[인사이트코리아=장진혁 기자] 삼성전자가 세계 최초로 3나노 파운드리(반도체 위탁생산) 양산을 시작했다. 이재용 부회장이 강조한 ‘초격차 기술’로 세계 파운드리 1위 업체인 대만 TSMC를 잡겠다는 승부수다. 지금까지 삼성전자와 TSMC의 최선단(최소선폭) 공정은 4나노였다.

3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술로 평가받고 있다. 삼성전자는 세계 파운드리 업체 중 유일하게 차세대 트랜지스터 구조인 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 양산에 나선 것이다.

이 부회장은 2019년 4월 시스템반도체 비전 선포식에서 총 133조원의 투자 계획을 발표하며 ‘2030년 시스템반도체 글로벌 1위’라는 목표를 향해 본격적인 도전에 나섰다. 당시 이 부회장은 “메모리에 이어 파운드리를 포함한 시스템반도체 분야에서도 확실히 1등을 하겠다”며 “굳은 의지와 열정 그리고 끈기를 갖고 도전해서 꼭 해내겠다”고 강조했다.

비전 선포식 이후 2년간 삼성전자를 비롯한 반도체 제조 기업과 팹리스, 공급망의 핵심인 소재·부품·장비 업체, 우수 인재 육성을 담당하는 학계 등 우리나라 반도체 생태계 주요 구성원 간의 상호 협력이 활성화되며 비전 달성을 위한 기반을 착실히 다져졌다는 평가다.

하지만 모든 산업영역에서 전례 없는 반도체 부족 사태가 빚어지고 각국 정부가 미래 산업의 핵심인 반도체 공급망 유치를 위해 경쟁하는 상황에서 삼성전자의 시스템반도체 투자 확대 필요성이 제기됐다. 이에 따라 삼성전자는 지난해 5월 2030년까지 시스템반도체 투자액을 기존 133조원에서 171조원으로 늘이겠다고 밝혔다.

삼성전자는 메모리 분야에서 기술 우위를 유지하는 동시에 시스템반도체 분야에서 경쟁력을 확보함으로써 반도체 산업 전반에서 리더십을 공고히 한다는 전략이다. 메모리반도체에서는 글로벌 시장을 지배하고 있지만, 파운드리 분야에서는 후발업체로 대만 TSMC를 추격해야 하는 상황인 것이다. 대만 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 기준 세계 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 53.6%로 1위였고, 삼성전자가 16.3%로 2위였다.

반도체는 한국 경제의 ‘안전판’이자 4차 산업혁명의 핵심 기반 산업으로, 한번 경쟁력을 잃으면 재기하기가 거의 불가능하다는 점에서 삼성의 공격적 투자는 사실상 ‘생존 전략’으로 분석된다. 이 부회장이 ‘기술’을 절박하게 외친 것도 이런 이유에서다. 최근 유럽 출장을 마치고 귀국한 이 부회장은 “첫 번째도 기술, 두 번째도 기술, 세 번째도 기술”이라며 ‘초격차 기술’이 절실하다는 의지를 내비쳤다. 그동안 이 부회장은 “미래기술 확보는 생존의 문제”라며 기술 경쟁력 강화의 중요성을 여러 차례 강조해왔지만, 이처럼 수사적인 표현을 쓴 것은 이례적이었다. 이 부회장이 글로벌 기업들의 핵심기술 경쟁이 치열하게 펼쳐지고 있는 현장을 생생하게 목격했기 때문으로 풀이된다.

‘차세대 GAA 신기술’ 첫 적용…전력·성능·면적 극대화

삼성전자는 이번 3나노 공정에서 반도체를 구성하는 트랜지스터에 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러 싸는 형태인 ‘차세대 GAA(Gate-All-Around) 신기술’을 세계 최초로 적용하며 기술 혁신을 이뤄냈다.

채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 비교해 GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지면서 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술로 손꼽힌다.

삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적 MBCFET GAA 구조도 적용했다. 나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있으며, 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어 GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있어 고성능·저전력 반도체 설계에 큰 장점이 있다.

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화를 통해 PPA(Power·소비전력, Performance·성능, Area·면적)를 극대화했다. 삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% 축소됐다. 내년에 도입될 예정인 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소된다.

이번 3나노 공정은 첨단 파운드리 EUV(극자외선) 공정이 적용되는 삼성전자 화성캠퍼스 S3 라인에서 생산된다. 삼성전자는 고성능 컴퓨팅용 시스템반도체 양산에 3나노 공정을 우선 적용한 뒤 모바일 시스템온칩 등으로 확대할 예정이다. 삼성전자는 3나노 반도체 양산에 이어 2025년 GAA 기반 2나노 공정을 시작할 예정이다. 파운드리 라이벌 TSMC는 올해 하반기 중 3나노 반도체 양산을 시작하고, GAA 기술은 2나노 공정부터 적용할 계획인 것으로 알려졌다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장 사장은 “삼성전자는 파운드리 업계 최초로 하이-케이 메탈 게이트, 핀펫, EUV 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔고 이번에 MBCFET GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스 또한 세계 최초로 제공하게 됐다”며 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하고 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 밝혔다.