[칩톡]훌쩍 큰 '3나노 반도체'…차세대 트랜지스터 전쟁

TSMC 작년 4분기 매출 6255억대만달러
올해 글로벌 파운드리 시장 회복 전망
3나노 선단 공정 수요 늘며 자신감 보여

삼성전자·TSMC 3나노 기술 향상 총력
TSMC 우위 속 GAA 기회 노리는 삼성전자
"삼성전자 2028년 파운드리 점유율 24%"

대만 파운드리(반도체 위탁생산) 기업 TSMC가 최근 실적 발표를 통해 지난해 4분기 매출액이 6255억3000만대달러로 전년 동기 수준을 기록했다고 밝혔다. 순이익은 2387억1000만대만달러로 같은 기간 동안 19.3% 줄었다.

평이한 실적 발표에서 눈길을 사로잡은 건 3나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 공정 비중이었다. 전년까지 전무했던 3㎚ 비중이 15%까지 오른 것이다. 7㎚(17%)와 5㎚(35%) 중심이던 선단 공정에서 3㎚(15%)가 부상하면서 TSMC의 7㎚ 이하 공정 비중은 67%로 올랐다. 반도체 경기가 올해 회복세를 보이면서 3㎚ 시대도 성큼 다가왔다.

이런 추세는 C.C.웨이 TSMC 최고경영자(CEO)의 발언에서도 확인할 수 있다. 그는 실적 발표 자리에서 "올해는 업계를 선도하는 3㎚ 기술의 지속적이고 강력한 성장과 5㎚ 기술 관련 강한 수요, 인공지능(AI) 연관 수요에 힘입어 견조한 성장세를 보일 것으로 예상한다"고 말했다.

3㎚ 성장으로 파운드리 업황 회복

TSMC는 올해 실적 회복에 자신감을 보이고 있다. 웨이 CEO는 올해 메모리 반도체를 제외한 전체 반도체 시장의 매출 규모가 10% 늘어난다며 그중 "파운드리 시장은 20% 성장할 것"이라고 예상했다. TSMC는 이같은 파운드리 시장 성장세와 발맞춰 자사의 내년 매출 역시 20% 넘게 늘어날 것으로 내다보고 있다.

다른 시장 전망도 긍정적이다. 시장조사업체 IDC는 올해 파운드리 시장 규모가 1245억달러로 작년 대비 18.2% 늘어날 수 있다고 예상했다. 2025년에도 파운드리 시장이 19.7% 성장하며 본격적인 업사이클을 그릴 수 있다는 전망도 내놨다. 또 국제반도체장비재료협회(SEMI)는 올해 파운드리 분야 생산능력이 월 1020만장으로 작년(월 930만장) 대비 9.68% 늘어난다고 내다봤다.

3㎚서 경쟁하는 삼성전자·TSMC

반도체 업계는 TSMC가 올해 업황 회복과 함께 3㎚ 공정을 확대하면서 삼성전자와 경쟁이 치열해질 가능성에 주목한다. TSMC는 고객사인 애플의 최신 모바일 애플리케이션 프로세서(AP)를 3㎚ 공정에서 양산하며 관련 매출 비중을 늘리고 있다. 삼성전자의 경우 2022년 6월 3㎚ 양산에 돌입한 뒤 서버용 칩 고객사 등을 확보하며 먹거리를 늘리고 있다. 양사 모두 3㎚ 공정 기술 수준을 업그레이드(1세대→2세대)하면서 수율(제조품 중 양품 비율)을 끌어올리는 데 힘쓰는 모습이다.

시장조사업체 옴디아는 3㎚ 이하 파운드리 시장이 올해 216억2000만달러에서 2026년 381억8000만달러로 성장할 것으로 내다봤다. 또 2023년부터 2026년까지 3㎚ 이하 파운드리 시장 성장률이 연평균 65.3%에 이를 수 있다고 예상했다. 전체 파운드리 매출에서 3㎚ 이하 공정이 차지하는 비중 역시 2026년이 되면 24.4%까지 늘어날 것으로 보인다. 삼성전자, TSMC가 3㎚ 시대 승기를 잡기 위해 분주할 수밖에 없는 이유다.

현재로선 파운드리 업계 1위 기업인 TSMC가 3㎚ 경쟁에서 삼성전자보다 앞선다는 시장 평가가 지배적이다. 삼성전자는 이같은 상황에서 차세대 트랜지스터 구조인 ‘게이트올어라운드(GAA)’ 기술력을 높이며 TSMC 추격 발판을 마련하고 있다. GAA는 반도체를 구성하는 트랜지스터 게이트(전류가 드나드는 문)와 채널(전류가 흐르는 길)이 닿는 면을 4개로 늘린 구조다. 기존 구조인 핀펫(FinFET) 대비 데이터 처리 속도가 빠르고 전력 효율이 더 높다 보니 파운드리 게임 체인저로 꼽힌다.

삼성전자·TSMC, 2㎚ 시대 준비 박차

삼성전자는 2022년 6월 3㎚ 양산과 함께 GAA 기술을 먼저 도입했다. 반면 TSMC는 아직 FinFET 기반으로 3㎚ 공정 양산 중이다. 2025년 2㎚ 공정 양산에 접어들면 GAA를 적용할 예정이다. 삼성전자는 TSMC보다 먼저 GAA를 도입한 만큼 2㎚ 시대가 본격화하면 TSMC와의 격차를 줄일 수 있을 것으로 보고 있다.

시장에서도 유사한 전망이 나왔다. 김동원 KB증권 연구원은 "현재 삼성 파운드리 기술이 선단 공정(3~4㎚) 기준으로 TSMC보다 1~2년 뒤처져 있다"며 "하지만 2025년 양산 예정된 2㎚ 공정을 통해 TSMC와 격차를 점차 축소할 것"이라고 말했다. 또 "내년 2㎚ GAA 공정 우위를 확보한 삼성 파운드리 점유율이 지난해 12%에서 2028년 24%로 5년 만에 두 배 상승할 것"이라고 내다봤다.

삼성전자는 3㎚를 넘어 내년 모바일 제품을 중심으로 2㎚ 공정 양산을 준비하고 있다. 2026년에는 고성능 컴퓨팅(HPC), 2027년엔 오토모티브 중심으로 양산 범위를 확대한다. 2㎚ 공정을 도입하면 3㎚ 2세대 대비 칩 성능을 12% 높이면서 전력 소모와 면적은 각각 25%, 5% 줄일 있다는 게 회사 설명이다.

TSMC는 내년 2㎚ 양산을 위해 4월부터 대만 북부 신주과학단지에 있는 바오산 공장에 관련 장비를 반입, 설치를 시작한다. 대만 언론 등에 따르면 TSMC는 대만 남부 가오슝 지역에도 2㎚ 공정 기반의 생산시설을 추가로 선보일 것으로 보인다.