삼성, 3나노 반도체 '기술 초격차'로 대만 TSMC 뛰어넘나

'게임체인저' GAA 기술 적용 3나노 세계 최초 양산…판도 변화 전망
안정적인 수율 확보가 관건…퀄컴, 애플 등 잠재고객 꼽혀

삼성전자가 30일 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노(㎚=10억분의 1ｍ) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정 양산을 공식 발표함에 따라 업계의 판도 변화가 예상된다.

삼성전자의 3나노 양산은 업계 1위인 대만 TSMC보다 한발 앞선 것으로, 메모리 분야에 이어 파운드리 분야에서도 삼성의 '초격차(압도적 격차) 전략'이 본격적으로 속도를 내는 모습이다.

◇ '게임체인저' GAA 기술 적용 3나노 세계 최초 양산
삼성이 양산을 시작한 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다.

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.

3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력은 45% 절감되고 성능은 23% 향상됐으며, 면적은 16% 축소됐다고 삼성전자는 설명했다.

내년에 나오는 3나노 GAA 2세대 공정은 전력은 50% 절감되고, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소될 예정이다.

GAA 구조의 트랜지스터는 인공지능(AI), 빅데이터, 자율주행, 사물인터넷 등 고성능과 저전력을 요구하는 차세대 반도체에 활용될 예정이다.

삼성전자는 이번에 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPc)용 시스템 반도체를 초도 생산했으며 앞으로 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대해 나갈 계획이다.

◇ 삼성, TSMC 맹추격 '발판'…파운드리 업계 판도 변화오나
삼성전자가 이처럼 초미세 공정 개발에 선도적으로 나선 것은 파운드리 시장에서 독주하고 있는 대만의 TSMC를 따라잡기 위한 전략이다.

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 올 1분기 파운드리 매출 점유율은 TSMC가 53.6%였지만 삼성은 16.3%에 불과했다.

이처럼 굳어진 판세를 뒤집기 위한 '히든카드'로 3나노 공정이 꼽혔고, TSMC보다 앞서 3나노 양산을 시작한 것이다.

TSMC는 올 하반기에 기존 핀펫 기술을 적용한 3나노 양산을 시작할 것이라고 밝힌 바 있다.

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.

업계 관계자는 "최근에는 자체적으로 반도체를 설계하고 생산하는 업체들이 증가해 최첨단 공정(선단 공정)에 대한 수요가 계속 늘고 있다"고 말했다.

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.

◇ 안정적 수율 확보가 관건
최첨단 기술을 먼저 선보였다고 해서 삼성전자가 하루아침에 시장 점유율이 끌어올 수 있는 것은 아니다.

무엇보다 안정적인 수율(결함이 없는 합격품의 비율)이 뒷받침돼야 수익성을 확보할 수 있다.

삼성전자는 수율 면에서 TSMC에 뒤처진다는 평가를 받았다.

서지용 상명대 경영학부 교수는 "삼성이 기술력의 강점을 통해 TSMC를 시장에서 압도하려는 전략이 성공하려면 수율이 중요하다"면서 "3나노 공정에서 기술 우위를 갖췄다고 하려면 수율이 뒷받침돼야 한다"고 말했다.

박재근 한국반도체디스플레이기술학회장은 "수율이 떨어진다고 하더라도 파운드리를 주문하는 회사는 주문량만큼 받으면 되니까 문제 될 게 없겠지만, 생산자 입장에서는 손해를 볼 수밖에 없다"고 설명했다.

그는 다만 "기본적으로 양산을 시작해서 시간이 지나면 불량이 발생하는 원인을 찾아 개선하기 때문에 수율은 차츰 개선된다"면서 "지금은 기술을 먼저 확보하는 것이 중요하다"고 강조했다.

/연합뉴스