[딜사이트 이세연 기자] 삼성전자 파운드리(반도체 위탁생산) 사업부가 캡티브(내부 거래) 및 빅테크 레퍼런스를 동시에 확대하면서, 비메모리 부문의 흑자 전환 시점이 앞당겨지고 있다.

업계에 따르면 삼성전자 파운드리 사업부는 이르면 올해 4분기 흑자 전환에 성공하고, 내년부터 본격적인 수익성 개선 국면에 진입할 것으로 전망된다. 이에 따라 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)와 센서칩 등을 설계하는 시스템LSI 사업을 포함한 비메모리 부문 영업손익도 올해 약 3~4조원 적자에서 내년 5000억원 수준으로 개선될 가능성이 제기된다.

삼성전자 파운드리 사업부는 지난해 초까지만 해도 빅테크의 구매 문의가 제한적이라 고객 제안용 샘플을 먼저 제작해 전달하는 상황이었다. 가동률이 낮아 고정비 부담만 커지는 구조가 이어졌다. 하지만 지난해 하반기를 기점으로 고대역폭메모리(HBM)4, 엑시노스 시리즈 등 캡티브 레퍼런스를 확보하고, 테슬라 등 빅테크로부터 유의미한 수주도 따내며 점차 수익성 개선 흐름에 들어서고 있다.

특히 수율과 기술이 안정화된 4나노 공정에서 HBM4 효과가 올해부터 본격 반영되고 있다. 삼성전자는 HBM4에 10나노급 6세대(1c) D램 코어 다이와 파운드리 4나노 FinFET 기반 베이스다이를 적용했다. HBM4 베이스다이는 이미 출하가 시작돼, 올해 하반기부터 파운드리 매출에 기여할 전망이다. 같은 베이스다이 공정이 적용된 HBM4E 역시 연내 양산을 목표로 하고 있다.

엔비디아의 차세대 AI 추론용 칩 '그록3' 언어처리장치(LPU) 수주도 4나노 레퍼런스 확대에 긍정적으로 작용하고 있다. 젠슨 황 엔비디아 최고경영자(CEO)는 지난달 열린 'GTC 2026' 기조연설에서 "삼성이 가능한 한 빠르게 생산을 확대하고 있다"며 "올해 3분기 출하가 시작될 것"이라고 밝힌 바 있다.

그록3 LPU 관련 협력 확대 가능성도 거론된다. 당시 GTC 현장에서 만난 엔비디아 관계자는 "그록3 칩이 탑재되는 랙 시스템은 90일도 채 되지 않는 기간에 양산 단계에 도달했다"며 "향후 하드웨어와 소프트웨어 전반에서 추가적인 솔루션이 이어질 것"이라고 귀띔했다.

선단 공정인 2나노에서는 모바일 애플리케이션 프로세서(AP) 엑시노스 시리즈를 중심으로 성과가 나타나고 있다. 엑시노스2600은 갤럭시 S26 시리즈에 약 30% 비중으로 탑재될 전망이다. 현재 샘플 제작이 진행 중인 엑시노스2700은 적용 비중이 더 확대될 것으로 예상된다. 키움증권은 지난 2월 리포트를 통해 "엑시노스2700이 SF2P 공정 양산 이후 갤럭시 S27 시리즈 내 50% 수준의 점유율을 확보할 것"이라고 내다봤다.

캡티브 레퍼런스에 더해 빅테크 고객도 확대되고 있다. 특히 테슬라의 AI5·AI6 칩 수주가 의미 있는 성과로 평가된다. 삼성전자는 지난해 7월 테슬라로부터 165억달러(약 24조원) 규모의 AI6 칩 위탁생산 계약을 따낸 바 있다. 계약 기간은 2033년까지로, 본격적인 대량 생산은 AI5 2027년, AI6 2028년으로 예상된다. 업계에서는 AI 칩의 적용 범위 확대에 따라 100조원대의 대형 사업으로 확장될 가능성도 제기하는 분위기다.

반도체 업계 한 관계자는 "삼성전자와 테슬라의 파운드리 협력이 안정적으로 이어지고 있다"며 "AI5·AI6 칩이 기존 엑시노스 IP 기반인 만큼 설계 적합성 측면에서도 긍정적인 평가가 나온다"라고 말했다. 삼성전자 파운드리 사업부는 AMD, 퀄컴 등 빅테크와의 협의도 진행 중인 것으로 전해졌다.

한편 삼성전자는 차세대 HBM5, HBM5E부터 베이스다이에 파운드리 2나노 공정을 적용할 계획이다. 이는 수율 개선이 일정 수준 이상 이뤄졌음을 의미한다. 아직 완전한 안정화 단계는 아니라는 평가가 우세하지만, 일각에서는 2나노 공정 수율이 60%를 상회했다는 관측도 나온다. 이는 제조원가와 납기 안정성을 확보할 수 있는 기준으로 평가된다. 경쟁사인 TSMC가 2024년 말 2나노 시험생산에서 60%대 수율을 확보한 점을 감안하면, 약 1년 만에 격차를 좁힌 셈이다.