삼성 vs TSMC ‘나노 전쟁’ 승자는?…‘○○○ 기술’이 승패 가른다는데

TSMC 3나노 매출비중 2배로
삼성 파운드리도 문의 줄이어
내년 2나노 공정 양산 본격화
GAA 기술력이 승패 가를듯
1나노 초미세공정 경쟁도 가속

세계 최대 파운드리(반도체 위탁생산) 기업인 대만 TSMC의 최선단 공정인 3nm(나노미터·1nm은 10억분의 1m) 공정이 생성형 인공지능(AI) 열풍에 고공행진을 이어가고 있다.

3nm 공정 반도체의 수요가 급증하면서 글로벌 반도체 기업들의 ‘나노전쟁’이 본격화되는 양상이다. 이에 2nm를 넘어 1nm급 차세대 선단공정 시장에서 삼성전자·TSMC·인텔의 경쟁이 치열하게 전개될 전망이다.

19일 반도체 업계에 따르면 TSMC는 전날 진행한 실적발표 콘퍼런스콜에서 3nm 공정 제품의 지난해 4분기 매출 비중이 전체 매출의 15%에 달한다고 밝혔다. 작년 3분기 3nm 공정 비중이 6%에 불과했던 점을 감안하면 매출 비중이 2배 이상 늘어난 것이다.

3nm 공정에 역시 선단공정에 해당하는 5nm 공정의 매출비중(35%)을 합하면 선단 공정의 비중이 50%에 달한다. 이 역시 작년 3분기의 43%에 비해 크게 증가한 수준이다.

TSMC는 2022년 12월 3nm 공정 양산을 시작했다. 이처럼 빠른 속도로 3·5nm 등 첨단 반도체에 대한 고객 수요가 확대된 것은 단연 생성형 AI 열풍에 따른 고성능 반도체의 수요 급증 때문이다.

웨이저자 TSMC 최고경영자(CEO)는 “AI 기술이 훈련·추론에 필요한 연산량이 증가하면서 더 복잡한 AI모델을 사용하도록 진화하고 있다”며 “이에 따라 AI모델은 더 강력한 반도체 하드웨어로부터의 지원이 필요하고, 이를 위해 첨단 반도체 공정 기술을 사용해야 한다”고 설명했다.

TSMC는 올해 매출이 작년에 비해 20% 이상 늘어날 것으로 예상하고 있다. 지난해 연간 매출이 전년대비 9% 감소한 것을 감안하면 올해 본격적인 반등 모멘텀이 형성될 것이라는 시각이다. 특히 3nm 공정 제품군의 성장세가 두드러질 전망이다. 웨이 CEO는 “올해는 3nm 공정의 매출이 3배 이상 증가할 것으로 보이며, 전체 매출에서 차지하는 비중 역시 확대될 것”이라고 내다봤다.

현재 글로벌 파운드리 업계에서 최선단에 해당하는 3nm 공정을 생산하는 기업은 TSMC와 삼성전자 두 곳 뿐이다. 삼성 파운드리에도 미국·중국·일본 등지의 팹리스 기업들의 AI 가속기·AI 주문형 반도체 생산과 관련한 문의가 이어지고 있는 것으로 알려졌다. 2022년 6월 TSMC에 앞서 3nm 양산을 시작한 삼성 파운드리는 올해 상반기 3nm 2세대 제품 양산에 들어간다는 계획이다.

삼성전자와 TSMC의 진검승부는 두 회사가 내년 양산을 선언한 2nm 공정에서 펼쳐질 전망된다.

3nm 수율·기술력 면에서 TSMC가 삼성전자에 한발 앞서있다는 것이 업계 시각이지만, 2nm에서는 상황이 다르다. TSMC는 3nm까지 핀펫(FinFET) 방식을 적용했다. 반면 삼성전자는 3nm 공정부터 게이트올어라운드(GAA) 방식을 선제적으로 도입했다. GAA는 전류가 흐르는 채널 4개면을 감싸 데이터 처리속도와 전력효율을 높인 차세대 트랜지스터 기술로 채널 3개면을 감싼 핀펫 방식보다 기술적으로 우위에 있다.

삼성전자는 3nm 공정에서 GAA를 도입하며 시행착오를 겪었지만, 선제적인 학습을 바탕으로 2nm 공정에서 승부를 보겠다는 전략으로 알려졌다. 2nm에서 GAA 방식을 첫 적용하는 TSMC 입장에서는 이같은 시행착오를 줄이는 것이 관건이 될 수 있다.

TSMC는 오는 4월 대만 북부 신주과학단지 바오산 소재 공장에 2nm 공정 양산을 위한 장비를 설치할 계획을 밝히기도 했다. 이와 함께 남부 가오슝에 2nm 공정 생산 능력을 갖춘 12인치(300mm) 웨이퍼 공장의 추가 건설을 위한 계획 평가에 나설 예정이다.

파운드리 경쟁에 가세한 인텔은 2nm 급인 20A(옹스트롬)·18A 공정 기반 반도체를 연내 양산하겠다고 선언했던 바 있다. 인텔은 2nm 공정 양산에 필수적인 ‘하이 뉴메리컬어퍼처(NA) 극자외선(EUV)’ 노광장비를 삼성전자·TSMC에 앞서 가장 먼저 확보했다.

1nm대 공정에서의 경쟁도 가시화되고 있다. 삼성전자와 TSMC가 2027년을 전후로 1.4nm 공정 양산을 계획한 가운데 인텔이 도전장을 내밀었다. 인텔은 독일 정부·유럽연합(EU)의 지원을 받아 독일 막데부르크에 신설하는 파운드리 공장에 1.5nm 안팎의 공정 기술을 적용한다는 계획을 내비쳤다. 팻 갤싱어 인텔 CEO는 스위스 다보스에서 열린 세계경제포럼(WEF) 연차총회에서 “독일 공장은 18A보다 더 발전한 미세공정을 도입하게 될 것”이라 밝혔다고 CNBC가 19일 보도했다.

한편 TSMC는 미국 애리조나에 건설중인 반도체공장의 가동 시기를 당초 계획보다 늦추고, 3nm 공정 도입 계획을 철회할 가능성을 지난 18일 있었던 콘퍼런스콜에서 언급했다. 류더인 TSMC 회장은 애리조나 제1 반도체공장 가동을 당초 예정했던 2024년에서 2025년으로 늦춘 데 이어 제2 공장도 예정보다 2년 가량 늦은 2027~2028년께 양산을 시작하는 방안을 검토중이라고 언급했다. 반도체 전문인력 확보와 미국 정부의 반도체 보조금 협상과 관련한 어려움이 배경에 깔려있다는 시각이다. TSMC는 미국 제2 공장에서 3nm 공정 양산 계획을 밝혔지만, 이같은 계획도 재검토중이라고 덧붙였다.