삼성전자가 파운드리 절대 강자인 TSMC를 추격하기 위해 고삐를 바짝 당겼다. 이 기업은 30일, 업계 판도를 바꿀 게임체인저로 준비해 온 GAA(Gate-All-Around) 기반의 3나노미터(nm) 초도 양산을 시작했다고 공식 발표했다.
3나노 파운드리 양산에 참여한 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조, 인프라총괄 직원들이 손가락으로 3을 나타내며 3나노 파운드리 양산을 축하하는 모습. 출처=삼성전자
반도체 기업의 기술력은 칩 안에서 전기 회로들이 다니는 길인 ‘선폭’을 얼마나 더 좁게 구현하느냐로 평가된다. 이때 사용하는 단위가 나노미터(nm)다. 1나노는 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준이다. 미세공정을 실현해 작은 면적에 더 많은 회로를 그릴 수 있으면, 한 장의 웨이퍼(원형의 반도체 기판)로 찍어낼 수 있는 제품 수도 늘어난다. 생산성과 성능을 높이면서 반도체 크기를 줄일 수 있는 것이다.
예컨대 스마트폰에 탑재하는 반도체 크기와 전력소모를 줄이면, 그만큼 더 얇으면서 오래가는 고성능 제품을 만들 수 있다. 나노미터 숫자를 두고 반도체 기업이 치열한 경쟁을 펼치는 이유다. 삼성전자는 3나노 공정을 적용한 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체를 초도 생산한 데 이어 모바일 시스템온칩(SoC), 인공지능, 빅데이터 등으로 적용 영역을 넓히겠다고 밝혔다.
Gate-All-Around(GAA) 차세대 트랜지스터 기술 최초 상용화
게이트올어라운드(GAA)는 삼성전자가 대만 TSMC를 추격하기 위해 준비한 게임체인저로, 반도체 트랜지스터 구조를 혁신한 기술이다. 트랜지스터는 반도체를 구성하는 핵심 소자 중 하나로, 전류의 흐름을 컨트롤하는 역할을 한다.
평면 구조와 3차원 핀펫 트랜지스터 구조의 차이. 출처=삼성전자
트랜지스터를 구성하는 게이트(Gate, 위 이미지 참조)에 전압을 가하면, 소스(Source)와 드레인(Drain)으로 전류가 흐르면서 제품이 동작한다. 업계 간 초미세공정이 펼쳐지면서 이같은 트랜지스터 또한 작아져야만 했는데, 트랜지스터 크기를 줄일수록 소스와 드레인 사이 거리도 그만큼 가까워진다. 이 때문에 게이트가 제 역할을 하지 못하고 누설전류를 발생시키는 단채널(Short Channel) 현상이 나타난다. 이런 문제를 해결하기 위해 삼성전자는 게이트와 전류가 흐르는 통로인 채널이 3면에서 맞닿는 3차원 구조의 공정기술 ‘핀펫 트랜지스터’를 개발해 평면구조의 한계를 극복한 바 있다. 이러한 핀펫 공정은 현재 5나노 공정에서 활용되고 있지만, 4나노 이하에서는 핀펫 구조로도 동작 전압을 더는 줄일 수 없다. 차세대 3나노 이하 공정에 적용할 새로운 트랜지스터 구조 혁신이 필요했던 이유다.
핀펫 트랜지스터와 GAA 트랜지스터 구조의 차이. 출처=삼성전자
삼성전자는 채널의 3개면을 감싸는 기존 핀펫 트랜지스터 구조를 다시 한번 혁신해 전류가 흐르는 통로인 채널의 아랫면까지 4면을 모두 게이트가 둘러싸는 GAA 기술을 구현했다. 이 구조를 적용하면 게이트의 면적이 넓어지면서 전류 흐름을 세밀하게 제어할 수 있기 때문에 앞서 언급한 핀펫 트랜지스터의 한계를 극복할 수 있다. 그만큼 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높일 수 있어, 파운드리 업계의 판도를 뒤집을 기술로 평가받았다.
삼성전자의 트랜지스터 구조 기술 변화. 출처=삼성전자
투자의 씨앗 결실로 돌아올 시기 임박
삼성전자 파운드리 사업 주요 연혁. 출처=삼성전자
삼성전자가 조 단위로 뿌린 투자의 씨앗은 2024년께 본격적인 결실로 돌아올 것으로 보인다. 시장조사업체 옴디아는 3나노 기반 매출이 올해부터 발생해 2024년께 5나노 공정 매출을 넘어설 것으로 전망했다. 2025년까지 관련 수요가 연평균 85% 수준으로 폭증할 것이란 분석을 덧붙였다.
최시영 삼성전자 파운드리사업부장 사장은 “자사의 GAA 기반 3나노 기술은 인공지능과 빅데이터, 5G 등 고성능과 저전력을 요구하는 차세대 반도체 양산에 적극 활용될 전망”이라며 “이번 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체 초도 생산에 이어 향후 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 기술 적용을 확대해 차세대 파운드리 시장을 주도할 것”이라고 포부를 밝혔다.
동아닷컴 IT전문 김동진 기자 (kdj@itdonga.com)