82~86%에 달한다는 지적이다.

이처럼 삼성전자 파운드리가 고전하는 동안 TSMC는 글로벌 ‘큰손’ 들을 고객사로 유치하며 입지를 강화했다. 테슬라는 향후 휴머노이드 로봇 구동을 위한 인공지능(AI) 슈퍼컴퓨터 ‘도조’에 탑재할 차세대 반도체 칩을 TSMC와 협력해 생산한다는 방침을 세웠으며, 오픈AI도 AI 칩 설계를 마치고 TSMC에 생산을 의뢰한 상태다. 오픈AI는 이달 초 샘 올트먼 최고경영자(CEO)가 방한 일정 중 삼성전자 서초사옥을 방문해 이재용 회장과 회동하면서 파운드리 협력 가능성에 무게가 실렸지만, 결국 TSMC와의 협업을 선택했다.

삼성전자 파운드리와 오랜 시간 동행해 온 구글도 TSMC로 돌아섰다. 구글은 지난 2021년부터 삼성전자와 반도체 동맹을 맺고 자사 스마트폰 ‘픽셀’ 시리즈에 탑재하는 ‘텐서’ 칩을 공급받아 왔다. 삼성전자 시스템LSI 사업부가 개발하고, 파운드리 사업부가 최첨단 공정을 적용해 생산하는 방식이다. 하지만 올해 출시 예정인 픽셀10에는 TSMC N3E 공정으로 생산한 텐서5를 탑재한다. 최근에는 차기 AP 텐서6까지 TSMC에 위탁하며 새로운 반도체 동맹을 공고히 했다. 삼성 파운드리 위기설이 주기적으로 되풀이되는 이유다.

수율 이슈 반복되며 적자 폭도 확대

삼성전자 파운드리의 위기는 곳곳에서 드러난다. 6세대(1c) D램 또한 엑시노스와 마찬가지로 수율이 발목을 잡고 있는 것이다. 삼성전자는 지난해 10월 1c D램의 굿다이(정상 작동 칩)를 확보하며 기술 개발에 성공했다고 선언했다. 하지만 원하는 수율을 확보하지 못하며 개발 완료 시점을 지난해 12월에서 올해 6월로 수정했다. 1c D램의 생산 일정이 변경되면서 고대역폭메모리(HBM) 생산에도 차질이 예상된다. 애초 삼성전자는 1c D램을 올해 하반기 양산에 들어가는 6세대 HBM4에 적용한다는 계획을 세우고 있었다.

이처럼 위기가 반복되는 동안 실적도 악화일로를 걸었다. 공시에 의하면 삼성전자 파운드리와 시스템LSI 사업부는 지난해 약 5조1,800억원의 영업손실을 기록했다. 파운드리 실적만 따로 집계되지는 않지만, 증권가는 약 4조원의 영업손실을 낸 것으로 추정했다. 이는 2023년 약 2조원의 영업손실에 비해 배로 늘어난 수준이다.

업계는 엑시노스2500의 성공이 삼성전자 파운드리의 명운을 가를 것으로 보고 있다. 다만 대내외적으로 주요 고객사를 확보하지 못한 상황에서 캡티브 수주도 확신하기 어려운 만큼 돌파구는 필수라는 지적이다. 익명의 업계 관계자는 “현재 주요 기업들이 구매 문의를 하지 않아 삼성전자가 직접 빅테크들에게 보낼 제안용 샘플을 제작하고 있는 것으로 안다”고 전하며 “적자 개선을 위해서는 수율 정상화도 시급한 상황”이라고 말했다.

'양자 인터넷' 시대 개막 알리는 신호탄
기존 기술 활용, 양자 시스템 구축 및 확장 가능성 제시
양자 컴퓨팅, 미래 산업 판도를 바꿀 핵심기술로 주목

옥스퍼드대학교 물리학과 연구팀이 세계 최초로 두 개의 독립적인 양자 프로세서를 하나로 연결하는 데 성공했다. 이번 연구는 기존 양자 컴퓨팅의 물리적 한계를 뛰어넘어 대규모 연산이 가능한 양자 슈퍼컴퓨터를 개발할 수 있는 새로운 방법을 제시할 것으로 주목받고 있다.

옥스퍼드대 연구진, 두 개의 양자 프로세서 하나로 연결

13(현지시간) 영국 일간 인디펜던트는 옥스퍼드대학 연구진이 양자 슈퍼컴퓨터로 '양자 순간이동'에 성공하며 양자 컴퓨팅 분야에 획기적인 진전이 이뤘다고 보도했다. 이번 연구 결과는 저명한 학술지 네이처에 '광 네트워크 링크를 통한 분산형 양자 컴퓨팅'이라는 제목으로 게재됐다.

논문에 따르면 연구팀은 두 개의 독립적인 양자 프로세서를 광섬유 네트워크를 통해 연결해 단일 양자 컴퓨터를 구축하는 데 성공했다. 기존의 양자 컴퓨터는 모든 큐비트가 하나의 단일 시스템 안에 존재해야 했으나, 이번 연구에서는 여러 개의 작은 양자 프로세서를 결합해 하나의 강력한 연산 장치처럼 동작하도록 했다. 연구팀은 이런 방식을 통해 기존의 양자 컴퓨터에서 큐비트 수를 늘릴 때 발생하는 물리적 한계를 극복할 해결책이 될 수 있을 것이라고 밝혔다. 특히 실험을 통해 분산된 양자 프로세서 간 양자 얽힘을 생성하고, 이를 기반으로 연산을 수행하는 데 성공했다고 설명했다.

분산 양자 컴퓨팅의 핵심 기술 중 하나는 바로 양자 순간이동(Quantum Teleportation)이다. 양자 순간이동은 두 개의 얽힌 큐비트 간 정보를 즉각 전송할 수 있는 기술로, 광섬유 네트워크를 통해 멀리 떨어진 양자 프로세서 간에도 연산을 수행할 수 있도록 한다. 연구팀은 이를 활용해 물리적으로 분리된 큐비트 간 논리 연산(게이트 연산)을 성공적으로 수행했다. 단순 정보 전달이 아닌, 양자 상태 자체를 전송해 멀리 떨어진 두 개의 프로세서가 하나의 시스템처럼 동작할 수 있도록 한 것이다. 이는 기존의 양자 컴퓨터에서 같은 칩 내부에서만 가능했던 연산을 네트워크를 통해 수행할 수 있다는 점에서 큰 의미를 가진다.

연구팀은 실험에서 그로버 검색 알고리즘을 실행해 분산 양자 컴퓨터가 실제로 계산을 수행할 수 있음도 입증했다. 그로버 알고리즘은 대규모 데이터 검색 속도를 획기적으로 개선할 수 있는 양자 알고리즘으로, 기존의 고전적인 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 데이터를 검색할 수 있다. 실험 과정에서 두 개의 독립적인 양자 프로세서가 협력해 양자 얽힘을 유지하면서 그로버 알고리즘을 수행했으며, 이 과정에서 분산된 양자 프로세서가 동기화된 방식으로 연산을 수행하고, 기존의 단일 양자 프로세서와 동일한 수준의 정확도를 유지했다.

연구팀은 이번 연구가 단일 양자 컴퓨팅에서 네트워크형(분산형) 양자 컴퓨팅으로의 전환 방향을 제시할 것이라고 의미를 설명했다. 특히 분산 양자 컴퓨팅은 양자 인터넷(Quantum Internet)과 연계돼 더욱 강력한 보안과 확장성을 갖춘 네트워크 환경을 제공할 수 있을 것이라고 강조했다. 양자 인터넷은 기존 인터넷보다 보안성이 월등히 높아 해킹이 불가능한 초고속 데이터 통신이 가능한 기술로 평가받고 있다.

2022 노벨 물리학상 "양자 얽힘 연구, 양자 순간 이동 발견"

양자 순간이동은 지난 2022년 세 명의 물리학자에게 노벨상의 영예를 안겨준 주제다. 미국 물리학자 존 클라우저(John Clauser)와 그의 프랑스 동료 알랭 아스페(Alain Aspect)는 광자의 얽힘을 명확하게 보여주기 위한 테스트를 개발했고, 비엔나 대학의 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)는 얽힘을 처음으로 전송해 양자 통신의 전제 조건을 만들었다.

세 명의 수상자들의 연구 성과는 1960년대에 존 벨이 개발한 ‘벨의 부등식’이 성립하는지 여부를 실험으로 증명했다는 데 있다. 그러나 벨은 역설적으로 양자 역학의 허점을 찾기 위해 이 실험식을 고안한 것으로 알려져 있다. 벨의 부등식이 나오게 된 양자 역학 논쟁은 EPR(아인슈타인과 포돌스키, 로젠의 앞 글자를 딴 약칭) 역설로 거슬러 올라간다.

아인슈타인 등이 1935년 논문에서 주장한 논리의 취지는 이렇다. 그들은 입자 A와 입자 B가 상호작용을 한 뒤 멀리 떨어뜨려 놨을 때 A의 상태를 측정하는 순간 B의 상태가 결정된다면 측정된 A의 정보가 B에게 전달돼야 하는데, 두 입자 사이 거리가 수십광년 떨어진 곳에 있다고 가정할 경우 정보의 전달 속도는 빛의 속도를 넘어서지 못해 ‘즉시’ 전달될 수 없다는 역설이 발생한다는 점을 지적했다. 이것이 곧장 전달된다는 것을 아인슈타인은 “유령과 같은 원거리작용(spooky action-at-a-distance)”이라고 표현했다. 대신 A와 B의 상태를 처음부터 결정하게 한 숨은 변수가 있을 것이라는 가설을 세웠다. 이들의 이론을 숨은 변수(숨겨진 변수)라고도 부르는 배경이다.

여기서 첫 번째 수상자인 클라우저가 등장한다. 그는 이를 실험적으로 증명하기 위한 벨 부등식이 나오자 이를 입증하기 위한 또 다른 실험이 시작했다. 실제 실험은 양자 역학이 맞고, 아인슈타인 등이 틀렸다는 결과가 나왔다. 클라우저는 벨의 아이디어를 실현 가능한 실험으로 발전시켜 측정했고 그 결과 벨의 등식을 분명히 위배한 결론이 도출돼 ‘양자 역학’을 지지했다. 다만 클라우저 실험에는 일부 허점이 있었고, 그 실험 후에도 여전히 해결되지 않은 문제가 있었다. 이에 두 번째 수상자인 아스페는 1981년 클라우저 실험의 중요한 허점을 차단하는 실험을 고안하는 데 성공했다. 이와 함께 세 번째 수상자인 차일링거도 정교한 도구를 통해 양자 상태를 한 입자에서 멀리 떨어진 다른 입자로 이동할 수 있는 양자 원격 전송이라는 현상을 증명했다.

중국, 1,200km 장거리 양자 순간이동 실험 성공

앞서 중국도 양자 순간이동 실험에 성공했다. 중국과학원(CAS)은 지난 2023년 양자 통신 위성 '묵자(墨子·Micius)호'를 활용해 1,200km 이상되는 거리에서 양자 정보를 순간이동시켰다. 당시 양자 순간이동 시스템에서의 주요 실험적 과제는 벨 상태 측정(BSM)을 실행하는 것이었다. 양자 순간이동이 성공적으로 이뤄지고 BSM의 효율성이 향상되려면, 광섬유를 통해 장거리로 전송된 후 찰리가 앨리스와 밥의 광자를 구별하지 못하게 해야 한다. 과학자들은 해킹이나 도청이 불가능한 양자 암호통신인 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 빛보다 빨리 옮기는 원격전송을 찰리와 앨리스, 밥으로 설명한다. 앨리스의 정보를 밥에게 주면 밥과 친한 찰리가 앨리스처럼 변하는데 결국 앨리스가 찰리를 거쳐 전송된다. 즉 원격전송은 '양자 정보'만 전송한다는 의미다.

아울러 연구팀은 광자의 경로 길이 차이와 편광의 신속한 안정화를 위한 효과적인 피드백 시스템을 성공적으로 개발했다. 또한 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위해 섬유 피그테일 주기적 극화 리튬 니오베이트 도파관의 단일 조각을 사용했다. 이를 바탕으로 순간이동 시스템에 사용될 500MHz(메가헤르츠)의 반복률을 가진 고품질의 양자 얽힘 광원이 개발됐다.

이 같은 양자광학 기반의 고속 양자 순간이동을 위해서는 많은 이벤트를 수집할 수 있는 강력한 광자 센서가 필요하다. 리싱유 교수가 이끄는 연구팀은 포톤 기술회사와 협력해 고성능 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기를 실험에 활용했다. 효율이 뛰어나고 노이즈가 거의 없는 이 검출기의 장점을 활용해 고효율 BSM과 양자 상태 분석을 구현한 것이다. 이와 더불어 연구팀은 양자 상태 단층 촬영과 미끼 상태 방법을 함께 사용해 순간이동 충실도를 계산했는데, 이는 고전적 한계(66.7%)를 훨씬 초과해 고속 대도시 양자 순간이동이 달성됐음을 확인했다.

연구팀은 이렇게 개발된 인프라가 양자 인터넷의 실질적인 활용을 더욱 가속화하는 데 기여할 것이라고 예상하고 있다. 실제 양자통신은 정보 보안의 새로운 패러다임을 제시하는 차세대 통신 방법으로 주목받고 있다. 양자통신은 전파를 사용하는 대신, 레이저를 통해 암호화된 광자를 전송한다. 광자, 즉 빛의 최소 단위는 조작되면 속성이 변경돼 중간에서 정보의 도청이나 간섭이 발생하면 암호 키가 손상되는 탓에 원본 내용을 복원할 수 없게 된다. 이 같은 특성으로 인해 양자통신은 정보 보안이 중요한 금융, 군사 통신 등의 핵심 기술로 주목받고 있다.