삼성, '세계 최초' 3나노 파운드리 양산…"복수 고객사 확보"

[이데일리 최영지 기자] 삼성전자가 세계 최초로 차세대 공정인 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용한 3나노(㎚·1나노는 10억분의 1m) 1세대 제품 양산에 돌입한다. 이는 파운드리(반도체 위탁생산) 경쟁업체인 대만 TSMC보다 반년여 빠른 것이다. 이를 통해 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI), 5세대 이동통신(5G) 등 분야에서 최첨단 시스템반도체를 양산할 계획이다. 삼성전자는 이미 복수의 팹리스(반도체 설계업체) 고객사들을 확보하고 글로벌 파운드리 시장 점유율을 키우는 데 속도를 내겠다는 복안이다.

영상=삼성전자

삼성전자(005930)는 GAA 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다. 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술로, 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스를 시작하는 건 전 세계에서 삼성전자가 유일하다. 고성능 컴퓨팅용 시스템 반도체 생산에 이어 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 생산을 확대함으로써 고객사 확보에도 총력을 기울이고 있다. 삼성전자는 오는 2026년까지 300곳 이상 고객사를 확보하는 것을 목표로 하고 있다. 업계에서는 미국 아마존웹서비스(AWS), 중국 바이두 등이 이미 삼성전자에 반도체 생산 위탁을 맡긴 것으로 추정하고 있다. 삼성전자 관계자는 “복수의 고객사를 확보해 양산에 들어갔다”고 말했다.

3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조&인프라총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. (사진=삼성전자)

MBCFET GAA 세계 첫 적용..“고성능·저전력 반도체 설계 유리”

차세대 반도체의 크기가 점점 작아지고 고집적화되면서 초미세 공정 기술이 더욱 중요해지고 있는데, 삼성전자는 이번에 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 기술인 GAA 기술을 처음 적용했다. GAA 기술은 반도체 소자로 전류 흐름을 조절하거나 증폭시키는 트랜지스터의 채널(Channel) 조정 능력을 극대화시킨 것이다. 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트(Gate)가 둘러싸는 형태를 구현했는데, 채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 비교했을 때 전류가 흐르는 게이트 면적이 더 넓어져 전류 흐름을 보다 세밀하게 제어하는 등 채널 조정 능력을 극대화했다.

삼성전자는 또 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.

핀펫 구조와 비교했을 때, GAA 구조에선 채널을 나노시트 형태로 구현함으로써 전류가 흐르는 게이트 면적이 넓어졌다. (사진=삼성전자)

사진=삼성전자)

“고객사가 요구하는 소비전력·성능·면적 제공”

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO, Design Technology Co-Optimization)를 통해 소비전력·성능·면적 등 PPA를 극대화했다. 삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% 축소됐다. 향후 GAA 2세대 공정에선 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소가 가능해진다.

삼성전자는 앞으로 고객 요구에 최적화된 PPA, 극대화된 전성비(단위 전력당 성능)를 제공하며, 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나갈 계획이다.

파운드리 사업은 고객을 확보해야 생산량을 늘리는 식의 성장이 가능한 만큼 삼성전자는 계속해서 고객사를 늘리겠다는 방침이다. 삼성전자에 따르면 지난해 파운드리 고객은 100곳 상당으로, 2017년 파운드리사업부 분리 당시 30곳이었던 것과 비교했을 때 약 4년만에 3배 이상 늘었다.

또, 삼성전자는 시놉시스, 케이던스 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.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장 사장은 “삼성전자는 파운드리 업계 최초로 ‘하이-케이 메탈 게이트(누설전류를 줄이기 위해 절연효과가 높은 High-K 물질을 게이트에 적용하는 기술)’, 핀펫 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔다”며 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 밝혔다.

윤석열 대통령과 조 바이든 미국 대통령이 지난달 경기 평택 삼성전자 반도체 공장을 방문해, 차세대 GAA(Gate-All-Around) 기반 세계 최초 3나노 반도체 시제품에 사인한 모습. (사진=뉴시스)