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TSMC보다 빨랐다…삼성전자 3나노 세계 첫 양산

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◆ 삼성전자 기술 초격차 ◆

매일경제

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삼성전자가 3나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m) 파운드리 공정을 활용한 제품 양산에 성공했다. 이 공정은 세계 최초로 'GAA(게이트-올-어라운드)' 기술이 적용됐다. 파운드리 세계 1위 대만 TSMC와 벌이는 미세공정 개발 경쟁에서 삼성이 한발 앞서 나가게 됐다는 평가다.

삼성전자는 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 제품 양산을 시작했다고 30일 밝혔다. 경쟁사인 TSMC는 올 하반기 3나노 공정 양산을 준비하고 있다. 또 GAA 기술은 2025년 예정된 2나노 공정에 처음으로 도입할 것으로 알려졌다.

나노 공정은 반도체 회로 선폭을 의미한다. 삼성전자와 TSMC는 현재 4나노 공정으로 제품을 생산 중인데 삼성이 이를 더 미세화시킨 것이다. 회로 선폭이 미세화될수록 반도체 소비전력은 줄어들고 속도는 빨라진다. 여기에 삼성은 기존의 핀펫(FinFET) 대신 GAA 기술을 처음으로 사용했다. 핀펫 구조는 트랜지스터에 전류가 흐르는 채널의 3개 면을 감싸지만 GAA는 채널 4개 면을 게이트가 둘러싸는 형태다. 삼성전자는 3나노 GAA 1세대 공정이 기존 5나노 핀펫 공정과 비교할 때 전력은 45% 절감하면서 성능은 23% 높이고 반도체 면적을 16% 줄일 수 있다고 설명했다. 내년에 도입되는 3나노 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소 등이 예상된다고 회사 측은 설명했다. 최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 "삼성전자는 파운드리 업계에서 핀펫과 극자외선(EUV) 신기술 등을 선제적으로 도입한 데 이어 GAA 기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스 또한 세계 최초로 제공하게 됐다"며 "앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해나가겠다"고 밝혔다.

종전에 7나노와 5나노 공정 제품 양산에서 대만 TSMC에 뒤졌던 삼성전자는 이번에 3나노 공정에서 TSMC를 제치고 고객 확보에 유리한 전환점을 맞게 됐다. 대만 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 기준 세계 파운드리 시장점유율은 TSMC가 53.6%로 1위이고 삼성전자는 16.3%를 기록해 1위와 격차가 큰 2위에 머무르고 있다.

[이승훈 기자 / 정유정 기자]

삼성, 파운드리 세계최고 기술 확보…"4년뒤 고객사 3배로"

삼성전자, 세계 첫 3나노 양산

회로굵기 머리카락 10만분의 3
반도체 공정중 가장 앞선 기술
점유율 1위 대만 TSMC 추격

고성능 저전력반도체 설계 유리
年평균 매출성장률 85% 전망

구글·애플 등 잠재고객 꼽혀
안정적인 수율 확보가 관건

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삼성전자 DS부문 파운드리사업부, 반도체연구소, 제조&인프라 총괄 임직원들이 경기도 화성캠퍼스에서 3나노 파운드리 양산을 축하하며 기념촬영을 하고 있다. [사진 제공 = 삼성전자]

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'2030 시스템 반도체 1등'을 향한 삼성전자의 여정이 본격화했다. 3나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 파운드리 공정을 경쟁사인 대만 TSMC보다 먼저 시작하면서 고객층을 두껍게 가져갈 수 있는 기반을 마련한 것이다. '기술'을 강조해온 이재용 삼성전자 부회장의 초격차 전략도 본격화했다는 분석이다.

삼성전자는 2019년 '시스템 반도체 비전 2030'을 선포했다. 여기에는 향후 2030년까지 133조원을 투자해 파운드리 공정 연구개발과 생산라인 건설을 확대한다는 내용이 담겼다. 이를 통해 메모리 반도체뿐 아니라 시스템 반도체에서도 2030년에 1등을 달성하겠다는 목표를 세웠다. 투자 규모는 지난해 38조원이 추가돼 총 171조원으로 늘었다.

시스템 반도체 비전의 핵심은 파운드리(반도체 위탁생산)다. 파운드리는 대표적인 수주 산업이다. 애플, 퀄컴, 엔비디아, 인텔 등 다양한 정보기술(IT) 기업으로부터 수주받은 뒤 그들이 원하는 사양의 반도체를 만들어주는 게 핵심이다. 메모리 반도체에 강점이 있는 삼성은 이를 바탕으로 2005년 파운드리 사업에 뛰어들었다. 2016년 10나노 핀펫(FinFET) 공정 양산에 성공하면서 자신감을 얻은 삼성은 2017년 파운드리사업부를 별도로 출범시키며 본격적으로 고객 확보에 나섰다.

파운드리 사업이 성장하기 위해서는 핵심 고객을 확보하는 것이 중요하다. TSMC가 50%를 넘는 시장 점유율로 업계 1위 자리를 굳건히 지키는 배경은 최대 파운드리 고객인 애플을 잡고 있는 것이다. 이러한 고객을 유치하려면 앞선 기술력이 필요하다. 삼성전자와 TSMC가 서로 미세공정에서 치열하게 경쟁하는 것은 이런 이유에서다.

10나노, 7나노, 5나노 등으로 미세공정이 진행되면서 기존 핀펫 기술로는 더 이상 미세화하기 쉽지 않다는 시각이 많았다. 이 문제를 해결하기 위해 삼성전자는 차세대 트랜지스터 기술로 통하는 게이트올어라운드(GAA)를 3나노 공정에 적용했다. GAA는 핀펫의 기존 3차원 구조에 비해 전류가 흐르는 통로인 채널 아랫면까지 모두 게이트가 감싸 전류 흐름을 보다 세밀하게 제어할 수 있는 기술이다. 업계에서는 핀펫의 한계인 3나노 이하 공정을 극복할 수 있는 차세대 파운드리의 게임 체인저로 GAA를 꼽고 있다.

김정호 KAIST 전기전자공학부 교수는 "GAA 기술을 도입한 삼성전자의 3나노 공정은 전자공학의 영역에서는 원자 레벨의 양자역학 시대로 들어가는 정도의 큰 변화"라며 "TSMC와의 시장 경쟁에서 삼성이 승부수를 던진 것"이라고 평가했다.

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시장조사기관 옴디아에 따르면 삼성전자 파운드리사업부의 지난해 매출은 약 169억달러(22조원)로 예상된다. 파운드리사업부 자체로 매출 집계가 시작된 2018년(117억달러)과 비교하면 연평균 약 13% 성장한 것이다. 같은 기간 파운드리업계의 연평균 성장률인 12%를 소폭 웃도는 숫자다.

삼성전자에 따르면 지난해 파운드리 고객은 100곳을 넘어선 상황이다. 삼성은 3나노에 이은 2나노 공정을 통해 2026년에는 지금보다 3배 많은 300곳 이상의 고객을 확보하겠다는 각오다. 옴디아는 3나노 공정을 활용한 매출이 올해부터 발생해 2024년에는 5나노 공정의 매출을 넘어설 것으로 보고 있어 가능성은 충분하다.

삼성전자가 3나노 공정을 안착시키기 위해서는 안정적인 수율(양산품 비율)을 확보하는 것이 핵심이다. 이번에 중국 업체를 포함해 여러 고객사에 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 납품한 데다 모바일 시스템온칩(SoC) 생산도 계획하고 있어 일단은 수율이 안정화한 것으로 업계는 보고 있다. 이혁재 서울대 전기정보공학부 교수는 "수율은 삼성 내부 기밀이기 때문에 알기가 어렵지만, 양산을 공식화했다는 것은 회사가 원하는 수율은 충족했다는 의미"라고 말했다.

3나노 공정으로 제품을 생산하려면 고객 확보도 중요한 과제다. 특히 스마트폰의 두뇌로 불리는 모바일 AP 주문을 따오는 것이 핵심이다. 삼성전자가 4나노 공정에서 수율 확보에 실패하면서 퀄컴 등 핵심 고객 일부가 이탈한 것으로 알려졌다. 이들에게 3나노 절전·성능·크기 등의 장점을 보여주고 대형 계약을 따내야 다른 중소 업체들과 계약을 이어갈 것으로 보인다.

[이승훈 기자]

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