이재용 '초격차 기술' 보여줬다..TSMC 잡을 3나노 세계 최초 양산

삼성전자, 세계 최초 GAA 기술 적용 3나노 파운드리 양산
전례 없는 투자 지속..2030년 파운드리 세계 1등 '시동'

이재용 삼성전자 부회장이 15일(현지시간) 벨기에에 위치한 유럽 최대 규모의 종합반도체 연구소 imec에서 루크 반 덴 호브 CEO와 연구개발 현장을 살펴보고 있다. (삼성전자 제공) 2022.6.16/뉴스1

(서울=뉴스1) 신건웅 기자 = 삼성전자의 대만 TSMC 추격전이 본격적으로 시작됐다. 세계 최초로 3나노(nm, 나노미터) 파운드리 양산에 나서며 TSMC를 단숨에 뛰어넘을 발판을 마련했다.

3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 삼성전자가 세계에서 처음으로 차세대 트랜지스터 구조인 GAA(Gate-All-Around) 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스에 나선 것이다.

이재용 삼성전자 부회장이 강조했던 '초격차 기술 리더십'을 3나노 파운드리 양산으로 보여줬다는 평가가 나온다. 삼성전자는 2030년 파운드리사업 세계 1위 목표를 달성하기 위해 3나노 기술을 전면에 내세웠다.

◇ 삼성, 3나노 파운드리 시대 열었다…GAA 기술 최초 적용

삼성전자는 세계 최초로 GAA 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다.

3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체를 초도 생산한데 이어 모바일 SoC 등으로 확대해 나갈 예정이다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장 사장은 "파운드리 업계 최초로 '하이-케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate)', 핀펫(FinFET), EUV 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔고, 이번에 MBCFET GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스 또한 세계 최초로 제공하게 됐다"며 "앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다"고 말했다.

특히 삼성전자는 기존 '핀펫(FinFET) 기술' 대신 GAA 기술을 적용했다. 핀펫 공정은 상어 지느러미처럼 생긴 차단기로 전류를 막아 신호를 제어하지만, GAA는 전류가 흐르는 채널을 4면으로 둘러싸 전류의 흐름을 더욱 세밀하게 조정할 수 있다.

이에 GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고, 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술로 손꼽힌다. TSMC는 2나노부터 GAA 기술을 적용할 계획이다.

또 삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET GAA 구조도 적용했다.

나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있으며, 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어(Nanowire) GAA 구조에 비해 전류를한층 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 큰 장점이 있다.

삼성전자 3나노 파운드리 © 뉴스1

◇ 3나노, 2024년 5나노 시장보다 커진다

시장조사업체 옴디아는 반도체업계에서 3나노 파운드리 공정 매출이 올해부터 발생해 오는 2024년 5나노 공정 매출을 넘어설 것으로 예상했다. 2025년까지 연평균 85% 성장할 것이라는 분석이다.

기존 5나노 공정보다 칩 면적은 작고, 처리 속도는 빨라짐에도 소비 전력은 줄어들기 때문에 고객 수요가 늘어날 수밖에 없다.

삼성전자는 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO)를 통해 PPA(Power:소비전력·Performance:성능·Area:면적)를 극대화했다.

3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력은 45% 절감되며 성능은 23% 향상된다. 면적은 16% 축소됐다. 향후 GAA 2세대 공정에선 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소로 효율성이 더욱 높아진다.

삼성전자는 앞으로 고객 요구에 최적화된 PPA, 극대화된 전성비(단위 전력당 성능)를 제공해 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나갈 계획이다.

또 시높시스(Synopsys), 케이던스(Cadence) 등 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라·서비스를 제공해 고객들이 빠른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나갈 계획이다.

상카 크리슈나무티(Shankar Krishnamoorthy) 시높시스 실리콘 리얼라이제이션그룹(Silicon Realization Group) 총괄 매니저는 "삼성전자와의 GAA기반 3나노 협력은 앞으로 시높시스의 디지털 디자인, 아날로그 디자인, IP 제품으로 계속 확장돼 주요 고성능 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 차별화된 SoC를 제공할 것"이라고 말했다.

톰 베클리(Tom Beckley) 케이던스 Custom IC&PCB 그룹 부사장 겸 총괄 매니저도 "삼성전자와 협력해 자동화된 레이아웃으로 회로 설계와 시뮬레이션에서 생산성을 높일 수 있는 서비스를 제공한다"며 "더 많은 테이프아웃(설계 완료) 성공을 위해 삼성전자와 협력을 계속해 나가겠다"고 했다.

삼성전자 평택캠퍼스 © 뉴스1

◇ 삼성전자, TSMC 본격 추격 시동

삼성전자가 세계 최초 3나노 파운드리 양산에 나서면서 시장 판도도 달라질 것으로 보인다. 지금까지 파운드리 시장에서는 대만 TSMC가 독주를 지속했다.

시장조사업체 트랜드포스에 따르면 올해 1분기 TSMC의 파운드리 시장 점유율은 53.6%에 달했다. 2위인 삼성전자는 16.3%에 그쳤다.

그러나 삼성이 3나노 양산에서 한발 앞서 나가면서 고객사 흐름이 달라질 것으로 보인다. 수율이 안정화되면 고객 수요가 몰릴 수 있다.

파운드리는 수주산업으로, 고객을 확보해야 성장이 가능하다. 삼성전자의 지난해 파운드리 고객은 100곳 이상이며 2026년까지 300곳 이상 확보하는 것이 목표다.

삼성전자는 3나노에 GAA를 선제적으로 도입해 기술을 검증하고, 안정적인 생산 인프라를 선제적으로 구축해 공급 안정화를 추진할 계획이다.

이를 위해 전례없는 투자를 이어가고 있다. 올해 하반기 평택 3라인 가동을 앞두고 있으며, 미국 제2 공장(테일러)을 건설 중이다.

한편 삼성전자는 1983년 반도체 사업진출 후 1992년 세계 최초로 64M D램을 개발했다. 이후 1993년 메모리시장 1위에 올라섰다. 삼성전자 파운드리사업부도 2017년 사업부 출범 이후 빠르게 성장하고 있다.

옴디아는 삼성전자 파운드리 사업부의 지난해 매출을 약 169억 달러로 추정했다. 파운드리사업부 자체 매출 집계가 시작된 2018년 117억 달러와 비교해 연평균 약 13% 성장한 수치다. 같은 기간 파운드리 시장 성장률(연평균 12%)보다 높다.

업계 관계자는 "삼성전자 파운드리부문이 빠른 속도로 업계 첨단기술을 선도하고 있다"며 "아직 업력이나 사업규모, 점유율 등에서 업계 1위에 비해 뒤떨어지지만, 기술력만큼은 업계에서 유일한 TSMC 대항마"라고 말했다.

윤석열 대통령과 조 바이든 미국 대통령이 20일 경기 평택 삼성전자 반도체 공장에서 웨이퍼에 서명을 남겼다. 이 웨이퍼는 삼성전자가 세계 최초로 양산 예정인 3나노미터(nm·10억 분의 1m) 공정 웨이퍼다. (대통령실사진기자단) 2022.5.20/뉴스1 © News1 오대일 기자

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