삼성전자, 세계 최초로 GAA 기술 3나노 양산 시작
‘파운드리 1위’ 대만 TSMC보다 기술적 우위 점해
기존 핀펫 기술 대비 전력·면적 줄이고 성능 높아져
고객사·수율 확보가 관건…“수율 충분한 수준 달성”삼성전자가 세계 최초로 ‘게이트 올 어라운드’(GAA) 기술을 적용한 3나노(㎚·나노미터) 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다. 1987년 설립돼 35년 역사를 자랑하는 파운드리 시장 1위 대만의 TSMC보다 2017년 독립사업부로 승격돼 5년 남짓된 삼성전자가 기술적 우위에 선 것이다. 삼성전자는 3나노 파운드리 공정을 ‘게임 체인저’로 삼고 1위 추격에 나설 계획이다.

30일 삼성전자에 따르면 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술로, 특히 GAA 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스를 시작하는 것은 삼성전자가 전 세계에서 유일하다.

GAA는 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 ‘채널’ 4개면을 스위치 역할을 하는 ‘게이트’가 상하좌우 전방위 4개면을 감싸는 형태로 이뤄져 있다. 이는 위·왼쪽·오른쪽 3개면만 감싸는 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력은 45%를 절감하고 성능은 23%를 향상시킨다. 면적도 16% 축소돼 더욱 효율적인 활용이 가능하다. 더욱 발전된 GAA 2세대 공정과 비교하면 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소 등의 효과가 기대된다.삼성전자는 칩의 설계와 검증 작업도 효율적이고 빠르게 진행하기 위한 파트너십을 가동한다고 밝혔다. 이른바 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너인 시높시스, 케이던스 등과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라·서비스를 제공해 고객들이 빠른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나가겠다는 계획이다.

상카 크리슈나무티 시높시스 실리콘 리얼라이제이션그룹 총괄 매니저는 “시높시스는 삼성전자와 장기적·전략적 협력관계를 유지하고 있다”면서 “삼성전자와의 GAA기반 3나노 협력은 향후 시높시스의 디지털 디자인, 아날로그 디자인, IP 제품으로 계속 확장되어, 주요 고성능 컴퓨팅 어플리케이션을 위한 차별화된 SoC를 제공할 것이다”고 말했다.

삼성전자가 파운드리 시장을 적극 두드리는 것은 높은 성장성 때문이다. 시장조사기관 옴디아에 따르면 삼성전자 파운드리 사업부 2021년 매출은 약 169억 달러로, 처음 파운드리 사업부 자체로 매출 집계가 시작된 2018년(117억 달러)와 비교해 연평균 약 13%의 고성장을 이어가고 있다. 같은 기간 파운드리 시장 연평균 성장률(12%)보다 높은 수준이다. 파운드리 고객사도 2017년 30곳에서 지난해 100곳 이상으로 4년 만에 약 3배 이상 증가했다. 삼성전자 관계자는 “2026년까지 300곳 이상 확보하는 것이 목표”라고 밝혔다. 최근 이재용 삼성전자 부회장도 유럽 출장에서 돌아와 “첫 번째도 기술, 두 번째도 기술, 세 번째도 기술”이라고 강조했다.특히 이번 3나노 양산은 파운드리 시장에서 압도적 1위 자리에 있는 TSMC보다 기술적 우위를 선점했다는 측면에서 의미가 크다. TSMC는 올 하반기에 GAA가 아닌 기존 핀펫 기반 3나노 반도체를 양산할 계획이다. 옴디아에 따르면 지난해 기준 TSMC가 전 세계 파운드리 시장 매출의 49.5%를 차지하고 있고, 뒤이어 삼성전자(16.3%), UMC(7.3%) 글로벌파운드리(5.8%), SMIC(4.8%) 순으로 이어지고 있다.

결국 삼성전자의 최우선 과제는 고객사 추가 확보를 통해 점유율을 가져오는 것에 있다. 3나노 파운드리 고객사로는 현재 글로벌 팹리스(생산시설 없이 반도체 설계를 전문으로 하는 업체) AMD, 퀄컴 등이 거론되고 있다. 특히 조 바이든 미국 대통령이 지난달 삼성전자 평택공장을 방문했을 때 크리스티아노 아몬 퀄컴 최고경영자(CEO)도 동행해 3나노 반도체를 직접 확인하기도 했다.

충분한 수율 확보도 관건이다. 예를 들어 수율이 60%라면 10개 제품을 생산해 4개 제품은 불합격을 받는다는 의미다. 삼성전자는 앞서 4나노 공정 수율에서 TSMC에 못 미쳤다는 평가를 받았지만, 3나노 공정 수율은 크게 개선된 것으로 전해졌다. 삼성전자 관계자는 “구체적인 수율을 밝힐 수는 없지만, 원활한 공급이 가능하다고 판단되는 수준까지 올라왔다”고 밝혔다.

삼성전자 파운드리사업부장 최시영 사장은 “삼성전자는 파운드리 업계 최초로 ‘하이-케이 메탈 게이트’, 핀펫, EUV 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔고, 이번에 MBCFET GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스 또한 세계 최초로 제공하게 됐다”면서 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 밝혔다.