본 글은 [ 반도체 사업부문 (IDM/fabless/foundry 등)에 따른 구분, market share 및 기업별 특징 ]을 주제로 작성했던 보고서의 내용입니다.
반도체 분야 사업의 큰 그림을 이해하고, 공부하려는 목적이 컸습니다.
<목차>
1. 반도체 생태계(반도체 사업 부문)
a. IDM 종합 반도체 기업
b. 펩리스 fabless
c. 파운드리
d. 디자인 하우스
e. IP
f. OSAT
2. 각 사업 부문별 시장 점유율 및 특징
a. IDM
b. 파운드리
c. 장비 공급 기업
d. 펩리스 기업
3. 참고자료 및 관련 주제 참고하면 좋을 영상
반도체는 기획부터 세상에 나오기까지 다양한 공정을 거치며, 기술이 점점 복잡해짐에 따라서 여러 사업 부문으로 세분화되었다. 이에 본 보고서에서는 반도체 생태계를 이루는 주요 사업 부문을 정리하고, 각 부문에서의 주요 기업들의 특징과 시장 점유율을 분석하였다. 분량 상 많은 기업을 모두 다루기 어려워 국내 기업들이 강점을 가진 부문에 대해 집중적으로 조사했다. 또한 큰 비율을 차지하는 대기업을 중심으로 반도체 산업의 큰 흐름과 주요 동향을 파악하고자 하였다. 이에 짧은 역사적 배경과 산업의 전반적인 맥락도 포함하였다.
1. 반도체 생태계: 반도체 사업 부문
a. IDM (종합 반도체 기업)
설계부터 생산, 조립, 검사, 유통의 전체적인 분야를 종합적으로 갖춘 기업을 말한다. 웨이퍼 생산 설비를 갖추고 있으며, (반도체 설계, 웨이퍼 가공, 패키징, 테스트등의) 반도체를 만드는 일련의 과정을 모두 진행한다. 경쟁력이 강하지만, 시설 투자가 많이 필요하고 운영 비용이 크다. 대표적인 기업으로는 삼성전자, Intel, Texas Instruments 등이 있다.
b.팹리스 회사
fabless의 fab은 반도체를 제조하는 생산 시설을 의미한다. 따라서 팹리스 회사는 반도체를 생산하지 않는 회사를 의미한다. 반도체 칩 설계를 전문적으로 하며, 주로 시스템 반도체를 맡는다. 공장설비나 제조 비용에 대한 부담이 적지만, 설계를 혁신적으로 함으로써 경쟁력을 갖춰야 한다. NVIDIA, Qualcomm, AMD 등의 기업이 있다.
c.파운드리 회사
반도체 생산 설비를 보유하고 있으며, 위탁받은 반도체를 생산하는 기술 서비스 회사이다. fab을 운영하기 위해선 수십조 원의 투자 비용이 들며, 끊임없이 공정 기술을 개발하는 등의 높은 생산기술이 필요하다. 이에 모든 회사가 fab 시설을 갖출 수 없기에 위탁받아 생산하는 파운드리 회사가 이를 담당한다. TSMC, Samsung Foundry, GlobalFoundries, sk hynix system IC 등이 있다.
d.디자인 하우스
칩을 설계하는 팹리스 회사와 생산하는 파운드리 회사의 중간 단계에 있다고 생각할 수 있다. 팹리스 기업이 설계한 반도체 설계 도면을 파운드리 생산 공정에 적합하도록 도면을 제작하는 역할을 한다. 팹리스에서 설계한 회로 도면을 실제 제품으로 만들 수 있도록 설계에 최적화시키고 구체화하는 것이다. 효율성을 높여주는 역할을 맡고 있다.
e.IP
미리 만들어둔 회사의 반도체 설계 기술을 팹리스 회사에 제공하고 IP 사용료를 받는 형태의 회사이다. IP 회사를 통해 받은 설계 블록을 통해 팹리스 회사는 설계 기간을 단축시킬 수 있다. 대표적인 기업은 ARM으로, 전 세계 스마트폰 CPU의 90% 이상에 사용되는 설계 기술을 제공하며, NVIDIA, Qualcomm, Apple 등 거의 모든 팹리스가 ARM IP를 사용한다.
f. OSAT
생산한 반도체를 최종 제품의 형태로 만든 회사이다. 만들어져 온 반도체의 회로를 테스트하고 패키징 하는 등의 반도체 후공정을 전문적으로 진행한다. 삼성전자나 TSMC 같은 대기업도 OSAT 서비스를 자체적으로 수행하지만, 생산량이 많을 때는 외부 OSAT 기업에 일부 공정을 의존하기도 한다.
2. 각 사업 부문별 시장점유율 및 특징
a. IDM
삼성, sk 하이닉스, 마이크론, 총 3가지 회사가 가장 많은 비율을 차지하며 경쟁해오고 있는 것을 살펴볼 수 있다. 2013년 이후로 DRAM 시장의 약 90% 이상을 세 회사가 차지하고 있다. 그리고 세 회사 모두 메모리 반도체 시장에서 큰 비중을 차지하고 있다.
국내 반도체 대기업이 메모리 반도체(DRAM)에 집중하게 된 이유로는, 한국이 반도체 시장에서의 후발 주자였다는 점과 관련이 있다. 메모리 반도체는 시스템 반도체보다 비교적 단순한 구조를 가지고 있기 때문에, 1980년 당시 시스템 반도체에 비해 초기 진입 장벽이 낮아 경쟁에서 빠르게 자리를 잡기에 유리했기 때문이다. 이에 SK하이닉스와 삼성전자가 정부의 지원을 받으며 DRAM의 대량 생산기술과 원가 절감을 통해 경쟁력을 갖춰나갔다.
시장 점유율 1위인 삼성전자는 45~50% 수준의 점유율을 안정적으로 유지해오고 있다. 대량 생산을 통해 낮은 가격으로 많이 파는 박리다매 전략을 쓴다. 이를 잘 보여주는 것이 1990년 후반에 있었던 치킨게임인데, 생산 절감을 절감해 저가 공세를 펼친 삼성전자가 DRAM 시장의 70% 이상을 차지했던 일본 기업들의 우위에 서게 되었다.
이어서 SK 하이닉스가 2위를 차지하고 있고 점유율은 27~30% 정도의 수준이다. 삼성과의 격차를 좁혀나가고 있다. 서버 및 클라우드 시장을 공략한 점, 4D NAND 기술 개발, 2020년 인텔의 NAND 사업 인수, DRAM 부분에서 세계 최초 DDR5 출시가 영향을 주었다.
마이크론은 20% 내외의 점유율을 유지하고 있으며, 고부가 가치 제품에 집중하고 있다. 극한 환경(온도, 습도, 처리해야 하는 많은 데이터 등)과 긴 작동 시간에도 안정적인 성능을 유지해야 하는 고신뢰성 DRAM을 만든다. 예시로 데이터 센서와 자동차용 DRAM이 있다. 이는 높은 기술력과 품질 관리가 중요하기 때문에 진입 장벽이 높은 편이라서, 마이크론의 경쟁력이 될 수 있었다. 또한 마이크론은 미국 내 유일하게 DRAM 생산 기업이라서 미국 정부의 지원을 받기도 한다.
최근에는 AI 기술 발전으로 인해 고대역폭 메모리 HBM이 중요해지면서, 경쟁구도의 변화를 주었다. HBM은 메모리에서 한 번에 빼낼 수 있는 정보 양이 많아 다른 메모리 반도체보다 빠르게 데이터를 주고 받을 수 있는 고성능 반도체이다. 시장조사에 따르면 HBM 매출 비중이 2022년 2.6%에서 2025년에는 30%를 넘길 것으로 예상하는 만큼, 시장 수요가 많이 증가하고 있다. HBM 시장 점유율만 보면, hynix가 1위로 삼성전자보다 높다. 이는 HBM 개발 역사를 통해 이유를 찾을 수 있다. 우선 hynix가 2013년 업계최초로 HBM을 개발했다. 이후 삼성전자도 늦지 않게 2016년 2세대 HBM(HBM2) 양산을 성공하고 2019년에는 다음 세대인 HBM2E 양산도 했다. 그리고 2020년에 hynix가 3세대를 양산했다. 이렇게 서로 HBM 부분에서 경쟁하고 있었는데, 당시 HBM은 ‘오히려 과잉스펙’이라는 말이 나올 정도로 수요가 많지 않았다. 이에 삼성은 HBM 관련 개발팀을 축소했지만 hynix는 꾸준히 연구 개발을 이어갔다. 그리고 시장 수요가 많아진 현재, hynix가 우위에 서게 되었다. 그렇지만 삼성전자와 hynix의 HBM을 만들기 위해 램을 쌓아올리는 방식에 차이가 있어, 장기적으로도 우위를 차지할 것이라고 단정짓기 어렵다. 쌓아야 하는 램의 개수도 늘어나고 있다는 것도 하나의 변수가 될 수 있다. 또한 마이크론도 세계 최대 AI 반도체 기업 엔비디아에 HBM을 공급하고 있고 있는 등 경쟁력을 키우고 있다.
b. 파운드리
TSMC가 파운드리 영역에서 1위를 차지하고 있고, 2위로는 국내 기업인 삼성전자 파운드리가 있다. 삼성전자는 파운드리 사업부를 키우려고 노력하고 있는데, 그 이유는 갈 수록 시스템 반도체가 중요해지고 있기 때문이다. 실제로 AI 기술이 발전하고 시장이 커짐에 따라서 메모리 반도체의 수요도 늘어나지만, 저전력을 쓰면서 복잡하고 많은 데이터를 처리해야 하기에, 데이터를 연산, 처리하는 시스템 반도체 수요가 압도적으로 커지고 있다. 레거시 공정보다는 첨단 공정에서 기업들간의 경쟁이 치열하다고 생각하여 관련해서 개발하고 있는 부분을 중점적으로 하여 살펴보았다. (고부가가치 시장이면서 대형 고객사의 수주할 수 있는 부분이기 때문이다.)
세계 최초의 파운드리 회사는 대만의 TSMC이다. 창업자 머리스 창은 커지는 반도체 시장에서 한 기업이 모든 과정을 전담하지 않고, 생산만 전담하는 기업이 있다면 다른 기업이 설계에 전념할 수 있을 것이라고 생각했다. 그럼 진입 장벽이 상대적으로 낮아져서 많은 설계 기업이 생길 것이며, 이는 또 다시 생산 전담 기업의 수입 증가로 이어질 것이라고 예측했다. 실제로 TSMC는 현재 파운드리 시장 점유율 1위로 55~60%의 비율을 차지하고 있다. 대만아 공장 부지와 노동력이 저렴하다는 점을 잘 이용해 TSMC가 경쟁력을 확보할 수 있었다.
현재 TSMC는 2025년 2nm 공정 양산에, 2026년에는 1.6nm(A16) 공정 양산에 들어갈 계획을 갖고 있다. N2 시리즈(N2, N2P, N2X)는 GAA 트랜지스터를 기반으로 한다. 현재 대만 내의 2nm 팹 3개를 건설하여 양산 준비를 마치고 있고, 2025년에는 본격적인 생산에 들어갈 것으로 보인다. A16은 후면 전력 전달 네트워크(BSPDN)을 통해 성능을 향상시키고자 한다. BSPDN(후면전력공급)은 전류 배선층을 웨이퍼 후면에 배치해 전력과 신호 라인의 병목 현상을 개선하는 기술이다. 회로와 전류 배선층이 모두 웨이퍼 위에 배치되면 회로를 위한 공간이 줄고, 서로간의 간섭이 생겨서 성능이 떨어질 수 있는데 이러한 부분을 최소화할 수 있다. 이는 더 높은 성능 및 전력 효율성으로 데이터센터 급의 AI 전용 프로세스에 적합하다. 2N 시리즈는 SHPMIM capacitor로 트랜지스터 성능을 향상시키는 방향이었다.
삼성전자는 2024년 3분기 기준으로 2위로, 12%의 점유율을 차지한다. 3nm 공정에 GAA 트랜지스터 기술을 최초로 적용하였고, 2나노에도 이를 지속 적용할 예정이다.
삼성전자 또한 BSPDN 기술을 적용하고자 하며, 이를 적용한 2나노 공정(SF2Z, 2024 6월 행사에서 공개)을 2027년까지 준비하는 계획을 갖고 있다. 또한 1.4나노 공정을 2027년 양산하려고 한다. 4나노는 국내 팹리스와 DSP의 수요가 많은 부분인데, 이번에 발표한 신규 공정인 4나노 SF4U를 통해 기존 공정 대비 광학적 축소를 할 예정이며 2025년 양산을 예상하고 있다. 자체적으로는 나노 기술 공정을 통해 AP / FR / DDI / PMIC / ISP 반도체를 생산하며, 반도체 각 종류마다 사진2와 같은 양산 계획을 갖고 있다.
삼성전자는 IDM 회사로 파운드리 외에도 메모리, 어드밴스드 패키지 사업을 모두 보유하고 있다는 차별화된 장점이 있다. 이는 세 개의 분야간의 협력으로 고객의 공급망을 단순화하는 등의 편의를 제공할 수 있으며, 시장에 빠르게 출시할 수 있도록 돕는다. 삼성의 통합 AI 솔루션을 활용하면 팹리스 고객은 각 과정별로 다른 업체에 맡기는 것보다 개발부터 생산에 걸리는 시간을 약 20% 정도 단축할 수 있다고 한다. 삼성전자는 2027년에 이 통합 AI 솔루션에 광학 소자까지 통합하는 목표를 갖고 있다. 삼성전자의 주요 고객사는 AMD, 그로크, ARM, 셀레스트리얼 AI 등이 있다.
6% 정도를 차지하는 3위는 SMIC는 중국 기업이다. 작년까지만 해도 5위였지만 급격한 성장을 하고 있어 주목할 필요가 있다고 생각해 조사해보았다. SMIC는 중국 내 주된 매출을 차지하고 있으며 비중은 81.6% 정도이다. (중국이 전 세계 반도체의 50% 가량을 소비한다는 점에서 이는 큰 수치이다.) 이는 중국 정부가 반도체 부품 및 장비, 소재에 대해 국산화하려는 정부의 노력(미국의 수입 제재에 대응하기 위함.)과 자국 업체끼리의 협력이 영향을 주었을 것이라 생각한다. TSMC와 삼성전자에 비해 선단공정 양산 경험이 부족하지만, 5나노 공정 개발에 성공하는 등의 성과를 내고 있다. 첨단 공정보다 레거시 공정에 더 집중하고 있는 것으로 보인다.
외에도 SK hynix system IC이 있는데, 이 기업은 2010년부터 파운드리 사업부에서 나왔다. 다품종 소량생산 체제로 시스템 반도체를 위탁생산하고 있으며, 주요 제품은 DDI, PMIC, CIS이며 최대고객은 LG(LG의 DDI를 생산)이다.
c. 장비 공급 기업
수업 시간에 EUV를 배울 때 장비 관련 영상을 본 것이 인상 깊어서 더 찾아보기로 하였다. 파운드리 사업에서 최신 장비를 확보하는 것이 중요하기 때문에 이런 기업에 많은 자본을 투자하는 편이다. 장비공급 사업부문의 글로벌 시장에서 봤을 때, 국내 기업의 비율이 높은 편은 아니지만 국내 반도체 제조사와 긴밀하게 협력하거나 메모리 반도체 공정에 특화된 장비를 제공하는 등의 방식으로 경쟁력을 확보하고 있다. ASML과 국내 기업 하나를 조사해보았다.
ASML은 네덜란드 회사로, 7nm 이하 미세 공정에 필수적인 EUV 노광 장비에 대한 시장을 사실상 독점하고 있다. 첨단 장비는 생산하기도 어렵고 공급량이 제한적이기 때문에, 기업 간에 장비를 확보하기 위한 경쟁이 이루어진다.
주성 엔지니어링은 반도체 ALD, CVD 장비를 만든다. 초미세 DRAM, 200단 이상의 3D NAND, 10nm 이하의 logic 등 모든 반도체 공정에서 극한의 조건에서도 300도 이하 저온에서 우수하고 균일한 막질 형성이 가능하다. SK 하이닉스, 삼성전자 등 IDM 기업뿐 아니라 파운드리 업체에도 장비를 공급한다. 경쟁사는 국내에선 TES, 원익 IPS이, 국외로는 AMAT(미국), TEL(일본) 등이 있다.
d. 팹리스 기업
팹리스 기업은 미국(68%, IC 인사이츠 자료 참고), 대만(21%) 기업이 주를 이루고 있고 한국의 점유율(1%)은 상대적으로 낮은 편이다. 그 중 엔비디아는 전세계 반도체기업 시가총액 상위에 있으며, 국내 기업에 주는 영향력도 큰 편이라고 생각하여, 엔비디아에 대해 조사해보았다.
엔비디아는 GPU(그래픽 처리 장치) 시장에서 80% 정도를 차지하고 있는 기업이다. 사실 그래픽 카드 시장은 원래 3dfx가 시장을 잡고 있었는데, 기술 발전이 늦어지고 전략적인 실패하면서 엔비디아가 경쟁에서 이기게 되었다. 3dfx를 제치고 인수까지 하게 된 과정을 통해 반도체 사업에서 사업적인 전략과 기술 개발 기간을 단축하는 것이 중요하다는 것을 살펴볼 수 있었다.
그래픽 연산 처리에 특화된 최초의 그래픽 칩인 MV1을 출시하였지만, 성능에 비해 비싼 가격으로 잘 팔리지 않았다. 그래서 엔비디아는 위기를 겪게 되었고, 남은 자금을 경쟁력 있는 3D에 집중하기로 했다. 이에 리바 128을 출시했고, 이후로 빠르게 성장하기 위해서 개발 기간을 줄이고자 했다. 샘플 테스트를 하지 않고 사전에 시뮬레이션을 하고 문제점을 잡은 후, 생산에 돌입하는 새로운 방식으로 개발 기간 단축 뿐만 아니라 저렴한 비용으로 경쟁사와 거리를 벌렸다. 한편 3dfx는 칩 설계부터 그래픽 카드 생산까지 하려는 목적으로 제조 기업을 인수했는데, 이는 오히려 실패로 이어졌다. 이에 엔비디아가 경쟁에서 이기게 된다. 이렇게 파업 직전 상황에서 과감한 방식을 시도하면서 우위를 차지하고 있는 엔비디아는, 현재 그래픽 칩 뿐만 아니라 Al 칩까지 범위를 늘렸다.
엔비디아 외에도 팹리스 기업으로는 Broadcom, AMD, Intel 등이 있다. 전체 반도체 시장에서 약 30~40% 정도를 차지하고 있는데, 이는 창업 비용 및 기술적 부담이 비교적 낮고, 부가가치가 높은 사업 구조라는 점 / AI, 자율주행 등의 새로운 시장에 의해 팹리스 기업 설계 역량이 중요해졌다는 점 등의 요인이 영향을 주었을 것이라고 생각한다.
본 보고서를 통해 반도체 산업이 세분화되어 있으며, 각 사업 부문이 서로 상호 의존적으로 영향을 주고받음을 확인하였다. 특히, 국내 기업들은 메모리 반도체를 중심으로 높은 시장 점유율을 유지하고 있으며, 시스템 반도체의 중요성이 커짐에 따라 사업 확장을 위한 노력을 지속하고 있음을 알 수 있었다. 반도체 시장의 큰 흐름과 주요 동향을 파악하고, 헷갈렸던 반도체 종류나 사업 구분을 명확히 이해할 수 있었다. 또한, 각 사업 부문에서 기업들이 시장 점유율을 확보하기까지의 과정과 특징을 살펴보며 반도체 생태계의 구조적 특성을 이해할 수 있었다.
3. 참고자료 및 관련 주제 공부하기 영상
https://youtu.be/cINdTyn2T4s?si=76nvHh9tWlD8j473
https://youtu.be/VIkS0YV-AS0?si=r8yd0Ef8F-io46_K
https://youtu.be/jY6LCiXNtxs?si=SpKnWxGcTjLDslZW
