[비즈니스포스트] 삼성전자가 반도체 파운드리(반도체 위탁생산) 3나노 공정부터 적용한 신기술 게이트올어라운드(GAA) 방식을 2나노로 고도화하는데 힘쓰고 있다.

경계현 삼성전자 DS부문장 겸 대표이사 사장은 대만 파운드리 경쟁사 TSMC보다 먼저 GAA기술을 적용한 노하우를 토대로 차세대 첨단공정인 2나노 공정에서 기술역전을 노릴 것으로 예상된다.

삼성전자는 27일(현지시각) 미국 실리콘밸리에서 가진 `삼성 파운드리 포럼 2023`을 통해 2025년 모바일 반도체를 중심으로 2나노 양산을 시작해 2026년 고성능 컴퓨팅과 2027년 오토모티브 분야로 2나노 공정을 확대하겠다는 로드맵을 내놨다.

삼성전자가 2025년 2나노 공정에 들어가겠다고 지난해 발표한 뒤 첨단공정에 관한 세부 로드맵을 밝힌 것은 이번이 처음이다.

삼성전자는 현재 화성캠퍼스에서 GAA기술에 기반한 3나노 공정 제품을 생산하고 있으며 앞으로 평택캠퍼스에서 3나노 및 2나노 공정 생산을 확대해 나갈 것으로 예상된다.

삼성전자의 경쟁사 TSMC도 2025년 말부터 GAA기술에 기반한 2나노 공정의 양산에 들어갈 구상을 내놓은 바 있다.

TSMC는 현재 대만 신주과학단지 안에 80조 원을 투입해 GAA기술에 기반한 2나노 공정용 팹(FAB)을 올해 초부터 짓고 있다. 

따라서 향후 반도체 파운드리 기술경쟁의 승패를 좌우할 키포인트는 GAA기술의 성숙도와 관련이 깊을 것으로 예상된다.

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 핀펫 방식보다 전력 소모와 전성비(전력대비 성능) 측면에서 10% 정도 우위에 있는 것으로 알려졌다.

대만 TSMC는 3나노 공정에서 아직 GAA기술이 아닌 기존 핀펫 방식을 적용하고 있는 것으로 파악된다. 

반면 삼성전자는 3나노에서 GAA공정을 적용해 시행 착오를 겪으며 기술을 다듬은 만큼 2나노에서는 기술적 우위를 차지할 수 있을 것으로 예상된다. 

경 사장은 지난해 7월 세계 최초로 3나노 공정 양산에 성공했음을 밝히는 자리에서 GAA기술 적용에 대한 의미를 높이 자평한 것도 삼성전자의 중장기적 역전 시나리오와 맞물려 있는 것으로 보인다.

경 사장은 “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 말했다.

최근 한국과학기술원(KAIST) 강연에서 TSMC를 따라잡을 수 있다고 자신감을 내비치기도 했다.

경 사장은 “(수율 등을 포함한) 전체 파운드리 경쟁력에서 TSMC가 우리(삼성전자)보다 냉정하게 4나노 기술력은 2년, 3나노는 1년 앞서 있다”면서도 “2나노로 들어오면 삼성전자가 앞설 수 있다”고 말한 바 있다.

애초 시장에서는 삼성전자가 3나노 공정에서 선제적으로 GAA기술을 적용한 것을 놓고 리스크를 안고 가는 것 아니냐는 시각도 존재했다.

그동안 대만 매체에서는 핀펫 기술에 기반한 TSMC의 기술력을 높이 평가하면서 삼성전자가 GAA기술을 적용한 3나노 공정에서 수율을 잡지 못하고 있다는 추측성 보도를 쏟아내기도 했다.
  하지만 반도체업계에선 삼성전자가 최근 GAA기술을 적용한 3나노 공정의 수율(완성품 가운데 양품 비율)을 궤도에 올려둔 것으로 평가하고 있어 2나노에서는 앞서나갈 가능성이 높은 것으로 분석된다.

김동원 KB증권 연구원은 “올해 2분기 기준으로 삼성전자 시스템 반도체 사업의 첨단공정인 3나노, 4나노, 5나노 파운드리 수율은 70~90%로 지난해보다 큰 폭으로 개선된 것으로 보인다”고 말했다.

해외 전문매체들도 삼성전자가 GAA기술에서 수율을 높이는 노하우를 쌓은 만큼 2나노 공정을 본격화하면 TSMC를 앞설 가능성이 있다고 바라보고 있다. 이는 향후 차세대 공정에서 고객사 확보에도 긍정적 영향을 미칠 것으로 전망된다.

북미 매체 LIST23은 “많은 기업들이 삼성전자 GAA 기술이 본격화될 가능성에 관심을 갖고 있다”며 “2025년 삼성전자 파운드리가 기술 면에서 TSMC를 능가할 가능성도 있다”고 말했다. 조장우 기자