3나노, 2나노까지…'미세의 한계' 도전하는 반도체 기업들 [임주형의 테크토크]

5nm 딛고 3·2nm 공정 도전하는 반도체 기업들
머리카락 두께 5만분의 1에 달하는 미세 제조업
1nm까지 도달하면 '원자 단위 공정' 준비해야

반도체 공장 / 사진=연합뉴스

[아시아경제 임주형 기자] 지난해 4분기(10~12월)에만 4000만대 이상 출하되면서 인기를 입증한 애플의 스마트폰 '아이폰 13'은, 디자인은 물론 강력한 성능으로도 호평받고 있습니다. 그 비결은 애플이 자체 제작한 5나노미터(nm) 고성능 반도체 'M1'에 있습니다.

이전까지 대부분의 스마트폰용 컴퓨터칩은 7nm 공정으로 제조됐는데, 애플은 세계 최초의 5nm 칩을 선보이면서 하드웨어 성능 경쟁을 선도한 겁니다.

하지만 M1의 화려한 데뷔는 반도체 업계에 다시 한번 '미세 공정 경쟁'의 불씨를 댕기고 있습니다. 반도체 설계사로부터 일감을 수주하는 위탁생산 업체들은 5nm을 넘어 3·2nm 이하 공정을 위해 막대한 투자를 감행할 예정입니다.

◆'10억분의 1m' 단위로 제조되는 현대 반도체

nm은 길이 측정 단위 중 하나로, 통상 1nm은 10억분의 1m입니다. 반도체 안에는 전류가 흐르는 작은 회로가 있는데, 이 회로의 폭을 측정하는 단위로 자주 쓰입니다. 예를 들어 애플의 M1 칩이 5nm으로 제작됐다고 하면, M1 칩 내부의 회로 폭은 5억분의 1m인 셈입니다.

반도체의 경쟁력은 전기 신호들이 지나다니는 회로의 선폭에 좌우됩니다. 회로가 미세한 칩일수록 더 많은 트랜지스터를 집적함으로써 성능을 높이거나, 전체 크기를 줄일 수 있습니다. 5nm 공정으로 제작된 M1 칩 내에는 트랜지스터가 무려 160억개 들어가 있는 것으로 알려져 있습니다.

애플이 공개한 세계 최초 5nm 반도체 'M1' / 사진=애플

1나노미터는 사람 머리카락 두께의 5만분의 1입니다. 인간의 육안으로는 식별하는 것조차 불가능한 미세 단위인데, 이런 수준의 미세 공정을 하려면 고도의 기술력과 자본이 필요합니다.

이 때문에 반도체 중에서도 가장 복잡한 것으로 알려진 중앙처리유닛(CPU), 그래픽처리유닛(GPU) 등 마이크로프로세서를 만드는 기업들은 철저하게 분업화돼 있습니다. 애플, AMD, ARM, 엔비디아 등 '팹리스'로 알려진 기업들은 반도체 설계에 주력하고, 대만의 TSMC나 한국의 삼성전자는 이들 설계 기업으로부터 설계도를 받아 생산하는 역할을 맡습니다.

◆TSMC·삼성, 5nm 넘어 3nm 양산 경쟁

TSMC, 삼성 등 '위탁생산업체(파운드리)'는 최근 5nm 이하의 공정을 실현하기 위해 박차를 가하고 있습니다. '어낸드테크' 등 해외 IT 전문 매체들의 보도를 종합하면, 현 시점 세계 최대의 파운드리 기업인 TSMC는 올해 말 3nm 공정 대량양산 준비를 마칠 예정입니다.

삼성은 그보다 앞선 올해 상반기에 3nm 칩을 양산하겠다는 계획을 발표하며 승부수를 던졌습니다. 최시영 삼성전자 파운드리사업부장은 지난해 10월 온라인으로 개최된 '삼성 파운드리 2021' 행사 기조연설에서 "대규모 투자를 통해 생산 역량을 확대하고, 게이트올 어라운드(GAA) 등 첨단 미세공정뿐 아니라 기존 공정에서도 차별화된 혁신을 이어나갈 것"이라고 강조했습니다. 삼성은 오는 2025년에는 2nm 공정 양산 준비까지 완료하겠다는 계획입니다.

이재용 삼성전자 부회장이 지난해 1월4일 경기도 평택사업장을 방문해 EUV 전용라인을 점검하고 있다. / 사진=연합뉴스

하지만 양산 계획 발표와는 별개로, 두 기업 모두 안정적으로 미세 공정 칩을 생산하려면 아직 거쳐야 하는 난관이 많습니다. 일례로 반도체 수율(생산품에서 양품이 차지하는 비율) 문제가 있습니다. 새로운 기술이 투입된 칩을 만들면 그만큼 불량품이 나올 가능성도 커지는데, 이 불량품 비율을 줄여야 제대로 된 양산이 가능하다고 볼 수 있습니다. TSMC 또한 당초 올해 상반기부터 3nm 양산에 들어갈 예정이었지만, 예상에 못 미치는 낮은 수율 때문에 하반기로 일정을 미뤘습니다.

◆1nm 이하 '원자 단위 공정' 시대도 열릴까

삼성은 세계 최초로 10nm 컴퓨터칩을 양산한 2016년 이후, 불과 6년 만에 3nm 양산의 가능성이 점쳐지는 시대로 돌입했습니다. 그만큼 새로운 생산 기술에 힘입어 설계 업체들 또한 더욱 정밀하고 빽빽한 반도체를 고안할 수 있게 됐습니다. 하지만 반도체 회로의 폭이 더욱 가늘어짐에 따라 새로운 문제가 나타날 것으로 보입니다. 바로 1nm 이하 공정을 어떻게 실현하느냐는 겁니다.

반도체 공정이 1nm 수준에 근접할수록 반도체 트랜지스터는 거의 원자 크기까지 축소됩니다. 원자 단위 세계에서는 이른바 '양자 터널 효과'라는 게 발생하는데, 전자 같은 작은 입자가 갑자기 다른 곳으로 순간이동을 하는 현상입니다. 미세 공정의 극한에 다다른 반도체 업계는 이제 양자역학적 문제까지 고민해야 하는 상황에 몰린 셈입니다.

기업들은 '원자 단위 공정' 시대를 예비하기 위해 무던한 노력을 펼치고 있습니다. 최근에는 미국의 종합반도체기업 인텔이 '나노 경쟁'에서 빠지는 대신 '옹스트롬' 시대를 대비하겠다고 강조했습니다. 이에 따라 인텔이 제조하는 칩은 앞으로 nm 대신 옹스트롬 단위로 표기됩니다. 1 옹스트롬은 0.1nm로, 가장 작은 원자 1개 크기와 동일합니다.

인텔이 옹스트롬을 채택한 것은 앞으로 1nm 그 이하의 공정에 도전하겠다는 포부이기도 합니다. 팻 겔싱어 인텔 CEO는 지난해 7월 인텔의 미세공정 로드맵을 공개하는 자리에서 "인텔은 향후 10년간의 혁신을 통해 '1(nm)'을 넘어설 수 있는 확실한 방법을 보유하고 있다"라며 "인텔은 주기율표의 모든 원수가 고갈될 때까지 실리콘의 마법과 같은 혁신을 거침없이 추구할 것"이라고 말했습니다.

임주형 기자 skepped@asiae.co.kr