안정적인 수율 확보가 관건···퀄컴, 애플 등 잠재 고객 꼽혀
[서울파이낸스 오세정 기자] 삼성전자가 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 파운드리(반도체 위탁생산) 3나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ) 공정 양산을 시작했다고 30일 공식 발표했다. 삼성전자의 3나노 양산은 업계 1위인 대만 TSMC보다 한발 앞선 것으로, 메모리 분야에 이어 파운드리 분야에서도 삼성의 '초격차(압도적 격차) 전략'이 본격적으로 속도를 내며 업계 판도 변화가 예상된다.
삼성이 양산을 시작한 3나노 공정은 현재 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 지금까지 삼성전자와 TSMC의 최선단(최소선폭) 공정은 4나노였다. 3나노는 반도체 칩의 회로 선폭을 머리카락 굵기의 10만분의 3 수준으로 좁힌 것으로, 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 더 많은 소자를 집적할 수 있어 성능을 높이는 데 유리하다.
삼성은 이런 초미세 공정의 한계를 돌파하기 위해 기존의 '핀펫'(fin-fet) 기술 대신 업계 최초로 GAA 기술을 적용했다. 반도체를 구성하는 주요 소자인 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널과 채널을 제어하는 게이트로 구분되는데 GAA는 핀펫의 3차원 구조와 비교해 전류가 흐르는 통로인 채널의 아랫면까지 모두 게이트가 감싸 전류 흐름을 더욱 세밀하게 제어할 수 있는 기술이다. 핀펫이 가지는 3나노 이하 공정의 한계를 극복할 수 있어 차세대 파운드리의 '게임 체인저'로 꼽혀왔다.
삼성전자는 이에 더해 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET(Multi Bridge Channel FET) GAA 구조를 적용해 전력 효율을 더 높일 수 있게 했다. 나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있으며 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어(Nanowire) GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 장점이 있다는 게 회사의 설명이다.
삼성전자는 3나노 GAA 1세대 공정이 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력을 45% 절감하면서 성능은 23% 높이고, 반도체 면적을 16% 줄일 수 있다고 설명했다. 내년에 도입될 예정인 3나노 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소 등의 성능이 예상된다고 회사는 설명했다.
이번 3나노 공정은 첨단 파운드리 EUV(극자외선) 공정이 적용되는 삼성전자 화성캠퍼스 S3 라인에서 생산된다. 삼성전자는 이번에 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPc)용 시스템 반도체를 초도 생산했으며 앞으로 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대해 나갈 계획이다.
이번 기술 발전으로 공정이 미세화되고 반도체에 더 많은 기능과 높은 성능이 담기면서 칩의 설계와 검증에도 점점 많은 시간이 소요된다. 삼성전자는 시놉시스(Synopsys), 케이던스(Cadence) 등 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라·서비스를 제공함으로써 고객사가 빠른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나갈 계획이다.
상카 크리슈나무티 시놉시스 실리콘 리얼라이제이션그룹 총괄 매니저는 "시놉시스는 삼성전자와 전략적 협력관계를 유지하고 있다"며 "삼성전자와의 GAA기반 3나노 협력은 향후 시놉시스의 디지털 디자인, 아날로그 디자인, IP 제품으로 계속 확장돼 주요 고성능 컴퓨팅 어플리케이션을 위한 차별화된 SoC를 제공할 것"이라고 말했다.
톰 베클리 케이던스 부사장 겸 총괄 매니저는 "삼성전자 3나노 GAA 기반 제품 양산을 축하한다. 케이던스는 삼성전자와 협력해 자동화된 레이아웃으로 회로 설계와 시뮬레이션에서 생산성을 높일 수 있는 서비스를 제공한다"며 "케이던스는 더 많은 테이프아웃(설계 완료) 성공을 위해 삼성전자와 협력을 계속해 나가겠다"고 강조했다.
최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 "삼성전자는 파운드리 업계 최초로 FinFET, EUV 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔고 이번에 GAA 기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스를 세계 최초로 제공하게 됐다"며 "앞으로도 차별화된 기술을 적극적으로 개발하고 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다"고 밝혔다.
삼성전자는 이번 3나노 양산을 계기로 세계 1위 파운드리 기업 대만 TSMC 추격에 속도를 낸다는 계획이다. 삼성전자는 TSMC를 추격할 수 있는 무기는 초격차 기술이라고 보고 있다. 최근 이재용 삼성전자 부회장이 유럽 출장에서 돌아와 "첫 번째도 기술, 두 번째도 기술, 세 번째도 기술"이라고 강조하기도 했다.
메모리 반도체의 절대 강자인 삼성전자는 파운드리 시장에서는 후발주자다. 2017년 삼성전자 파운드리 사업부 출범 이후 빠른 속도로 성장해 업계 2위 자리를 지키고 있지만 TSMC와 점유율 격차는 큰 편이다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 기준 세계 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 53.6%였고 삼성전자가 16.3%에 그쳤다.
이처럼 굳어진 판세를 뒤집기 위해 삼성전자는 초미세 공정 개발에 주력해왔고 TSMC보다 앞서 3나노 양산에 성공한 것이다. TSMC는 올 하반기에 기존 핀펫 기술을 적용한 3나노 양산을 시작할 것이라고 밝힌 바 있다.
TSMC는 삼성전자에 이어 올해 하반기 중 3나노 반도체 양산을 시작하고 GAA 기술은 2나노 공정부터 적용할 계획인 것으로 알려졌다. 삼성전자는 이번 3나노 반도체 양산에 이어 2025년 GAA 기반 2나노 공정을 시작할 예정이다.
현재 7나노 이하 미세공정을 제공하는 곳은 삼성전자와 TSMC뿐이다. 위탁생산을 할 수 있는 선택지가 제한돼있기 때문에 퀄컴과 AMD 등 글로벌 팹리스(반도체 설계회사)들은 첨단 미세공정의 생산능력을 확보하기 위해 치열하게 경쟁을 펼치는 상황이다.
특히 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)를 설계하는 팹리스들은 매년 성능이 개선된 제품을 출시해야 하는 만큼 최첨단 공정을 활용할 수밖에 없다. 시장조사업체 옴디아는 3나노의 매출이 올해부터 발생해 2024년에는 5나노 공정 매출을 넘어서고 2025년까지 연평균 85% 증가할 것으로 예상했다.
이에 대비해 삼성전자가 선제로 GAA 3나노 공정 양산에 성공하면서 애플, 인텔, 구글, AMD, 엔비디아 등 글로벌 IT업체들이 향후 삼성의 잠재 고객이 될 것으로 업계는 보고 있다.
다만 삼성전자가 최첨단 기술을 최초로 선보이긴 했지만 시장 점유율을 끌어올리기 위해선 안정적인 수율(결함이 없는 합격품의 비율) 확보가 관건이 될 것으로 보인다. 수율이 뒷받침돼야 수익성을 확보할 수 있기 때문이다. 삼성전자는 수율 면에서 TSMC에 뒤처진다는 평가를 받았다.
안기현 한국반도체산업협회 전무는 "3나노 양산을 시작했다는 거 자체로 의미가 크고 GAA 기술을 적용한 3나노 공정 양산에 성공했다는 점에서 새로운 전환점이 될 것으로 보인다. TSMC와의 첨단 제조 기술 경쟁에서도 자신감 가질 수 있을 것"이라며 "수율 확보는 결국 시간 싸움인 만큼 시간이 지나면 수율이 잡히는데 다만 얼마나 빨리 수율이 잡히는 지가 앞으로 관건이 될 것으로 본다"고 말했다.
