'기술' 강조한 이재용, 3나노로 TSMC 추월···'반도체 초격차' 시동(종합)

대만 TSMC 보다 앞서 '3나노' 공정 초도 양산 성공

GAA 신기술 적용한 3나노 공정 삼성이 세계 유일

이재용 유럽 출장 귀국길에서 '기술' 수차례 강조

4나노 2세대 공정 수율 문제로 홍역···안정화 관건

삼성전자 파운드리사업부 (좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. 사진=삼성전자 제공

이재용 삼성전자 부회장이 유럽 출장을 다녀오며 '기술'을 강조한 이후 삼성이 '반도체 초격차'에 속도를 내고 있다.

삼성전자는 30일 세계 최초로 GAA(게이트올어라운드, Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노(nm·나노미터) 파운드리 공정 기반의 초도 양산에 나선다고 밝혔다.

3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. GAA 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스는 전 세계 파운드리 업체 중 삼성전자가 유일하다.

경쟁사인 TSMC과의 선단 공정 경쟁에서 한발 앞서 나가게 된 삼성전자는 점유율 추격에 시동을 걸 전망이다.

◆독자적 GAA 기술로 전력효율·성능 극대화 = 삼성전자는 3나노 공정에 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러 싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다. 기존 핀펫 구조는 채널의 3개면을 감싼다.

차세대 반도체 핵심 기술로 꼽히는 GAA는 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높인다.

또한 삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor) GAA 구조를 적용했다.

MBCFET GAA 구조는 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 큰 장점이 있다.

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO)를 통해 PPA(소비전력·성능·면적)를 극대화했다고도 강조했다.

삼성전자의 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력 45% 절감, 성능 23% 향상의 효과가 있으며 면적도 16% 축소됐다. 내년 양산 예정인 GAA 2세대 공정은 전력이 50% 절감되며 성능 30% 향상, 면적은 35% 축소되는 효과가 있다.

삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 초도 생산한데 이어, 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대해 나갈 예정이다.

이재용 삼성전자 부회장이 14일(현지시간) 네덜란드 에인트호번에 위치한 ASML 본사에서 피터 베닝크 ASML CEO, 마틴 반 덴 브링크 ASML CTO 등과 함께 반도체 장비를 점검했다. 사진=삼성전자 제공

◆TSMC와 점유율 좁히기 안간힘···수율 안정화 관건 = 파운드리 후발주자인 삼성전자가 압도적인 점유율을 차지하고 있는 TSMC를 기술력으로 역전한 만큼 향후 양사간 점유율 격차가 좁혀질 수 있을지도 주목된다.

삼성전자와 파운드리 시장에서 경쟁 중인 대만 TSMC는 하반기 3나노 공정 파운드리를 양산한다는 계획이다. GAA 공정은 오는 2026년 상반기 양산하는 2나노 공정에 적용할 예정이다.

이재용 삼성전자 부회장은 2019년 4월 '시스템 반도체 비전 2030'을 발표하며 "메모리 반도체에 이어 시스템 반도체에서도 확실히 1등을 하겠다"고 선언했다.

단 TSMC와의 점유율 격차를 좁히는데는 어려움을 겪고 있다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 삼성전자의 글로벌 파운드리 시장 점유율은 지난해 4분기 18.3%에서 올해 1분기 16.3%로 2%포인트 하락했다. 같은 기간 TSMC의 점유율은 52.1%에서 53.6%로 상승해 양사간 격차는 지난해 4분기 대비 더 벌어졌다.

업계에서는 삼성전자의 점유율 확대 조건으로 '기술 초격차'와 '수율 안정화'를 꼽는다. 더군다나 4나노 2세대 공정에서 수율 논란을 겪으며 고객사 이탈이라는 홍역을 치룬 만큼 3나노 공정에서는 수율 안정화에 사활을 걸 것으로 예상된다.

이 부회장은 지난 18일 유럽 출장을 마치고 귀국하며 "아무리 생각해봐도 첫 번째도 기술, 두 번째도 기술, 세 번째도 기술 같다. 열심히 하겠다"고 밝혔다. 삼성전자의 3나노 양산 발표는 이 부회장의 기술 강조 후 12일만에 이뤄졌다.

김양팽 산업연구원 전문연구원은 "삼성이 3나노 공정 양산을 시작했다는 것은 첨단기술에서 TSMC 보다 빨리 움직였다는데 상징적인 의미가 있다"며 "앞으로 고성능 반도체는 3나노로 설계하게 될텐데 삼성이 빠르게 수율을 높인다면 고객사들의 선택을 더 받게 되는 효과가 있을 것"이라고 말했다.

이어 GAA 기술 적용에 대해서도 "미세화 공정의 한계를 극복하기 위해 핀펫에서 GAA로 넘어가고 있는데 시장에서 얼마나 통용될지 아직 알 수 없다"며 "수율을 높이는데 GAA 방식이 더 어려울 수 있기 때문에 삼성이 빠르게 안정화에 성공하면 더 큰 의미가 있을 것"이라고 덧붙였다.