[피스앤칩스]미지의 세계 '1나노'…파운드리 소수점 경쟁

TSMC, 2026년 1.6나노 구현
후속주자 인텔 1.8나노 속도전

1나노 과도기 소수점 경쟁 심화
숫자보단 성능·수율 주목 필요

2022년 삼성전자가 양산한 3나노 파운드리.

최근 파운드리(반도체 위탁생산) 업계에서 소수점 단위 경쟁이 치열해지는 모습입니다. 3나노미터(㎚·10억분의 1m), 2나노에 이어 향후 1나노 시대가 도래할 예정인 가운데 업체들이 소수점까지 붙여가며 기술 선점을 다투고 있기 때문입니다.

세계 파운드리 시장 1, 2위 사업자인 대만 TSMC와 삼성전자는 모두 2027년에 1.4나노 공정 양산을 예고한 바 있습니다. 이런 상황에서 인텔은 연내 18A(1.8나노급) 공정 양산을 시작하겠다며 업계 기술 경쟁에 불을 붙였습니다. 과거 파운드리 사업을 접었다가 2021년 재진출한 후속 주자인 만큼 선두 업체를 따라잡기 위해 속도전에 돌입한 겁니다.

파운드리 사업에선 나노를 줄이는 것이 가장 큰 기술 과제입니다. 나노는 반도체 칩에 있는 전자 회로 선폭을 말하는데요, 미세 단위답게 난쟁이를 뜻하는 그리스어 '나노스(nanos)'에서 단어가 유래했다고 합니다. 1나노가 성인 머리카락 굵기의 약 10만분의 1 정도라고 하니 얼마나 미세한지 어림잡기 힘들 정도입니다.

파운드리 업체들은 나노를 줄여 반도체 성능을 높입니다. 선폭을 줄일수록 처리 속도를 높일 수 있고 소비 전력을 줄일 수 있다고 합니다. 선폭을 줄이면 반도체 칩을 만드는 토대인 웨이퍼(실리콘 소재 원판)에 더 많은 회로를 그릴 수 있는 만큼 생산성도 좋아진다고 합니다. 기술 개발을 통해 더 미세한 나노를 구현하는 것이 파운드리 업계의 숙명인 이유입니다.

다만 한 자릿수 나노 시대로 오면서 기술 개발에 어려움이 커지고 있다고 합니다. 7나노, 5나노, 4나노, 3나노로 내려오면서 요구되는 기술 수준이 더 높아지고 있다는 겁니다. 현재 최신 공정인 3나노에서 나아가 앞으로 2나노, 1나노 시대로 가게 되면 기술 구현이 지금보다 훨씬 더 어려워질 수밖에 없다고 하네요.

김정호 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수는 "1나노는 10옹스트롬(A·1A=100억분의 1m)이고 옹스트롬이 원자 단위이니 1나노는 원자 10개 정도인 것"이라며 "전자공학을 뛰어넘어 양자역학 영역으로 가는, 굉장히 어려운 수준의 기술"이라고 했습니다.

이렇다 보니 파운드리 업계는 2나노에서 1나노로 뛰어넘는 것이 아닌, 1나노로 가는 과도기에 다양한 소수점 공정을 구현하겠다고 예고한 상태입니다. TSMC는 2027년 1.4나노 양산 전인 2026년 하반기에 A16(1.6나노) 공정으로 반도체를 생산하겠다고 지난주 밝히기도 했죠. TSMC가 1.6나노 공정을 언급한 것은 처음이다 보니 업계 안팎의 주목도가 컸답니다.

업계에선 1나노대에 소수점 경쟁이 펼쳐지는 만큼 단순한 숫자 비교보단 공정 수준에 맞는 성능이 구현되는지, 수율(완성품 중 양품 비율)을 어느 정도로 끌어올렸는지가 업체 간 경쟁력을 판가름하는 중요 요소가 될 것이란 평가가 나옵니다.

또 1나노 너머의 기술을 구현하는 것은 단기간에 이뤄지진 않을 것이란 전망이 나옵니다. 앞으로 여러 반도체를 결합하는 패키징이나 새로운 적층 기술로 반도체 성능을 높이려는 시도가 늘어날 수 있다고 하네요.

김형준 차세대지능형반도체사업단장(서울대 명예교수)은 "나노가 0으로 간다는 것은 물리적으로 불가능하다"며 "최근엔 수평으로 놓여 있던 N형과 P형 트랜지스터를 수직으로 쌓아 면적을 줄이면서 집적도를 높이는 씨펫(CFET) 기술 연구를 많이 하고 있다"고 했습니다.

편집자주현대 산업의 쌀로 불리는 반도체. 매일 듣는 용어이지만 막상 설명하려고 하면 도통 입이 떨어지지 않죠. 어렵기만 한 반도체 개념과 산업 전반의 흐름을 피스앤칩스에서 쉽게 떠먹여 드릴게요. 숟가락만 올려두시면 됩니다.

김평화 기자 peace@asiae.co.kr