[산업돋보기] 스마트폰 ‘두뇌’ AP, 삼성·애플 패권 경쟁 향방 가른다

스마트폰 등급 결정짓는 핵심성능…고도화·내재화 기술개발 선점 치열
삼성 자체개발 ‘엑시노스’ 미완성…퀄컴 의존 연간 AP 매입 10조 이상
아이폰용 AP 보유 애플 ‘성능 최적화’ 성과로 프리미엄시장 독주 상태
삼성 ‘엑시노스 고도화’에 총력전···내년 갤럭시 S26 탑재 애플에 도전
AI 최적화 엑시노스 2600, 애플 A19프로 비교 NPU 성능 6배↑ 기대

스마트폰의 '두뇌' 역할을 하는 애플리케이션프로세서(AP) 분야에서 삼성전자와 애플이 총성 없는 전쟁을 벌이고 있다. AP 기술 고도화 및 내재화가 스마트폰 패권 경쟁의 향방을 가를 것이라는 판단에서다.

아직까지는 애플이 우위를 점한 가운데 삼성전자가 뒤를 따르고 있는 형국이지만 인공지능(AI) 시대라는 변곡점이 찾아온 만큼 양측 모두 긴장의 끈을 놓지 않는 모습이다.

26일 업계에 따르면 AP는 스마트폰 기기에서 가장 핵심적인 역할을 담당하는 반도체다. AP 성능에 따라 스마트폰의 등급이 구분될 정도다.

AP는 여러 부품이 하나로 통합된 'SoC(System on Chip)' 형태로 만들어진다. 중앙처리장치(CPU)를 넘어 그래픽장치(GPU), 모뎀 등을 포함한다.

연산과 논리를 처리하는 CPU는 앱 실행 속도, 멀티태스킹 등을 좌우한다. GPU는 그래픽 연산에 특화돼 게임, 영상 재생 등 시각적 경험을 책임진다.모뎀은 5G 등 무선 통신에 필요한 신호 처리를 담당한다. 여기에 ISP(Image Signal Processor), AI 연산 전용 프로세서 등도 들어가는 게 최근 트렌드다.

◇ 스마트폰 성능 좌우하는 AP···애플은 'A 시리즈' 삼성은 '퀄컴 제품'

스마트폰 시장 '양대산맥'인 삼성전자와 애플은 그간 AP 분야에서 다소 다른 길을 걸어왔다.

애플이 ARM 설계를 기반으로 'A 시리즈'를 자체 개발하며 AP를 고도화하는 동안 삼성전자는 퀄컴 '스냅드래곤' 시리즈에 의존하는 경향을 보였다. 자체적으로 '엑시노스'를 개발하긴 했지만 성능·수율 등에 문제가 나타나며 아직까지 두각을 나타내지는 못하고 있다.

애플은 2010년부터 아이폰용 AP를 만들기 시작했다. 인텔 등 외부 칩 사용을 배제하기 위해 일찍부터 자체 개발에 공을 들였다. 아이폰 17에는 'A19', 아이폰 17 프로에는 'A19 프로'가 들어가는 식으로 제품마다 다른 칩을 넣는 게 특징이다. 생산은 대만 TSMC가 담당한다.

수년간 아이폰을 만들며 '두뇌'도 함께 발달시킨 만큼 '성능 최적화'가 상당 수준 이뤄졌다는 게 업계 평가다. 현재 글로벌 프리미엄 스마트폰 시장에서 애플이 독주하고 있는 배경도 AP 경쟁력에 있다는 분석이 나올 정도다.

삼성전자는 사정이 다소 다르다. 자체적으로 개발하는 '엑시노스'가 좀처럼 성과를 내지 못하고 있어서다. 보급형인 갤럭시 A시리즈에서는 문제가 없지만 플래그십 버전인 갤럭시 S나 Z 등에서는 최적화에 난항을 겪고 있다.

이 문제를 극복하기 위해 삼성전자는 '글로벌 협업'을 선택했다. 세계 최대 통신 기업 퀄컴과 일찍부터 동맹을 구축하고 '스냅드래곤' AP를 스마트폰에 장착했다. 퀄컴은 모바일 AP를 제작해 납품하면서 삼성전자 파운드리(반도체 위탁생산) 공정을 사용해 서로 '윈윈' 효과를 노렸다.

다만 수년 전부터 균열이 생겼다. 삼성전자의 4나노미터(nm) 공정 수율, 전력 효율, 발열 성능 등에서 문제가 제기되면서다. 퀄컴은 4나노 스냅드래곤 8+ Gen 1 생산을 TSMC에 맡기는 등 생산 물량을 다변화하고 있다.

◇ 삼성, 애플보다 한발 뒤처진 'AP 고도화' 개선에 R&D 역량 집중

삼성전자 입장에서 더 큰 고민은 AP 매입에 수십조원을 써야 한다는 점이다.

종합 가전·반도체 회사 삼성전자는 자체적으로 칩을 개발해 파운드리 생산까지 가능한 공정을 갖췄다. 그럼에도 엑시노스 성능이 확보되지 않아 수익성에 큰 타격을 받고 있는 셈이다.

삼성전자가 플래그십 모델 전량에 엑시노스를 적용했던 것은 2015년 갤럭시 S6가 마지막이다. 2020년(갤럭시 S20) 당시에는 성능 논란을 겪었고, 2023년(갤럭시 S23)에서는 엑시노스 탑재를 완전히 포기하는 지경에 이르렀다.

회사 사업보고서를 보면 지난해 기준 모바일 AP 매입액은 10조9326억원으로 집계됐다. 대상은 퀄컴과 미디어텍이다. 삼성전자 디바이스경험(DX)부문 전체의 원재료 매입액은 67조7958억원이다. 이 금액에는 디스플레이 패널, 카메라 모듈 등 삼성전자가 만드는 제품 대부분의 원재료가 모두 포함된다. DX부문 전체가 쓰는 돈의 16.1%가 AP 매입액으로 잡히고 있는 셈이다.

삼성전자는 작년 연결 기준 32조7000억원의 영업이익을 기록했다. 이 중 모바일경험(MX)부문 기여치는 10조6000억원이다. 전세계에서 스마트폰과 태블릿 PC 등을 팔아서 남긴 영업이익보다 모바일 AP 매입을 위해 퀄컴·미디어텍에 지불한 금액이 더 많다는 뜻이다.

성능 향상과 함께 AP 가격도 상승 추세다. 지난해 기준 삼성전자의 AP 매입 평균단가는 전년 대비 약 7% 상승했다. 올해 반기보고서를 보면 1~6월 기준 모바일 AP 가격은 전년 동기보다 12% 뛰었다.

이 때문에 상반기 AP 매입액은 7조7899억원으로 급등했다. DX 부문 전체 원재료 매입액(39조629억원)에서 차지하는 비중도 19.9%로 올라갔다.

◇ 삼성 'AI 최적화' AP 적용 갤럭시 S26, 내년초 흥행 시험대 예상

삼성전자가 전사적인 역량을 동원해 '엑시노스' 기술 고도화에 집중하고 있는 배경이다. 이는 스마트폰 분야 수익성 뿐 아니라 파운드리 사업부의 안정적인 일감 확보에도 영향을 미치게 된다.

시장에서는 갤럭시 S26 '두뇌'에 이목을 집중하고 있다. 삼성전자가 다음달부터 '엑시노스 2600' 양산 및 공급을 시작하기로 한 상태기 때문이다. 특히 내년 나오는 갤럭시 S26에도 이 칩 탑재를 확정했다.

삼성전자가 분위기 반전을 위해 꺼낸 카드는 'AI 최적화'다. 최근 들어 온디바이스 AI나 대규모언어모델(LLM) 활용 등이 스마트폰 기본 성능이 되면서 AP에서도 신경망처리장치(NPU) 성능이 각광받고 있다.

삼성전자는 성능 극대화를 위해 사상 처음으로 SoC에서 AP(엑시노스)와 모뎀을 분리하는 승부수를 띄웠다. 이를 통해 기존 모뎀 공간만큼 AP의 CPU와 GPU 면적을 늘려 성능을 향상할 수 있게 됐다. 동시에 NPU 기능을 개선하는 데 총력을 기울였다고 전해진다.

삼성전자는 자체 테스트 결과 '엑시노스 2600'이 애플 'A19 프로' 대비 NPU 성능이 6배 이상 높은 것으로 측정하고 있다. A19 프로는 지난 9월 출시된 아이폰17 프로 및 프로맥스에 탑재됐다. 엑시노스 2600은 A19 프로보다 CPU 멀티코어 성능은 15%, GPU 성능은 일부 벤치마크에서 최대 75% 우수했다.

특히 넷플릭스 등 온라인동영상플랫폼(OTT) 콘텐츠나 게임 등 멀티미디어 재생 성능은 A19 프로뿐 아니라 퀄컴의 스냅드래곤8 엘리트 5세대도 넘어선 것으로 알려졌다. 엑시노스 2600은 스냅드래곤8 엘리트 5세대 보다 NPU 성능은 30%, GPU 성능은 최대 29% 높았다.

◇ 애플도 독자개발 5G 모뎀 칩 아이폰18 모델 탑재 등 '통합 전략' 가속화

향후 삼성전자 2나노 공정 성능이 더 향상되면 엑시노스 2600의 주요 성능은 더욱 높아질 것으로 기대된다.

업계에서는 애플도 AI 시대 AP 경쟁력을 유지하기 위해 또 다른 시도를 할 것으로 예상한다. 애플 역시 모뎀 분야 퀄컴 의존도를 낮추기 위해 자체 개발한 5G 모뎀 칩을 일부 아이폰 모델에 탑재하는 등 '통합 전략'을 가속화하고 있다. 아이폰 18 모델에서는 A20 칩이 2nm 공정을 채택할 가능성이 제기된다.

향후 관건은 NPU 등 기능을 스마트폰에 최적화시키는 방법이 될 것으로 보인다. 애플 입장에서는 기존 경쟁력을 유지하면서 기술을 고도화하는 전략을, 삼성전자는 판도를 뒤집기 위해 과감하게 새로운 기능을 추가하는 방법을 고민할 것으로 관측된다. 이와 관련한 첫 '시험대'는 내년 초로 예정된 갤럭시 S26의 흥행 여부가 될 전망이다.

시장조사업체 WiseGuyReports에 따르면 글로벌 스마트폰 AP 시장 규모는 2023년 기준 약 382억9000만달러(약 55조원)로 추산된다. 2032년에는 3배 가까이 뛴 1000억달러(약 143조원)가 될 것으로 예상된다.

여헌우 기자 yes@ekn.kr