삼성, TSMC 보다 기술력 앞섰다...3나노 첫 양산(종합)

올해 파운드리시장 3나노 공정 매출 본격화
먼저 출발한 삼성...수율은 곧 해결될 문제
업계 1위 TSMC와의 점유율 격차 좁히기 나선다

[아시아경제 박선미 기자, 유현석 기자] 삼성전자가 세계 최초로 3nm(나노미터·10억분의1m) 반도체 양산을 공식화했다. 파운드리(반도체 위탁생산) 시장 세계 1위인 TSMC보다 빠른 것으로 3나노 공정이 적용된 반도체를 만들어 제품으로 공급하는 건 삼성이 처음이다. 이번 3나노 공정은 TSMC를 따라잡는 동시에 인텔의 추격을 뿌리칠 삼성의 ‘신무기’로 평가받는다.

3나노 공정 파운드리 서비스 '세계 최초'

30일 삼성전자는 세계 최초로 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 밝혔다. 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다.

특히 삼성전자는 이번에 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트(Gate)가 둘러 싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다. 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스는 현재 전 세계에서 삼성전자가 유일하다.

삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력이 45% 절감되고, 성능은 23% 향상된다. 면적은 16% 축소된다. 향후 적용될 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소 효과가 있어 반도체에 더 많은 기능과 높은 성능을 담을 수 있다.

삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 초도 생산한 데 이어 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대해 나갈 예정이라고 밝혔다.

한편 삼성전자는 이번 3나노 반도체 양산을 공식화하며 수율은 공개하지 않았다. 일반적으로 반도체업계에서는 수율 80~90% 정도가 나와야 안정적인 양산과 고객사 확보가 가능하다고 보고 있다. 삼성은 이번 3나노 공정에서 이 정도의 수율은 확보하지 못한 것으로 전해졌다. 다만 고객사와 현 수준의 수율로 양산을 시작하자는 합의를 이끌어낸 상태로 향후 양산과 함께 수율을 빠르게 끌어올린다는 계획이다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 "파운드리 업계 최초로 ‘하이케이 메탈 게이트’, 핀펫, 극자외선(EUV)등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장한 삼성전자는 이번에 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.

3나노 양산 의미와 향후 과제

삼성전자가 세계 최초로 3nm(나노미터) 반도체 양산을 시작했다는 것은 난이도가 가장 어려운 선단 제품을 가장 먼저 만들 수 있는 기술력을 갖췄다는 의미다. 최근 ‘기술 경영’을 강조한 이재용 삼성전자 부회장이 메모리에 이어 파운드리(반도체 위탁생산)에서도 ‘초격차’를 확보한 것이다. 수율(설계 대비 실제 생산된 정상품 비율)확보만 제대로 된다면 매출액 기준 파운드리업계 1위인 TSMC와의 시장 점유율 축소도 시간 문제다. 파운드리 사업구조상 공정 기술력 차이는 고객사의 수주물량과 직결되는 핵심 요소기 때문이다. 이 부회장이 목표로 밝힌 ‘2030 시스템반도체 1위’ 달성 가능성도 한 단계 높아졌다는 평가다.

◆차세대 핵심 기술 3나노, 삼성 ‘기선제압’=반도체에서 회로의 선폭을 말하는 나노는 선폭이 짧을수록 고효율·고성능 반도체를 만들 수 있다. 이를 바탕으로 생산성도 올라간다. 첨단 설계를 먼저 한 곳에 수주가 몰릴 수밖에 없다는 얘기다. 그만큼 삼성전자가 경쟁사보다 먼저 3나노 반도체 양산에 들어간 것은 글로벌 반도체 시장의 흐름을 바꿀 수 있는 상당한 의미를 갖는다.

삼성전자가 ‘첫 단추’를 꿰면서 올해 파운드리시장의 3나노 공정 매출도 본격화될 전망이다. 시장조사기관 옴디아에 따르면 3나노 이하 공정의 매출은 올해 39억7100만달러 수준으로 시작해 2023년 112억3900만달러, 2024년 186억4400만달러, 2025년 254억500만달러 등 연평균 85.6%의 고성장이 예상된다.

3나노 보다 단계가 낮은 5나노 공정의 경우 올해 매출이 154억5200만달러로 전 공정 가운데 가장 큰 비중을 차지한다. 하지만 2025년까지 연평균 성장률이 7.5%에 불과해 2024년에는 182억6300만달러 수준에 그칠 것으로 추정된다. 3나노 공정에 매출이 역전될 것이란 얘기다. 삼성전자와 TSMC는 현재 세계에서 유일하게 10나노 미만의 초미세 공정을 도입하고 있다. 향후 매출 규모가 기하급수적으로 커질 3나노 이하 공정에서 누가 먼저 주도권을 차지하느냐에 승패가 달렸다.

미세 공정의 한계를 돌파하기 위해 차세대 기술을 선제적으로 도입하고 있는 삼성전자는 이번 3나노 공정에 업계 최초로 올어라운드(GAA:Gate-All-Around)기술도 적용했다. 내년에는 3나노 2세대 제품을, 2025년에는 2나노 제품을 양산하겠다는 계획을 세웠다.

경쟁사인 TSMC는 올해 하반기 핀펫 기반의 3나노 공정 양산을 시작할 예정이다. 다만 삼성과 TSMC가 올해 같은 3나노 공정을 시작한다고 하더라도 삼성이 적용하는 GAA 기술이 TSMC의 핀펫 기술보다 성능, 소비전력 면에서 우수하다는 평가다. 수율을 끌어올리는데 성공할 경우 고객사 확보는 더 유리해진다.

[이미지출처=연합뉴스]

◆전문가 "수율, 시간 지나면 높아질 것"=업계에서는 삼성전자의 파운드리 초격차 기술이 TSMC와의 시장 점유율을 줄이는데 큰 역할을 할 것으로 본다. 옴디아에 따르면 삼성전자 파운드리 사업부 지난해 매출은 약 169억달러, 시장점유율은 16.3% 수준이다. 1위인 TSMC의 매출 513억달러, 점유율 49.5%와 차이가 크다. 하지만 삼성전자 파운드리사업부 자체로 매출집계가 시작된 2018년 117억달러와 비교했을 때, 연평균 약 13%의 고성장을 했다는 점에서 이번 3나노 양산을 계기로 TSMC와의 시장 점유율을 좁힐 수 있는 발판은 마련됐다.

삼성전자 관계자는 "파운드리는 수주산업으로, 고객을 확보해야 성장이 가능하다"며 "지난해 파운드리 고객은 100곳 이상으로 2017년 파운드리사업부 분리 당시 30곳이었던 것과 비교했을 때 약 4년만에 3배 이상 증가한 성과가 있다. 2026년까지 300곳 이상 확보하는 것이 목표"라고 설명했다.

GAA 기술을 적용한 만큼 기존 핀펫 공정의 한계를 돌파한 데 따른 고객사 유입 효과는 기대할 수 있는 부분이다. 현재 팹리스(반도체 설계회사)가 주문을 맡길 선택지가 삼성전자와 TSMC 두 곳으로 한정적인 상황에서, 모바일 AP를 설계하는 글로벌 팹리스들은 선단공정 캐파(생산능력)을 최대한 많이 확보하기 위해 분주하게 움직이고 있다.

박재근 한양대 융합전자공학부 교수는 "첨단 공정으로 분류되는 3나노 공정에서 TSMC 보다 먼저 양산을 시작했다는 것 자체에 의미가 있다"며 "GAA기술까지 먼저 적용했기 때문에 그동안 TSMC에 주문을 집중했던 퀄컴, 엔비디아, 인텔 등이 삼성으로 눈을 돌릴 것"이라고 전망했다. 그는 이어 "양산을 이제 막 시작한 단계로 수율이 낮을 수는 있지만, 몇개월만 지나면 높아질 수 있는 문제"라며 "먼저 시작했기 때문에 수율 안정화 시기도 TSMC 보다 먼저 찾아올 것이고, 결국 TSMC와의 시장 점유율을 좁히는데 기여할 것"이라고 예상했다.

안기현 반도체산업협회 전무도 "TSMC도 시도하고 있는 GAA 기술 적용 3나노 공정을 삼성이 먼저 시작했기 때문에 확실한 기술적 리더 자리를 차지하게 된 것이라며 "수율도 시간이 지나면 극복할 수 있는 문제"라고 설명했다.

박선미 기자 psm82@asiae.co.kr
유현석 기자 guspower@asiae.co.kr