'뜨거운 아이폰' 논란에 TSMC 아성 흔들?…파운드리 지각변동 오나

아이폰15 프로 등 탑재 모바일 칩 'A17 프로' 발열 문제
해당 모바일 칩은 TSMC 3nm 핀펫 공정으로 제조
삼성·인텔, TSMC 악재 계기로 파운드리 기회 잡을 지 관심

애플 아이폰15 발열 원인으로 대만 TSMC 3나노(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 공정 기술이 지목되면서 반도체 업계가 들썩이고 있다. 선단 공정을 제대로 구현하지 못한 TSMC와 이 문제를 제대로 잡지 않고 서둘러 신제품을 내놓은 애플 모두 체면을 구기게 됐다.

26일 외신 및 업계에 따르면 글로벌 판매를 시작한 아이폰15 시리즈 중 프로·프로맥스 모델 등에서 48도 발열이 감지된 것으로 전해졌다. 중국의 IT전문 크리에이터 'Greekerwan'은 아이폰15 프로 테스트를 한 결과를 공개하며 고사양 게임을 30분 이상 구동하니 휴대폰 온도가 48.1도까지 올랐다고 했다.

업계는 아이폰15 발열이 프로 모델 이상에 탑재한 모바일 AP(앱 프로세서) 'A17 프로'에서 기인했다고 분석한다. A17 프로가 전작과 달리 발열을 제대로 제어하지 못하고 있다는 진단이다.

모바일AP는 게임, 인터넷 작업, 동영상 및 음악 감상이 동시에 이뤄지는 핵심 기능을 담당하므로, 이런 고성능·저전력을 제공할 칩셋을 만드는 AP기술 고도화가 필수적이다. 이 A17 프로는 애플의 AP 중에서는 처음으로 TSMC 3nm 공정에서 생산됐다. 3nm 공정에서 TSMC는 핀펫(FinFET) 기술을 유지했는데 이것이 문제가 된 것으로 업계는 보고 있다.

핀펫 방식은 전력을 통제하는 접촉면이 윗면-앞면-뒷면 등 총 3면인 구조를 말한다. 업계에서는 14nm~5nm까지 핀펫 기술이 주로 사용되고, 3nm부터는 GAA(게이트 올 어라운드·Gate All Around) 기술이 주류가 될 것으로 본다. GAA는 게이트는 3면 외에 아랫면까지 쓰는 4차원 방식이다.

TSMC는 핀펫 기술을 고집하며 4nm까지 빅테크들의 사랑을 독차지해왔다. 그러나 3nm 이하 초미세영역에 들어서면서부터는 일부 성능 저하 문제가 발생한 것으로 보인다. 이런 기술적 한계를 다 극복하지 못한 상황에서 애플이 서둘러 신제품 출시를 밀어붙여 일이 커진 것이다.

이번 이슈로 3nm 양산에 제동이 걸리면 TSMC의 차세대 공정 양산 계획도 줄줄이 밀릴 수 밖에 없다. TSMC의 2nm 미세공정 생산라인 도입은 2025년부터다. 미국 애리조나주 공장은 인력 부족 등을 문제 삼아 가동 시기를 2024년에서 2025년으로 1년 늦췄다. TSMC는 시장 수요 둔화 등을 이유로 공급사들의 장비 납품도 미루고 있어 전체 파운드리 로드맵에 변화가 생길 가능성이 있다.

오랜 기간 파운드리 강자로 군림해온 TSMC 3nm 단계에서 삐끗하면서 선제적으로 GAA 기술을 도입한 삼성전자가 역전의 계기를 마련할 수 있을지 주목된다.

삼성전자는 GAA 기술을 통해 초미세 공정 전쟁에서 우위를 차지하겠다는 청사진을 줄곧 보여왔다. 삼성은 현재 안정적인 수율로 GAA 기반 3nm 1세대(SF3E)를 양산중이라고 했다. 꾸준한 기술 투자로 지난해 기준 삼성 파운드리 고객 수는 100곳 이상으로 2017년 보다 2.4배 늘었다. 2028년에는 200여 곳으로 확대하는 것을 목표로 한다.

GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술이다. 기존 트랜지스터 구조인 핀펫(FinFET)의 한계를 극복할 수 있는 차세대 파운드리 게임 체인저로 거론된다.

3nm 뿐 아니라 2nm에서도 구체적인 로드맵을 제시한 상태다. 모바일향 중심으로 2025년 2nm 공정(SF2)을 양산하고, 2026년 고성능 컴퓨팅(HPC)향, 2027년 오토모티브향 공정으로 점진적으로 확대한다. 수율(양품 비율)만 받쳐주기만 한다면 TSMC 못지 않은 글로벌 빅테크들의 러브콜이 예상된다.

인텔 역시 2~3nm 경쟁에 뛰어든 상황인만큼 긴장의 끈을 놓아서는 안된다는 의견도 있다. 인텔은 최근 미국 캘리포니아 새너제이에서 가진 연례 개발자 행사에서 1.8nm급인 18A 공정 반도체 웽이퍼 시제품을 깜짝 공개했다. 7nm를 생산중인 인텔은 연말 3nm를 양산하고, 내년 1분기부터는 1.8nm 웨이퍼를 생산 라인에 투입하겠다는 계획이다.

삼성전자가 2027년부터 1.4nm를 계획한 상황에서, 후발주자인 인텔이 다소 무리한 계획을 내놓은 것 아니냐는 의견이 지배적이나, 2021년 파운드리 재진출 이후 무섭게 투자를 늘리고 있는 만큼 가능성이 적지 않다는 주장도 있다.

반도체 업계 관계자는 "인텔이 첨단 EUV(극자외선) 장비 입도선매에 나서는 등 파운드리에 집중 투자하면서 빠르게 2nm 양산을 준비중인 것은 사실"이라면서 "내부적으로는 충분히 경제성이 있다고 판단한 것으로 보이나, 양산 단계에서 수율과 성능을 입증할 수 있을지는 지켜봐야 할 부분"이라고 말했다.