[이슈 프리즘] 삼성전자, 세계 최초 3나노 파운드리 양산 승부수 띄운다
[이슈 프리즘] 삼성전자, 세계 최초 3나노 파운드리 양산 승부수 띄운다
  • 최종원 기자
  • 승인 2022.07.01 07:54
  • 수정 2022.07.01 07:54
  • 댓글 0
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삼성전자, GAA 차세대 기술 '최초 상용화'
전력 45%↓·성능 23%↑, 내년 2세대 양산
삼성전자 파운드리사업부 (좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. [출처=삼성전자]
삼성전자 파운드리사업부 (좌측부터) 정원철 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. [출처=삼성전자]

삼성전자가 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노(㎚=10억분의 1m) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정 기반의 초도 양산을 시작했다. 최근 삼성전자 파운드리는 1위 TSMC와 점유율 격차가 확대된 데다 중국 기업들의 맹렬한 추격을 받고 있다. 이번 양산을 계기로 경쟁 우위를 점하고 메모리 신화를 잇는 '기술 초격차'로 이어질지 주목된다.

1일 업계에 따르면 삼성전자는 이번에 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널(Channel) 4개면을 게이트(Gate)가 둘러 싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다. 차세대 기기에 탑재될 반도체 크기가 작아질 것을 시장에서 요구하면서 초미세 공정은 더욱 중요해지고 있다. 이런 초미세 공정을 가능케 하는 기술로 극자외선(EUV) 노광기술과 게이트올어라운드(GAA)가 꼽힌다. 

GAA는 3차원 방식의 핀펫(FinFET) 기술보다 한 단계 진일보된 4차원 기술로, EUV와 함께 차세대 공정으로 평가된다. 위·아래·좌·우 트랜지스터 게이트를 통해 한꺼번에 더 많은 전자를 처리할 수 있어 효율성이 매우 높다. 삼성전자는 2002년부터 GAA를 기반으로 한 독자 브랜드 'MBCFET(Multi Bridge Channel FET)'를 개발해왔다. MBCFET은 미국 IBM, 글로벌파운드리(GF)와 공동 개발한 나노시트 기반이다.

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO, Design Technology Co-Optimization)를 통해 PPA(Power:소비전력, Performance:성능, Area:면적)를 극대화했다. 삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% 축소되었고, 이어 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소된다. 3㎚ 2세대의 양산 시점은 내년이다. 

삼성전자 화성캠퍼스. [출처=삼성전자]
삼성전자 화성캠퍼스. [출처=삼성전자]

삼성전자는 앞으로 고객 요구에 최적화된 PPA, 극대화된 전성비(단위 전력당 성능)를 제공하며, 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나간다는 계획이다. 삼성전자 측은 지난해 3나노 양산 계획 발표 당시 "시스템반도체는 선단공정 적기 개발과 과감한 투자를 통해 혁신제품 경쟁력을 확보함으로써 글로벌 1위 도약을 위한 기반을 마련할 계획"이라며 "GAA 등 신기술 적용 신구조 개발로 3나노 이하 조기 양산에 나설 것"이라고 밝혔다.

삼성전자가 이처럼 3나노 조기 양산 승부수를 던졌지만 시장 상황은 녹록지 않다. 올 1분기 삼성전자는 TSMC와의 격차를 좁히지 못했다. 여기에 글로벌 파운드리 10대 주요 업체 중 유일하게 매출이 감소하기도 했다. 1분기에 삼성전자는 53억2800만달러(약 6조8411억원)의 매출을 올리며 시장 점유율 16.3%를 기록했다. 매출은 전 분기(55억4400만달러)보다 3.9% 줄었고, 시장 점유율도 18.3%에서 2%포인트 낮아졌다. 트렌드포스는 "단말기 시장 수요가 얼어붙으면서 삼성전자의 파운드리 매출이 감소했다"고 분석했다.

같은 시기 TSMC의 매출은 175억2900만달러(약 22조7000억원)로 전 분기 대비 11.3% 급증했고 시장 점유율도 52.1%에서 53.6%로 더 상승했다. 웨이퍼 인상과 고성능 컴퓨팅에 대한 수요 강세, 고환율 등이 영향을 끼쳤다. TSMC는 지난해부터 2023년까지 단 3년동안 1000억달러(112조4500억원)를 투자하겠다고 선언하며 1위 굳히기를 시사했다. 팹(제조 시설)도 동맹 국가 위주로 더욱 늘리기로 했다. TSMC는 일본 구마모토현에 70억 달러를 들여 공장을 짓기 시작해 2024년 반도체 양산에 들어간다는 계획이다. 

3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다.
3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. [출처=삼성전자]

TSMC와 삼성전자에 이은 3위도 대만 파운드리 기업 UMC로 점유율 6.9%를 가져갔다. 중국의 약진도 두드러졌다. 5위 SMIC를 포함한 중국 세 업체의 합계 점유율이 10.2%를 기록, 중국이 처음으로 파운드리 시장에서 점유율 10%를 돌파했다. 삼성전자가 쫓아가야 하는 TSMC는 격차를 더 벌렸고 중국 파운드리에는 턱밑까지 추격을 허용하는 상황에 직면한 것이다.

수율(결함없는 합격품 비율) 문제에서도 자유롭지 못하다. 올해 미국 퀄컴이 3나노 공정의 차세대 애플리케이션 프로세서(AP) 파운드리를 삼성전자가 아닌 대만 TSMC에 전량 맡기기로 한 것으로 알려지면서 수율 문제가 불거졌다. 앞서 업계에선 삼성 파운드리의 4나노 공정 수율은 35% 안팎으로 추정한 바 있다. 

다만 삼성전자는 이번 3나노 GAA 공정 초도 양산으로 다수의 팹리스 고객사 확보가 기대되는 만큼 격차를 좁힐 수 있을 것으로 내다보고 있다. TSMC의 3나노 반도체 양산 시기는 올 하반기인 데다 GAA 기술은 2나노 공정부터 적용하는 것으로 알려지면서 삼성전자가 기술에서 앞서가는 형국이다. 삼성전자는 이번 3나노 반도체 양산에 이어 2025년 GAA 기반 2나노 공정을 시작할 예정이다. 여기에 수율 이슈로 경영진단을 받은 파운드리 사업부 핵심 임원을 교체하는 등 반도체 사업 전략의 변화도 꾀하고 있다.

삼성전자 파운드리사업부장 최시영 사장은 "삼성전자는 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 밝혔다.

[위키리크스한국=최종원 기자]

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