삼성전자가 차세대 트랜지스터 GAA(Gate All Around) 3나노 파운드리 공정 초도 양산을 개시한다고 30일 밝혔다. TSMC는 올해 하반기부터 3나노 파운드리 공정 양산을 시작할 예정이다. 삼성전자가 세계 최초로 3나노를 양산하게 된 것이다.

삼성전자가 세계 최초로 GAA 3나노 공정 양산을 시작했다. (자료: 삼성전자)

3나노 공정의 경우 아직 시장도, 생산라인 가동도 초기 단계이기 때문에 물량을 대량으로 생산하고 있지는 않다. 하지만 고객사와 계약을 맺어서 매출을 내기 시작했기 때문에 삼성전자 내에서는 의미 있다고 보는 분위기다. 현재 삼성전자는 더 많은 고객사와 GAA 3나노 공정 양산을 위한 협업 논의를 진행중인 것으로 알려졌다.

이번에 삼성전자가 처음으로 도입한 GAA 공정은 채널이 4개의 게이트에 닿을 수 있도록 배치해 전력이 충분히 흐를 수 있도록 하는 트랜지스터 구조를 말한다. 채널이 게이트에 닿는 면적이 넓어질수록 성능은 높아지고, 데이터 처리 속도와 전력 효율성도 좋아진다. TSMC와 삼성전자에서는 이 트랜지스터 구조를 GAA, 인텔에서는 ‘리본펫(RibbonFET)’이라 한다.

삼성전자는 자사 3나노 공정에 채널을 얇고 넓게 나노시트(Nanosheet) 형태로 만들어 탑재한 독자적 구조 ‘MBCFET GAA’를 적용했다고 밝혔다. GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능⋅저전력 반도체 설계에 큰 강점을 가지고 있다는 것이 삼성전자 측의 설명이다.

더불어 삼성전자는 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO, Design Technology Co-Optimization)를 통해 소비전력과 성능, 면적 등을극대화했다고 설명했다. 여기서 설계 공정 기술 공동 최적화란 3나노 반도체 생산이 원활하게 이뤄질 수 있도록 삼성전자가 설계에 같이 관여해서 최적화하는 방식을 말한다.

삼성전자 측은 “삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫(FinFET) 공정에 비해 전력 소모와 차지하는 면적은 각각 45%, 16% 줄어들었고, 성능은 23% 향상했다”며 “뒤이어 양산을 시작할 GAA 2세대 공정으로 만든 반도체는 전력소모는 50% 절감, 성능은 30% 높이고 면적은 35% 줄어들 예정”이라고 말했다.

3나노 양산 시작한 삼성, 앞으로 과제는?

삼성전자가 계획대로 올해 상반기 내 3나노 GAA 공정 양산을 시작했다는 점은 긍정적이다. 세계 최초 타이틀을 달게 됐기 때문이다. 하지만 여전히 삼성전자 3나노 GAA 파운드리에는 해결해야 할 과제가 남아 있다. 전문가들 사이에서도 삼성전자 3나노 파운드리에 대해서는말을 아끼는 분위기다. 양산을 시작했다는 것 하나만으로 3나노 GAA 공정의 경쟁력과 가능성을 알렸다고 보기에는 어렵기 때문이다.

가장 먼저 해결해야 할 과제는 수율(생산 과정에서 양품이 차지하는 비율) 개선이다. 삼성전자는 5나노 이하 파운드리 공정부터 줄곧 수율에 대한 지적을 받아 왔다. 삼성 파운드리에 대한 논란이 일던 당시 알려진 바에 따르면, TSMC의 수율은 70%정도 되는 반면, 삼성전자의 4나노 수율은 그의 절반인 35%에 불과했다. 반도체 업계에서는 양산을 하기 위해서는 통상 60% 이상의 수율을 달성해야 한다고 보고 있다.

삼성전자는 수율에 대한 문제에 대해 지속적으로 개선하고 있다는 입장이다. 지난 3월 개최한 주주총회 당시 경계현 삼성전자DS부문장 사장은 “5나노 이하 공정은 점진적으로 수율을 개선해 안정화하는 단계에 접어들고 있다”고 밝혔다. 3나노 공정과 관련해서 한 삼성전자 관계자는 “현재 3나노 수율은 초기에 알려진 만큼 낮지 않으며, 초기 단계에서 계속 개선하고 있는 상황”이라며 “그렇기 때문에 고객사와 계약을 맺고 판매까지 이어질 수 있게 됐다”고 말했다.

가격 문제 또한 삼성전자가 안고 있는 과제 중 하나다. 한 국내 반도체 업계 관계자는 “3나노 공정을 많은 고객사가 사용할 수 없는 이유는 비용이 너무 많이 들기 때문”이라고 말했다. 아무리 수율을 잡았다 하더라도 GAA 3나노 공정을 위해 삼성전자는 트랜지스터 구조를 변경하고 장비를 새로 투입했는데, 그 감가상각을 따지면 원가가 비싸질 수밖에 없다는 해당 관계자의 설명이다.

이렇게 되면 어느 정도 자금을 탄탄히 들고 있는 주요 팹리스 기업만 3나노 공정을 사용할 수 있고, 중소 팹리스 기업은 사용하기 어려울 수 있다. 원가를 절감하고 가격 경쟁력을 확보하는 것도 현재 삼성 3나노가 해결해야 할 숙제다.

삼성전자의 GAA 3나노 경쟁력 여부가 판가름나는 시점은 TSMC도 3나노 양산을 시작하는 내년이 될 예정이다. TSMC는 올해 말 애플 M2프로와 M2맥스를 양산할 계획이라고 알려졌다. 이 때까지 수율이나 성능 측면에서 TSMC와의 격차를 좁히는 것이 삼성전자가 현재 해야 할 가장 큰 과제라고 볼 수 있다.

해외 IT전문매체 WCCF테크는 삼성 파운드리 3나노 고객사 유치 여부와 관련해  “TSMC 3나노를 사용하고자 하는 팹리스 기업의 경우, 애플 물량으로 인해 주문이 밀릴 가능성이 있다”며 “주문이 밀린 팹리스 기업은 대안으로 삼성 파운드리를 잠재적인 파트너로 추가할 것”이라고 예측했다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장 사장은 “삼성전자는 이번에 MBCFET GAA 기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스를 세계 최초로 제공하게 됐다”며 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 말했다.

글. 바이라인네트워크
<배유미 기자>youme@byline.network