[삼성 세계 최초 3나노 양산] '기술 삼창' 외친 이재용...TSMC 잡을 신무기로 판세 뒤집나

기존 핀펫 대신 업계 최초 GAA 기술 적용

파운드리 강자 TSMC·인텔보다 빠른 양산

이 부회장, EUV 확보 위해 직접 발로 뛰어

삼성전자가 세계 파운드리(반도체 위탁생산) 시장에 ‘3나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ))’라는 새로운 무기를 들고 세계 1위 달성 목표에 성큼 다가섰다. 이를 통해 삼성전자가 현재 시장 점유율 1위 업체인 대만 TSMC를 따라잡는 한편 차세대 파운드리 시장의 판을 완전히 바꿀 것이란 평가가 나온다.

삼성전자는 세계 최초로 파운드리 3나노미터 공정 초도 양산을 시작했다고 30일 공식 발표했다.

반도체 회로 선폭을 의미하는 3나노 공정은 현재 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 이날 양산을 공식 발표하면서 삼성전자는 이 공정에선 대만 TSMC를 제치고 한발 앞서게 됐다. 그동안 삼성전자와 TSMC의 최선단(최소선폭) 공정은 4나노였다.

회로 선폭을 미세화할수록 반도체 소비전력이 감소하고 처리 속도가 향상되는데, 삼성전자는 이번 3나노 공정에서 차세대 트랜지스터 구조인 'GAA'(Gate-All-Around) 신기술을 세계 최초로 적용해 기술 ‘초격차’를 이뤄냈다.
 

왼쪽부터 삼성전자 파운드리사업부 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. [사진=삼성전자]

◆GAA 기술, 핀펫보다 한 단계 진보한 차세대 반도체 기술

GAA 기술은 공정 미세화에 따른 트랜지스터의 성능 저하를 줄이고, 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높일 수 있어 기존 핀펫(FinFET) 기술에서 한 단계 진보한 차세대 반도체 핵심 기술로 손꼽힌다.

3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력을 45% 절감하면서 성능은 23% 높이고, 반도체 면적을 16% 줄일 수 있다. 내년에 도입될 예정인 3나노 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소 등의 성능이 예상된다고 삼성전자는 설명했다.

삼성전자는 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체 양산에 3나노 공정을 우선 적용하고 향후 모바일 SoC(시스템온칩) 등으로 확대한다는 방침이다.

이번 3나노 공정은 첨단 파운드리 EUV(극자외선) 공정이 적용되는 삼성전자 화성캠퍼스 S3 라인에서 생산된다. 이재용 삼성전자 부회장은 최근 파운드리 미세공정에 핵심인 EUV 확보를 위해 직접 유럽 출장길에 올라, 사실상 독점 생산 기업인 ASML 경영진과 만나 협력 관계를 다지고 왔다. 3나노 GAA 공정의 안정화를 위해 총수가 직접 발로 뛴 것이다.

삼성전자는 이번 3나노 양산을 계기로 세계 1위 파운드리 기업 대만 TSMC 추격에 속도를 낼 계획이다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 기준 세계 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 53.6%로 1위였고, 삼성전자가 16.3%로 2위였다.

TSMC는 삼성전자에 이어 올해 하반기 중 3나노 반도체 양산을 시작하고 GAA 기술은 2나노 공정부터 적용할 계획인 것으로 알려졌다. 반면 삼성전자는 이번 3나노 반도체 양산에 이어 2025년 GAA 기반 2나노 공정을 시작할 예정이다.

◆이재용, '기술 삼창' 외친 지 12일 만에 세계 첫 3나노 양산

“첫 번째도 기술, 두 번째도 기술, 세 번째도 기술”

지난 18일 유럽 출장을 마친 이재용 삼성전자 부회장이 삼성만의 ‘초격차 기술’ 경쟁력을 강조한 지 12일 만에 3나노 파운드리 세계 최초 양산을 발표하면서 시장 판도에도 변화가 예상된다. 3나노 양산은 업계 1위인 대만 TSMC보다 빠른 것으로, 메모리 분야에 이어 파운드리 분야에서도 오는 2030년 세계 1위를 달성하겠다는 삼성의 ‘비전 2030’ 목표가 순항하는 모습이다. 

삼성이 이날 양산에 돌입한 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 3나노는 반도체 칩의 회로 선폭을 머리카락 굵기의 10만 분의 3 수준으로 좁힌 것인데, 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 더 많은 소자를 집적할 수 있어 성능을 높일 수 있다.

삼성전자의 3나노 기술은 각각 올 하반기, 내년 하반기를 양산 목표 시점으로 내세운 TSMC·인텔보다 훨씬 빠른 일정이다. 이 기술은 특히 지난달 20일 삼성전자 평택캠퍼스를 찾은 조 바이든 미국 대통령이 시제품에 서명하면서 양산 일정에 이목이 쏠렸다. 이 부회장은 당시 이 제품을 윤석열 대통령과 바이든 대통령에게 직접 소개했다.

◆현존하는 초미세 미세공정 3나노, 차세대 반도체에 활용

현존하는 최첨단 기술이라 업계 일각에서는 삼성전자가 수율(결함 없는 합격품 비율) 문제로 3나노 양산을 다소 미룰 것이란 우려도 나왔다. 올 초에는 초미세 공정 파운드리 수율 문제로 주요 고객사 이탈 가능성도 제기됐다. 하지만 이날 양산 공식화로 “우려의 시선은 결국 기우에 그쳤다”는 게 업계의 중론이다.

삼성은 이런 초미세 공정의 한계를 돌파하기 위해 기존의 핀펫(fin-fet) 기술 대신 업계 최초로 GAA 기술을 적용했다. GAA 구조의 트랜지스터는 인공지능(AI), 빅데이터, 자율주행, 사물인터넷 등 고성능과 저전력을 요구하는 차세대 반도체에 활용할 예정이다.
 

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

◆파운드리 후발주자 삼성, TSMC 잡으려 초미세 공정 사활

삼성전자가 이처럼 초미세 공정 개발에 적극적으로 나선 것은 파운드리 시장에 독보적으로 우위를 점하고 있는 대만의 TSMC를 따라잡기 위해서다.

메모리 반도체의 절대 강자인 삼성전자는 파운드리 시장에서는 후발주자다. 2017년 삼성전자 파운드리 사업부 출범 이후 빠르게 성장해 지금은 세계 2위까지 올랐지만, TSMC와 점유율 격차는 큰 편이다. 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올 1분기 파운드리 매출 점유율은 TSMC가 53.6%이나, 삼성은 16.3%에 그쳤다.

이런 판세를 뒤집을 신무기로 3나노 공정이 거론됐고, 결국 삼성전자는 TSMC보다 한발 앞서 양산을 시작했다. TSMC는 올 하반기에 기존 핀펫 기술을 적용한 3나노 양산을 시작할 것으로 알려졌다.

현재 7나노 이하 미세공정이 가능한 곳은 삼성전자와 TSMC뿐이다. 파운드리 업체의 선택지는 제한적이라, 퀄컴과 AMD 등 글로벌 팹리스(반도체 설계회사)들은 첨단 미세공정의 생산능력 확보에 열을 올리고 있다. 특히 모바일AP를 설계하는 팹리스들은 매년 성능이 개선된 제품을 출시해야 하는 만큼 최첨단 공정이 경쟁력의 핵심이다.

삼성전자는 지난 5월 향후 5년간 450조원의 국내외 투자 계획을 밝히며 비전 2030 달성에 박차를 가하고 있다. 현재 풀캐퍼(최대 능력)로 운영 중인 파운드리 라인 외에 삼성전자는 올 하반기 평택캠퍼스 3라인 가동을 앞두고 있다. 또 미국 파운드리 제2공장을 텍사스주 테일러시에 건설하는 작업도 착착 진행 중이다.

업계 관계자는 “차세대 반도체 시장에 핵심이 될 3나노 매출 증가를 대비해 삼성전자가 선제적으로 GAA 3나노 공정 양산에 나섰다”며 “애플, 인텔, 구글, AMD, 엔비디아 등 글로벌 IT업체들이 향후 삼성의 잠재 고객이 될 때 TSMC와 격차도 많이 줄어들 것”이라고 전망했다.