삼성, '세계최초' 3나노 반도체 출하…첨단기술로 TSMC 추격(종합)

GAA 기술 적용 3나노 파운드리 제품 출하식 개최
선제적인 파운드리 기술로 사업 경쟁력 강화
경쟁사 TSMC 보다 먼저 양산

25일 오전 경기도 화성시 삼성전자 화성캠퍼스에서 열린 '세계 최초 GAA 기반 3나노 양산 출하식'에서 참석자들이 박수를 치고 있다. (오른쪽부터) DX부문 경영지원실장 박학규 사장, DS부문장 경계현 대표이사, 이창양 산업통상자원부장관, DS부문 파운드리사업부장 최시영 사장./화성=김현민 기자 kimhyun81@

[아시아경제 박선미 기자]삼성전자가 25일 차세대 트랜지스터 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용한 3nm(나노미터·1nm는 10억분의1m) 파운드리 제품 출하식을 개최했다. 경기도 화성캠퍼스 V1라인(EUV 전용)에서 열린 출하식에는 이창양 산업통상자원부 장관, 경계현 삼성전자 DS(디바이스솔루션) 부문장 겸 대표이사(사장)와 임직원, 협력사·팹리스 경영진 등 100여명이 참석했다.

경계현 사장 "무에서 유를 창조하는 혁신적인 결과"

이 장관은 축사에서 삼성전자 임직원과 반도체 산업계의 노고에 감사를 표하고 "치열한 미세공정 경쟁에서 앞서기 위해 삼성전자와 시스템반도체 업계, 소부장 업계가 힘을 모아달라"고 당부했다. 또 "정부도 지난주 발표한 ‘반도체 초강대국 달성전략’을 바탕으로 민간 투자 지원, 인력 양성, 기술 개발, 소부장 생태계 구축에 전폭적인 노력을 아끼지 않을 것"이라 강조했다.

경 사장은 이번 제품 양산으로 파운드리 사업에 한 획을 그었다며 임직원들을 격려했다. 그는 "핀펫 트랜지스터가 기술적 한계에 다다랐을 때 새로운 대안이 될 GAA 기술의 조기 개발에 성공한 것은 무에서 유를 창조하는 혁신적인 결과"라고 말했다.

삼성전자는 GAA 트랜지스터 구조 연구를 2000년대 초부터 시작했다. 2017년부터 3나노 공정에 본격 적용해 지난달 세계 최초로 GAA 기술이 적용된 3나노 공정 양산을 발표했다. 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 화성캠퍼스에서 3나노 GAA 파운드리 공정 제품 양산을 시작한 데 이어 향후 평택캠퍼스까지 확대해 나갈 예정이다. 삼성전자는 3나노 GAA 공정을 고성능 컴퓨팅(HPC)에 처음으로 적용하고, 주요 고객들과 모바일 시스템온칩(SoC) 제품 등 다양한 제품군에 확대 적용을 위해 협력 중이다.

정기태 삼성전자 파운드리사업부 기술개발실장(부사장)은 기술 개발 경과보고를 통해 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조·인프라총괄 등 사업부를 넘어선 협업으로 기술개발 한계를 극복한 점을 강조했다. 개발에서부터 양산에 이르기까지의 과정도 상세히 설명했다. 그는 "삼성전자 파운드리사업부가 ‘혁신적인 기술력으로 세계 최고를 향해 나아가겠다"라면서 3나노 GAA 공정 양산과 선제적인 파운드리 기술로 사업 경쟁력을 강화해 나가겠다는 포부도 밝혔다.

협력사·팹리스 기업 경영진들도 이번 3나노 파운드리 출하에 대한 기대감을 드러냈다. 반도체 장비 업체 원익IPS의 이현덕 대표는 "삼성전자와 함께 3나노 GAA 파운드리공정 양산을 준비하며 원익아이피에스 임직원의 역량도 한 층 더 강화됐다"며 "앞으로도 국내 반도체 장비 산업 발전을 위해 삼성전자와 함께 최선의 노력을 다하겠다"고 밝혔다.

3나노 반도체 출하식의 의미

삼성전자가 세계 최초로 게이트올어라운드(GAA) 기술이 적용된 3나노 파운드리 공정 양산을 발표한 지 한 달 만에 제품 출하식을 진행한 것은 첨단 공정에서 대만 TSMC보다 우위에 있다는 자신감의 표현이자 ‘큰 손’ 고객을 확보하겠다는 의지로 해석된다. 삼성전자는 3나노 파운드리 고객사가 추가 확보되는대로 화성캠퍼스에서만 생산되고 있는 3나노 제품을 평택캠퍼스에서도 확대 생산할 계획이다.

25일 반도체업계에 따르면 삼성전자가 3나노 이하 최첨단 공정에서 애플, 퀄컴, 인텔 등 글로벌 ‘큰 손’ 고객들을 안정적으로 확보하기 전까지 파운드리 업계 1위 TSMC와 시장 점유율을 크게 좁히기는 어렵다는 관측이 지배적이다.

대만 시장조사업체 트렌드포스는 올해 1분기 파운드리(반도체 위탁생산) 시장점유율을 TSMC 53.6%, 삼성 16.3%로 분석했다. 지난해 4분기보다 TSMC 시장점유율은 1.5%포인트 높아진 반면 삼성은 2%포인트 하락해 점유율 격차는 37.3%포인트로 더 커지게 됐다.

분위기를 바꿀 수 있는 핵심 열쇠는 3나노 이하 최첨단 공정에서 삼성전자가 얼마나 많은 큰 손들을 확보할 수 있느냐다. 파운드리 공정은 갈수록 미세화되고 난이도 역시 급격히 높아지는 추세다. 삼성전자가 이번 3나노 공정에 업계 최초로 GAA 기술을 적용한 것은 ‘혁신적인 기술력’을 다시 한번 입증한 것이다. 앞서 삼성전자는 EUV 장비를 시스템반도체(7나노, 2019년), 메모리(3세대 10나노급 D램, 2020년)에 각각 도입, 압도적인 기술 경쟁력을 증명한 바 있다.

GAA는 기존 핀펫의 기존 3차원 구조에 비해 전류가 흐르는 통로인 채널의 아랫면까지 모두 게이트가 감싸 전류 흐름을 보다 세밀하게 제어할 수 있는 기술을 말한다. 업계에서는 TSMC가 빠르면 3분기에나 3나노 파운드리 양산에 도전하고 이 역시 GAA 기술이 아닌 기존 핀펫 구조가 적용될 것으로 보고 있다. TSMC가 GAA 기술을 적용할 수 있는 시점은 2025년 2나노 공정부터가 될 것이란 시각이 지배적이다.

25일 경기 화성시 삼성전자 화성캠퍼스에서 열린 세계 최초 GAA 기반 3나노 양산 출하식에서 연구원들이 3나노 반도체 양산품을 출하하고 있다. 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이며, GAA 역시 세밀한 제어로 반도체의 효율을 높이는 차세대 핵심 기술로 알려졌다./화성=김현민 기자 kimhyun81@

기술 우위 삼성...미세공정 기술 TSMC 기선제압

삼성전자와 TSMC가 2025년 똑같이 2나노 파운드리 양산에 성공한다 하더라도 GAA 기술을 3년이나 먼저 적용해 안정성을 높인 삼성 보다 TSMC가 기술력 측면에서 뒤질 수 있다는 분석도 가능한 상황이다. 예컨대 삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력이 45% 절감되고, 성능은 23% 향상된다. 사이즈는 16% 작아진다. GAA가 적용된 초미세 공정을 통해 반도체에 더 많은 기능과 높은 성능을 담을 수 있다는 얘기다.

특히 삼성과 TSMC 두 기업만이 경쟁하고 있는 10나노 이하 파운드리 공정에서 10나노는 2025년까지 연평균 성장률이 -9.4%인 반면 3나노 이하 미세공정의 경우 85.6%로 고성장이 예고된 상황이다.

한 반도체업계 관계자는 "파운드리 업력이 오래된 TSMC의 경우 기술력이 많이 필요하지 않는 공정에서 삼성 보다 점유율을 많이 확보하고 있어 전체 점유율이 월등히 높다"며 "삼성은 첨단 기술력을 기반으로 성장성이 높은 초미세 공정을 집중 공략하고 있어 3나노 이하 경쟁에서는 우위를 차지할 수 있는 기회를 마주했다"고 말했다. 그는 이어 "고객사들이 앞선 양산으로 높은 수율(양품 비율)을 확보할 수 있는 삼성을 배제하기는 쉽지 않을 것"이라며 "생산 시점이 앞서기 때문에 수율을 끌어올리는 것도 시간문제"라고 내다봤다.

한편 삼성전자는 3나노, 2나노 공정 등 첨단 기술력을 앞세워 2026년까지 고객사를 300곳 이상 확보하는 것을 목표로 하고 있다.

박선미 기자 psm82@asiae.co.kr