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"기술, 기술, 기술" 삼성전자, 메모리 이어 파운드리 '초격차' 시동

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    "기술, 기술, 기술" 삼성전자, 메모리 이어 파운드리 '초격차' 시동

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    핵심요약

    삼성전자는 오는 2030년까지 메모리 반도체에 이어 팹리스 시스템반도체를 포함한 파운드리 부문에서도 1위를 달성하겠다는 '시스템반도체 비전 2030' 목표를 내걸었다. TSMC의 아성을 무너뜨리기가 결코 쉽지는 않겠지만 3나노 선제 양산이 그 추격의 발판이 될 수 있다는 평가가 나온다.

    3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. 삼성전자 제공.3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. 삼성전자 제공
    삼성전자가 세계 최초로 3나노(㎚=10억분의 1m) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정 양산을 발표하면서 업계 1위인 대만의 TSMC 추격의 '신호탄'을 쏴올렸다. 메모리 반도체 부문의 절대 강자인 삼성전자는 파운드리 부문에서도 '초격차' 전략으로 1위 도전의 발판을 마련했다.

    세계 최초이자 세계 유일한 'GAA' 3나노 공정 양산


    1일 업계에 따르면 삼성전자가 세계 최초로 초도 양산을 시작한 3나노 공정은 현존하는 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 차세대 트랜지스터 구조인 GAA(Gate-All-Around) 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스는 전 세계 파운드리 업체 중 삼성전자가 유일하다.

    삼성전자는 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다. 삼성전자 제공삼성전자는 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다. 삼성전자 제공
    3나노는 반도체 칩의 회로 선폭을 머리카락 굵기의 10만분의 3 수준으로 좁힌 것으로, 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 더 많은 소자를 집적할 수 있어 성능을 높이는 데 유리하다.

    반도체를 구성하는 주요 소자인 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널과 채널을 제어하는 게이트로 구성된다. 삼성전자는 게이트가 채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫(FinFET) 구조가 공정 미세화에 따른 트랜지스터의 성능 저하 등 한계를 보이자 과감하게 신기술을 도입했다.

    삼성전자는 이번에 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다. GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술로 손꼽힌다.

    삼성전자는 특히 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET(Multi Bridge Channel FET) 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.

    삼성전자 제공.삼성전자 제공
    이번에 양산에 성공한 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력은 45% 절감되고 성능은 23% 향상됐으며, 면적은 16% 축소됐다고 삼성전자는 설명했다. 내년에 나오는 3나노 GAA 2세대 공정은 전력은 50% 절감되고, 성능은 30% 향상, 면적은 35% 축소될 예정이다.

    GAA 구조의 트랜지스터는 인공지능(AI), 빅데이터, 자율주행, 사물인터넷 등 고성능과 저전력을 요구하는 차세대 반도체에 활용될 예정이다. 삼성전자는 이번에 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPc)용 시스템 반도체를 초도 생산한 데 이어 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대해 나갈 예정이다.

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

    메모리 1위 삼성전자, 기술 '초격차'로 파운드리 1위 노려


    시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 전 세계 파운드리 시장 매출 점유율은 업계 1위인 대만의 TSMC가 53.6%였지만 삼성전자는 16.3%에 그쳤다. 삼성전자는 글로벌 파운드리 10대 업체 가운데 유일하게 매출이 전 분기보다 3.9% 줄어들면서 TSMC와의 점유율 격차도 3.5%포인트(p)가 더 벌어졌다.

    파운드리 업계 후발주자인 삼성전자는 TSMC가 독주하는 파운드리 시장의 판세를 흔들기 위해 '하이-케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate)', 핀펫(FinFET), 극자외선(EUV) 등 신기술을 선제적으로 도입하며 2017년 삼성전자 파운드리 사업부 출범 이후 빠른 속도로 성장해 왔다.

    지난달 유럽 출장을 떠나는 이재용 삼성전자 부회장. 박종민 기자지난달 유럽 출장을 떠나는 이재용 삼성전자 부회장. 박종민 기자
    삼성전자의 세계 최초 3나노 양산은 TSMC에 기술력에서 앞선다는 것을 입증하며 시장 판도를 바꿀 발판으로 평가된다. 최근 이재용 부회장이 유럽 출장을 마치고 돌아와 "아무리 생각해 봐도 첫 번째도, 두 번째도, 세 번째도 기술"이라며 '초격차' 기술 리더십을 강조한 것도 같은 맥락이다.

    삼성전자는 미국의 인텔에 이어 일본 업체들이 장악하고 있던 D램 시장에 1983년 진입했다. 삼성전자는 "삼성은 절대 성공할 수 없다는"는 일본 업계의 비웃음을 뒤로 하고 1992년 세계 최초로 64M D램을 개발했다. 1년 뒤에는 전 세계 메모리 시장 1위로 우뚝 섰다.

    삼성전자가 30년째 글로벌 메모리 반도체 시장의 1위로 군림할 수 있던 비결이 바로 '초격차' 기술력이었다. 삼성전자는 메모리도 10년이 걸렸다며 파운드리도 성장 잠재력이 크다고 자신하고 있다. 삼성전자는 이미 7나노 이하 반도체를 생산할 수 있는 세계에서 유이한 파운드리이기도 하다.

    결국 3나노에 GAA를 선제 도입한 삼성전자가 기술을 검증하고 일정 수준의 수율(결함이 없는 합격품의 비율)을 확보하는 동시에 안정적인 생산 인프라를 선제적으로 구축해 공급 안정화를 추진해야만 파운드리 시장의 판도를 뒤흔들 수 있을 것이다.

    "TSMC 대항마는 삼성전자 유일"…3년 안에 고객사 300곳 확보 목표


    시장조사업체 옴디아는 3나노 파운드리 공정 매출이 올해부터 발생해 오는 2024년 기존 5나노 공정 매출을 넘어설 것으로 예상했다. 2025년까지 연평균 85% 성장할 것이라는 분석이다. 기존 5나노 공정보다 칩 면적은 작고, 처리 속도는 빨라짐에도 소비 전력은 줄어들기 때문에 고객 수요가 늘어날 수밖에 없다.

    매년 성능이 개선된 제품을 출시해야 하는 팹리스(반도체 설계회사)들은 500만 삼성전자 주주들보다 더 3나노 공정의 성공적인 양산을 바랄 것이다. 한정된 생산능력을 두고 글로벌 팹리스들이 경쟁하는 구도이기 때문이다. 최근에는 자체적으로 반도체를 설계하는 업체들이 증가하면서 최첨단 공정에 대한 수요는 계속 늘고 있다.

    수주 산업인 파운드리는 고객을 확보해야 성장이 가능하다. 삼성전자는 3나노 공정을 발판 삼아 오는 2026년까지 파운드리 고객사를 300곳 이상 확보하는 것이 목표다. 삼성전자의 지난해 파운드리 고객은 100곳 이상으로, 2017년(30곳)보다 3배 이상 증가했다.

    3나노 양산 라인이 있는 삼성전자 화성캠퍼스 전경. 삼성전자 제공.3나노 양산 라인이 있는 삼성전자 화성캠퍼스 전경. 삼성전자 제공
    팹리스들의 선단공정 확보 경쟁이 심화되는 가운데 삼성전자는 전례없는 투자를 진행 중이다. 공격적인 투자를 통해 글로벌 공급망 안정화를 꾀하는 동시에, 스스로 성장할 수 있어서다. 현재 최대로 가동하고 있는 파운드리 라인 외에 삼성전자는 하반기 평택캠퍼스 제3공장 가동을 앞두고 있으며, 미국 텍사스주 테일러시에 미국 내 제2공장을 건설 중이다.

    옴디아는 삼성전자 파운드리사업부의 지난해 매출을 169억달러(약 21조9천억원) 정도로 추정했다. 파운드리사업부 자체 매출 집계가 시작된 2018년 117억달러와 비교해 연평균 약 13% 성장한 수치다. 같은 기간 전체 파운드리 시장의 연평균 성장률 12%보다 높은 수준이다.

    삼성전자는 오는 2030년까지 메모리 반도체에 이어 팹리스 시스템반도체를 포함한 파운드리 부문에서도 1위를 달성하겠다는 '시스템반도체 비전 2030' 목표를 내걸었다. TSMC의 아성을 무너뜨리기가 결코 쉽지는 않겠지만 3나노 선제 양산이 그 추격의 발판이 될 수 있다는 평가가 나온다.

    업계 관계자는 "일각에서는 삼성전자 파운드리의 성장이 더디다거나 너무 선단공정에 매달린다는 우려가 나오지만 삼성전자는 도전적인 첨단공정 도입으로 이만큼 성장해 왔다"며 "현재 기술력 면에서 TSMC에 도전할 수 있는 유일한 대항마는 삼성전자"라고 말했다.

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