삼성전자 파운드리(반도체 위탁생산)가 내년 상반기에 차세대 GAA(Gate-All-Around) 기반의 3나노미터(nm) 반도체 양산에 들어간다고 공개했다.

세계 최대 파운드리 기업인 대만의 TSMC와 미세공정을 두고 기술경쟁을 벌이는 가운데 삼성이 먼저 세계 최초로 3나노 양산 계획을 밝힌 것이다.

또 2025년에는 GAA 기반의 2나노 양산에 들어가는 등 파운드리 기술력에 대한 자신감을 드러냈다.

◈ GAA 기술 양산 준비 중… 파운드리 미세공정 시장 주도

최시영 삼성전자 파운드리 사업부장(사장)은 6일(미국 현지시간) 온라인으로 개최된 '삼성 파운드리 포럼 2021' 행사의 기조연설에서 내년 상반기에 GAA 기술을 적용한 3나노 1세대, 2023년에 3나노 2세대 양산을 시작한다고 공개했다.

AA는 기존 핀펫(FinFET) 기술보다 칩 면적은 줄이고 소비전력은 감소시키면서 성능은 높인 신기술이다.

기존 핀펫 기술로는 3나노까지밖에 생산할 수 없어 전력효율과 성능, 설계 유연성에 있어 공정 미세화를 지속하는 데 필수적이다.

특히, 삼성전자의 독자적인 GAA 기술인 MBCFET™(Multi Bridge Channel FET) 구조를 적용한 3나노 공정은 핀펫 기반 5나노 공정 대비 성능은 30% 향상되며 전력소모는 50%, 면적은 35% 감소될 것으로 예상된다.

삼성전자가 내년 상반기에 3나노 양산에 성공한다면 TSMC에 앞서는 세계 최초가 될 가능성이 크다.

앞서 대만 언론들은 TSMC가 내년 2월부터 대만에서 3나노 공정 생산라인을 가동해 7월부터 3나노 기술이 적용된 인텔 CPU와 GPU 양산에 들어갈 것이라고 보도했다.

삼성전자는 이어 2025년에 GAA 기반의 2나노 제품을 양산할 계획이라고 소개했다. 삼성전자가 2나노 생산 계획을 외부에 공개한 것은 이번이 처음이다.

최 사장이 이날 포럼에서 GAA 공정 로드맵을 공개한 것은 차세대 트랜지스터 기술 선점에 대한 자신감의 표현으로 풀이된다.

전문가들은 삼성전자의 GAA 신기술이 TSMC와의 기술격차를 좁히는 승부수가 될 것으로 평가한다.

TSMC가 내년 중에 선보일 3나노는 기존 핀펫 공정으로 생산돼 같은 3나노라도 삼성전자가 GAA 기술을 적용한 제품보다 성능이 떨어진다. TSMC는 2나노부터 GAA 기술을 적용할 예정이다.

업계 관계자는 "성공의 관건은 역시 수율"이라며 "삼성전자가 3나노 양산 시점을 앞당기면서 수율만 담보된다면 GAA 공정이 TSMC와의 파운드리 기술 격차를 단번에 뛰어넘는 무기가 될 것"이라고 말했다.

최 사장은 "3나노 공정의 경우 안정적인 생산 수율을 확보하며 양산을 위한 준비가 이루어지고 있다"며 일각에서 제기하는 미세공정 수율 논란도 일축했다.

삼성전자의 2나노 양산 시점이 4년 뒤여서 TSMC와 인텔이 밝힌 2024년에 비해서는 1년가량 늦지만 GAA 기술력이 이를 만회해줄 것이라는 관측도 나온다.

TSMC가 2나노부터 GAA 기술을 처음 적용하는 것과 달리 삼성전자의 2나노는 앞서 3나노 1, 2세대를 거친 GAA 3세대급의 제품인 만큼 성능이 보다 앞설 것이라는 예상이다.

SK증권은 앞서 자체 보고서에서 "GAA 기술을 통해 3나노부터는 삼성이 TSMC 대비 기술력에서 우위를 점하게 될 것"이라며 "TSMC의 2나노 GAA는 삼성의 3나노 GAA 공정 2세대와 실질 성능이 유사할 가능성이 크다"고 분석했다.

◈ 17나노 핀펫 신공정 개발… 응용처 확대 계획도 소개

삼성전자는 비용적인 측면에서의 효율성과 응용 분야별 경쟁력을 갖춘 제품을 제공하기 위해 핀펫 기술을 지속적으로 개선하고 있으며, 이번 포럼을 통해 핀펫 기반 17나노 신공정을 발표했다.

17나노 공정은 28나노 공정 대비 성능은 39%, 전력효율은 49% 향상되며 면적은 43%가 감소될 것으로 기대된다.

특히, 평면 트랜지스터 기반의 28나노 이상 공정을 주로 활용하는 이미지센서, 모바일 디스플레이 드라이버 IC 등의 제품에도 17나노 신공정을 적용할 수 있어 다양한 응용처로의 확대 가능성도 선보였다.

또한, 삼성전자는 기존 14나노 공정을 3.3V 고전압, eMRAM 지원 등 MCU(Micro Controller Unit)에 적용할 수 있는 다양한 옵션을 개발해 IoT, 웨어러블 기기 등 핀펫 공정의 응용처 다변화를 지원하며, 8나노 RF(Radio Frequency) 플랫폼의 경우 5G 반도체 시장에서 6GHz 이하 mmWave 제품에서의 리더십을 확보한다는 계획이다.

최 사장은 기조연설에서 “대규모 투자를 통해 생산 역량을 확대하고, GAA 등 첨단 미세공정 뿐만 아니라 기존 공정에서도 차별화된 기술 혁신을 이어갈 것”이라며, “코로나19로 인해 급격한 디지털 전환이 이뤄지고 있는 가운데, 고객들의 다양한 아이디어가 칩으로 구현될 수 있도록 차별화된 가치를 제공해 나갈 것” 이라고 밝혔다.

이번 ‘삼성 파운드리 포럼 2021’은 역대 파운드리 포럼 중 가장 많은 500개사, 2000명 이상의 팹리스 고객과 파트너들이 사전 등록하며 높은 관심을 끌었다.

한편, 삼성전자는 파운드리 고객과 파트너사의 생태계 강화를 위한 세이프 포럼(SAFE, Samsung Advanced Foundry Ecosystem)을 11월 온라인으로 개최할 예정이다.