이재용 강조한 ‘초격차’ 시스템반도체 1위 '승부수'

▲3일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 열린 '삼성 파운드리 포럼 2022'에서 파운드리사업부장 최시영 사장이 발표를 하고 있는 모습 (사진제공=삼성전자)

삼성전자가 2030년 시스템반도체 왕좌를 차지하기 위한 최고의 무기로 '초격차 기술'을 앞세운다. 반도체는 이재용 부회장이 그리는 '뉴삼성'의 핵심축인 만큼 기술 리더십은 삼성의 미래를 좌우할 중요한 동력이 될 전망이다.

삼성전자는 3일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 '삼성 파운드리 포럼 2022'를 열어 2025년 2나노미터(㎚ㆍ10억분의 1ｍ), 2027년에 1.4나노미터 파운드리(반도체 위탁생산) 공정을 도입한다고 전격 발표했다.

3나노 양산 3개월 만에…GAA 기술 뭐길래

삼성전자의 이번 발표는 지난 6월 세계 최초로 3나노 공정 양산을 시작한 지 약 3개월 만에 이뤄졌다. 구체적인 시기를 못박아 1.4나노 제품 양산 계획을 밝힌 것은 처음 있는 일로, 파운드리 공정에 자신감을 드러낸 것으로 풀이된다. 세계 1위 파운드리 업체인 대만 TSMC도 2나노, 1.4나노 기술을 개발 중이라고 했지만 양산 시기 등은 언급하지 않았다.

삼성전자의 1.4나노 양산은 GAA(Gate All Around) 트랜지스터 기술 혁신을 통해 이뤄진다. 삼성전자는 기존 '핀펫'(fin-fet)이 아닌 GAA 기술을 파운드리 초미세화 공정에 적용했다. 반도체는 초미세화 기술이 곧 경쟁력이다. 양산 중인 3나노의 경우 반도체 칩의 회로 선폭을 머리카락 굵기의 10만분의 3 수준으로 좁힌다. 현재 파운드리의 최첨단 공정인 4나노보다 회로 선폭이 훨씬 미세해진 것이다.

반도체는 웨이퍼(반도체 원판)에 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 더 많은 소자를 집적할 수 있다. 소비전력이 줄어들고 생산효율과 성능은 좋아진다. 다만 회로 선폭을 줄이는 것만으로 반도체의 성능이 개선되는 것은 아니다. 함께 작아진 트랜지스터가 제대로 동작해야 한다. 트랜지스터는 반도체 내에 전류 흐름을 제어한다.

트랜지스터는 전류가 흐르는 '채널'과 채널을 제어하는 '게이트'로 구분된다. 핀펫 기술은 트랜지스터에서 채널과 게이트가 닿는 면적이 우ㆍ상ㆍ좌로 3곳이다. 반면 GAA 기술은 채널의 아랫면까지 게이트로 감싸 모든 면에서 전류가 흐르는 구조다. 채널이 게이트에 닿는 면적을 늘려 충분한 양의 전력이 흐르도록 하는 것이다.

삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적인 MBCFET(다중가교채널 트랜지스터) GAA 구조를 적용해 전력 효율을 더 높일 수 있게 했다.

삼성전자는 공정 혁신과 동시에 2.5Dㆍ3D 이종 집적(Heterogeneous Integration) 패키징 기술 개발도 가속화한다. 3나노 GAA 기술에 MBCFET 구조를 적용하고 3D IC 솔루션을 공급하는 등 고성능 반도체 파운드리 서비스를 제공할 예정이다.

비모바일 반도체 매출 비중 50% 이상 확대

3년 만에 오프라인으로 개최된 올해 삼성 파운드리 포럼에서 삼성전자는 파운드리 기술 혁신과 함께 △응용처별 최적 공정 제공 △고객 맞춤형 서비스 △안정적인 생산 능력 확보 등을 앞세워 파운드리 사업 경쟁력을 강화해 나가겠다고 밝혔다.

삼성전자는 고성능컴퓨팅(HPC), 오토모티브(차량용 반도체), 5G, 사물인터넷(IoT) 등 고성능 저전력 반도체 시장을 적극 공략해 2027년까지 모바일을 제외한 제품군의 매출 비중을 50% 이상 확대할 계획이다. 삼성전자의 지난해 파운드리 고객수는 5G RF, 오토모티브 고객 증가에 힘입어 2019년 대비 2배 이상 증가했다. 2027에는 5배 이상 확보하는 것을 목표로 하고 있다.

삼성전자는 3나노 공정 기반의 HPC 제품을 양산한데 이어 4나노 공정을 HPC와 오토모티브로 확대한다. 비휘발성메모리(eNVM)와 무선주파수(RF)에도 다양한 공정을 개발해 맞춤형 파운드리 서비스를 제공한다. 현재 양산 중인 28나노 차량용 eNVM 솔루션을 2024년 14나노로 확대하고 향후 8나노 eNVM 솔루션을 위한 기술도 개발 중이다. RF 공정은 8나노에 이어 5나노도 개발 중이다.

첨단 공정 캐파 3배 ↑…“실리콘밸리서 기술 자신감”

삼성전자는 2027년까지 선단(첨단) 공정 생산능력을 올해 대비 3배 이상 늘린다.

특히 삼성전자는 앞으로 '쉘 퍼스트' 라인 운영으로 시장 수요에 신속하고 탄력적으로 대응할 예정이다. 쉘 퍼스트는 클린룸을 선제적으로 건설하고, 향후 시장 수요와 연계한 설비 투자로 안정적인 생산 능력을 확보하는 방식이다. 삼성전자는 미국 테일러 파운드리 1라인에 이어 투자할 2라인을 쉘 퍼스트에 따라 진행할 계획이다.

김정호 한국과학기술원(KAIST) 교수는 “특히 삼성전자가 실리콘밸리(북미 지역)에서 1.4나노 양산 계획 발표한 것은 고객사 앞에서 자신감을 보이고 미래를 함께 하자는 메시지인 것 같다”고 말했다.

글로벌 10대 팹리스(반도체 설계) 중 퀄컴, 브로드컴, 엔비디아, AMD, 애플, 마벨 테크놀로지, 자일링스 등 7개 회사가 밀집해 있는 북미 지역은 전세계 파운드리 시장에서 가장 큰 비중을 차지한다. 시장조사기관 옴디아에 따르면 올해 전세계 파운드리 시장 매출 예상 규모(986억 달러)의 50% 이상이 북미 지역에서 발생할 전망이다.

김 교수는 “삼성전자의 계획대로라면 3나노에서 1.4나노로 가는데 5년이 걸리는 것인데, 1.4에서 1나노로 가는데는 10년이 걸릴 것”이라며 “1나노 이후로는 (반도체 공정) 패러다임 자체가 바뀔 것”이라고 설명했다.