[비즈니스포스트] 대만 TSMC가 3나노 파운드리(반도체 위탁생산) 공정에서 기존 방식이 갖고 있는 기술의 한계를 극복하는 데 어려움을 겪으면서 삼성전자에게 역전의 기회가 열리고 있다.

경계현 삼성전자 DS부문장 겸 대표이사 사장은 선제적으로 3나노 공정에 적용한 새 기술 '게이트올어라운드(GAA)'를 활용해 파운드리 세계 1위 TSMC를 추격하는 데 박차를 가할 것으로 보인다.
 

21일 해외 IT매체 WCC테크 등에 따르면 대만 TSMC가 3나노 공정에서 과거 주장했던 80% 수율(양품 비율)을 내지 못하면서 애플의 차세대 모바일 프로세서 ‘A17바이오닉’ 성능이 기대보다 떨어질 것이란 관측이 나온다.

WCC테크는 IT 트위터리안 ‘레베그너스’를 인용해 “TSMC가 3나노 반도체 생산에 어려움을 겪고 있다는 정보가 나오면서 새 아이폰 모델에 들어갈 A17바이오닉의 성능 목표치 기준도 낮아질 공산이 크다”며 “수율 문제로 A17바이오닉의 공급량도 제한될 수 있다”고 보도했다.

TSMC는 3나노 공정에서 기존 '핀펫(FinFET)’ 방식의 한계에 부딪힌 것으로 파악된다,

TSMC는 3나노 공정에서도 반도체 구성요소인 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널과 이를 제어하는 게이트 접촉면이 3면에 그치는 기존 핀펫 공정을 활용하는 방법을 선택했다. 

이는 생산성 등을 고려했을 때 기존 방식을 유지하는 것이 더 안정적으로 제품을 생산하는 데 유리하다고 판단한 것으로 읽힌다.

그러나 회로 선폭이 미세화될수록 누설전류가 커질 수 있고 발열 등에 취약한데 기존 핀펫 공정으로는 3나노와 같은 초미세 회로의 게이트를 통제하는 것이 쉽지 않다.

TSMC는 핀펫 공정에 독자적인 ‘핀플렉스’ 기술을 접목함으로써 이를 해결했다며 수율이 80%에 이른다고 강조했지만 일각에서는 이 또한 다소 과장된 수치라는 분석이 나오기도 했다.

증권전문지 시킹알파는 “반도체업계에서 TSMC의 3나노 미세공정에 기대하던 수준의 성능 발전폭은 2026년 2나노 공정에서야 현실화될 수 있을 것”이라고 진단했다.

반면 삼성전자는 3나노에서 게이트올어라운드(GAA)라는 신기술을 적용하며 TSMC와 다른 길을 선택했다. 게이트올어라운드(GAA)는 채널과 게이트가 4면에서 맞닿게 하는 기술이다.

채널과 게이트 접촉면이 3면에 그치는 기존 ‘핀펫’ 방식보다 게이트의 통제력이 더 강화돼 전력을 적게 소모하고도 성능이 개선될 뿐만 아니라 누설전류 문제도 해결할 수 있다.

GAA는 신기술인 만큼 초기에 안정적으로 제품을 생산하는 것이 쉽지 않다. 하지만 기술이 정착만 된다면 핀펫보다 전력 소모와 전성비(전력대비 성능) 측면에서 10% 정도 우위에 있는 것으로 알려졌다.
  삼성전자가 선제적으로 GAA를 도입한 것은 일종의 모험으로 여겨진다.

그러나 삼성전자는 파운드리 선두주자인 TSMC를 따라잡기 위해서는 어느 정도의 위험감수가 필요하다고 판단했고 3나노에서 승부수를 던졌다.

삼성전자는 현재 1세대 공정으로 3나노 반도체를 양산하고 있으며 2024년 초 2세대 공정 양산을 시작하면 수율을 대폭 끌어올려 본격적으로 모바일 프로세서(AP), 그래픽처리장치(GPU) 등의 첨단 제품을 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

만약 삼성전자의 계획대로 진행된다면 처음으로 동급 파운드리 공정 경쟁에서 TSMC보다 성능 측면에서 우위를 점할 수 있게 된다.

경계현 사장은 2022년 7월 세계 최초로 3나노 양산에 성공했다고 밝히면서 “핀펫 트랜지스터가 기술적 한계에 다다랐을 때 새로운 대안이 될 GAA 기술의 조기 개발에 성공한 것은 무에서 유를 창조하는 혁신적인 결과”라며 “삼성전자는 이번 제품 양산으로 파운드리 사업에 한 획을 그었다”고 자평했다.

최근 LIST23 등 미국 매체에 따르면 삼성전자가 최근 엔비디아, 퀄컴, IBM, 바이두로부터 3나노 파운드리 주문을 확보했다는 소식도 전해지고 있다. 당장 애플을 고객으로 확보하긴 어렵더라도 다른 대형고객의 물량을 받을 수 있다면 첨단공정에서 TSMC와 본격적인 점유율 경쟁도 가능하다.

LIST23은 “많은 기업들이 삼성전자 GAA 기술이 2024년에 본격화될 가능성에 관심을 갖고 있다”며 “2025년까지는 파운드리 시장이 크게 변할 것으로 예상되지는 않지만 삼성전자 파운드리가 TSMC을 능가할 수도 있을 것”이라고 전망했다.

삼성전자는 설비투자 규모에서도 TSMC와 격차를 좁힐 것으로 보인다.

삼성전자는 앞으로 20년 동안 경기도 용인에 300조 원을 투자해 세계 최대 ‘반도체 클러스터’를 구축하겠다는 청사진을 내놓았다. 용인 반도체 클러스터는 첨단 파운드리 설비를 중심으로 구축된다.

김동원 KB증권 연구원은 “삼성전자의 용인투자로 향후 파운드리 중장기 경쟁력이 강화될 것”이라며 “삼성전자의 국내 투자는 최선의 선택”이라고 평가했다. 나병현 기자