삼성전자, 세계최초 파운드리 3나노 양산···TSMC와 기술격차 벌려
삼성전자, 세계최초 파운드리 3나노 양산···TSMC와 기술격차 벌려
  • 김혜빈 기자
  • 승인 2022.06.30 19:20
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GAA 차세대 트랜지스터 기술 상용화
SAFE 파트너와 지난해부터 3나노 설계 인프라·서비스 제공

삼성전자가 세계최초로 3나노 파운드리 양산을 시작하며 경쟁사인 TSMC와의 기술격차를 더욱 벌렸다. 3나노(nm, 나노미터) 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이며, 차세대 트랜지스터 구조인 GAA(Gate-All-Around) 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스는 전 세계 파운드리 업체 가운데 삼성전자가 유일하다. 삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC·High-Performance Computing)용 시스템 반도체를 초도 생산하는 데 이어, 모바일 SoC 등으로 확대해 나갈 예정이다. 

3나노 파운드리 양산은 ‘후발 주자’인 삼성이 기술력의 우위를 보여줬다는 의미가 있다. 올 1분기 파운드리 점유율(매출 기준)은 TSMC가 53.6%, 삼성전자가 16.3%로 격차가 크다. TSMC는 현재 4나노가 첨단 공정이고, 3나노는 올 하반기에 양산할 것으로 예상된다. 신기술인 GAA 공정은 2나노에 적용할 계획이다.

삼성전자가 세계 최초로 GAA 기술을 적용한 3나노파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다.

삼성전자 파운드리사업부의 정원철 상무(사진왼쪽부터), 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 들어보이고 있다. [사진=삼성전자 제공]
삼성전자 파운드리사업부의 정원철 상무(사진왼쪽부터), 구자흠 부사장, 강상범 상무가 화성캠퍼스 3나노 양산라인에서 3나노 웨이퍼를 들어보이고 있다. [사진=삼성전자 제공]

삼성전자 파운드리사업부장 최시영 사장은 “삼성전자는 파운드리 업계 최초로 하이-케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate), 핀펫(FinFET), EUV 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔고, 이번에 MBCFET GAA 기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스도 세계 최초로 제공하게 됐다”며 “앞으로도 차별화한 기술을 적극적으로 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 밝혔다.

삼성전자는 이번에 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널(Channel) 4개 면을 게이트(Gate)가 둘러싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다.

채널의 3개 면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 비교해, GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술로 손꼽힌다. 또 삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET GAA 구조도 적용했다.

나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있으며, 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어(Nanowire) GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 큰 장점이 있다.

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO·Design Technology Co-Optimization)를 통해 PPA (Power·소비전력, Performance·성능, Area·면적)를 극대화했다.

삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% 축소됐다. 이어 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소된다.

삼성전자는 앞으로 고객 요구에 최적화한 PPA, 극대화한 전 성비(단위 전력당 성능)를 제공하며, 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나갈 계획이다.

공정이 미세화되고 반도체에 더 많은 기능과 높은 성능이 담기면서, 칩의 설계와 검증에도 점점 많은 시간이 소요된다.

한편 삼성전자는 이번 3나노 반도체 양산을 공식화하며 수율은 공개하지 않았다. 일반적으로 반도체업계에서는 수율 80~90% 정도가 나와야 안정적인 양산과 고객사 확보가 가능하다고 보고 있다. 삼성은 이번 3나노 공정에서 이 정도의 수율은 확보하지 못한 것으로 전해졌다. 다만 고객사와 현 수준의 수율로 양산을 시작하자는 합의를 이끌어낸 상태로 향후 양산과 함께 수율을 빠르게 끌어올린다는 계획이다.

삼성전자는 시높시스(Synopsys), 케이던스(Cadence) 등 SAFE (Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라·서비스를 제공함으로써, 고객들이 빠른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나갈 계획이다.

상카 크리슈나무티(Shankar Krishnamoorthy) 시높시스 실리콘 리얼라이제이션그룹(Silicon Realization Group) 총괄 매니저는 “시높시스는 삼성전자와 장기적·전략적 협력 관계를 유지하고 있다”며 “삼성전자와의 GAA 기반 3나노 협력은 앞으로 시높시스의 디지털 디자인, 아날로그 디자인, IP 제품으로 계속 확장돼 주요 고성능 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 차별화된 SoC를 제공할 것이다”고 말했다.

톰 베클리(Tom Beckley) 케이던스 Custom IC&PCB 그룹 부사장 겸 총괄 매니저는 “삼성전자 3나노 GAA 기반 제품 양산을 축하한다”며 “케이던스는 삼성전자와 협력해 자동화한 레이아웃으로 회로 설계와 시뮬레이션에서 생산성을 높일 수 있는 서비스를 제공한다”고 말했다. 이어 “케이던스는 더 많은 테이프아웃(설계 완료) 성공을 위해 삼성전자와 협력을 계속해 나가겠다”고 덧붙였다.

삼성전자의 3나노 양산으로 파운드리 시장에서의 주도권 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 보인다. 시장조사기관 옴디아에 따르면 삼성전자 파운드리 사업부 매출은 지난해 169억 달러로 2018년 이후 연 평균 약 13%씩 성장해 왔다. 이는 파운드리 시장 연평균 성장률 12%를 웃도는 수치다.

 


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