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삼성의 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술로, 차세대 트랜지스터 구조인 GAA(Gate-All-Around) 신기술을 적용한다. GAA(Gate-All-Around) 기술은 차세대 트랜지스터 구조로, 전류가 흐르는 채널을 게이트가 4면으로 감싸서 전력 효율과 성능을 높이고, 칩 면적을 줄이는 효과가 있다.
삼성전자는 세계 최초로 GAA 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다. 삼성전자는 나노시트 형태의 독자적인 MBCFET GAA 구조를 적용했으며, 설계 공정 기술 최적화를 통해 PPA(Power:소비전력, Performance:성능, Area:면적)를 극대화했다. 삼성전자는 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라/서비스를 제공한다.
MBCFET GAA 구조는 Gate-All-Around Field Effect Transistor의 약자이다. 게이트가 채널의 3면을 감싸는 구조로, 기존의 핀펫(FinFET) 구조보다 전력 효율이 높고 성능이 우수하다. MBCFET GAA 구조는 삼성전자가 개발한 차세대 트랜지스터 구조로, 2023년부터 3나노 공정에서 양산을 시작할 예정이다.
3나노 공정은 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체와 모바일 SoC(System on Chip) 등에 적용될 수 있다. HPC는 인공지능(AI), 빅데이터, 클라우드 컴퓨팅 등의 어플리케이션을 위한 반도체를 말하며, 모바일 SoC는 스마트폰이나 태블릿 등의 기기에 들어가는 반도체를 말한다.
수율은 실리콘 웨이퍼에서 생산된 양호한 칩의 백분율을 의미한다. 수율이 높다는 것은 각 웨이퍼에서 더 많은 칩을 생산할 수 있어 생산 비용이 낮아진다는 것을 의미한다. 삼성이 3나노 공정 수율에서 TSMC를 앞선다면, 삼성은 경쟁력, 고객 유치, 제품 다양화 등에서 이점을 얻을 수 있다.
TSMC는 그동안 수율에서 삼성을 앞섰다. 한국 회사의 4나노 공정 수율은 75%인 반면 TSMC는 인상적인 80%를 자랑했다. 그러나 최근 TSMC의 3나노 공정 수율에 문제가 발생한 것으로 알려졌다. TSMC와 애플은 현재 수율 개선을 위한 공정 전환을 검토하고 있는 것으로 전해졌다.
TSMC와 애플은 현재 3나노 공정(N3B)으로 A17바이오닉을 생산하고 있지만, 2024년부터 트랜지스터 밀도는 낮아지지만 수율은 높은 다른 방식의 3나노 공정(N3E)을 활용할 가능성이 있다. 하지만 이와 같은 공정 변화는 칩 성능 저하를 불러올 수 있다.
A17 바이오닉은 애플이 2023년 출시할 차기 아이폰15 시리즈에 채택할 것으로 예상하는 칩셋이다. 이 칩셋은 처리 능력 향상보다 전력 효율 개선을 통한 배터리 수명 증가에 초점을 두고 있는 것으로 알려졌다.
애플은 TSMC와의 결속이 높아 파운드리를 변경할 가능성이 작지만, TSMC의 수율 문제에 직면한 만큼 삼성전자 파운드리가 대안으로 부각될 가능성이 있다. 삼성전자는 GAA 기술을 활용해 수율과 성능 측면에서 TSMC와 비슷하거나 그 이상인 것을 증명할 수 있다면, 애플로부터 일부 물량을 수주할 여지가 있다. 또한, 애플도 지정학적 리스크를 고려하면 파운드리를 이원화할 필요성이 있다.
삼성전자는 2024년 상반기 GAA 2세대 공정을 시작해 본격적으로 모바일 반도체를 생산할 계획이다. 삼성전자는 이미 GAA 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했으며, 고객사로 AMD와 퀄컴, 엔비디아 등이 유력하다. 이들은 TSMC와의 가격 차별에 불만을 가지고 있으며, 삼성전자와의 친밀도도 높이고 있다.
TSMC는 3나노 공정에 핀펫 구조를 그대로 쓰며, 내년 7월쯤 생산량을 점차 늘려가기 시작할 예정이다. TSMC는 가격 정책에 불만을 가진 AMD와 퀄컴 등 주요 팹리스에게 공급가격을 인상했다.
삼성전자의 3나노 1단계는 TSMC의 4나노와 비교해 성능에서 큰 차이가 없지만 3나노 2단계에서는 확실히 앞설 것이라는 평가가 대체적이다. 이렇게 되면 올 하반기나 내년 상반기 이후 글로벌 기술기업들의 삼성 파운드리와의 신규 계약이 늘어날 전망이다.
홍정화 글로벌이코노믹 기자 noja@g-enews.com
