삼성전자 2나노 공정 세부 로드맵…TSMC보다 '기술 우위' 자신감 표현

27일(현지시간) 삼성전자가 미국 실리콘밸리에서 '삼성 파운드리 포럼 2023'을 열어 2나노(㎚·1나노=10억 분의 1ｍ) 파운드리(반도체 위탁생산) 공정의 세부 로드맵을 밝힌 것은 '초격차 기술'에 대한 자신감의 표현으로 읽힌다. 지난달 초 경계현 삼성전자 사장이 KAIST 강연에서 "5년 내 TSMC를 따라잡겠다"고 공언한 이유와 맥을 같이한다.

삼성전자는 이번 포럼에서 인공지능(AI) 시대 최첨단 반도체 한계를 극복할 다양한 방법을 제시했다. 최첨단 2나노 공정의 응용처 확대와 첨단 패키지 협의체 ‘MDI(Multi Die Integration) 얼라이언스’ 출범, 하반기 평택 3라인(P3) 파운드리 제품 양산 등을 통해 파운드리 사업 경쟁력을 강화해 나가겠다고 밝혔다.

특히 삼성전자는 처음으로 2나노 공정 양산 세부 로드맵을 밝혔다.

삼성전자는 2025년 모바일향 중심으로 2나노 공정(SF2)을 양산하고, 2026년 고성능 컴퓨팅(HPC)향 공정, 2027년 오토모티브향 공정으로 확대한다. 최첨단 SF2 공정은 SF3(3나노 2세대) 대비 성능과 전력효율이 각각 12%, 25% 향상되고, 면적은 5% 감소한다. 1.4나노 공정은 계획대로 2027년 양산한다.

TSMC도 2025년 2나노 공정을 양산하고 1.4나노 공정 개발 계획을 밝힌 바 있다. 그러나 구체적인 제품별 생산 계획은 내놓지 못했다.

업계에선 삼성전자가 2나노 공정 세부 로드맵을 자신있게 밝힐 수 있었던 배경으로 'GAA'(게이트올어라운드) 기술을 꼽는다. 파운드리사업부 최시영 사장이 기조연설을 통해 "인공지능 반도체에 가장 최적화된 GAA 트랜지스터 기술을 계속 혁신해 나가며 인공지능 기술 패러다임 변화를 주도하겠다"고 말할 만큼 삼성전자가 보유한 GAA 기술의 완성도가 높다.

2나노는 반도체 칩의 회로 선폭을 머리카락 굵기의 10만분의 2 수준으로 좁힌 것이다. 현재 파운드리의 최첨단 공정인 3나노보다 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.

삼성전자가 GAA 기술을 선택한 이유는 바로 이 트랜지스터의 성능을 높이기 위해서다.

트랜지스터는 전류가 흐르는 '채널'과 채널을 제어하는 '게이트'로 구분된다. '핀펫'(fin-fet) 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. 채널의 전류 흐름을 세밀하게 제어할 수 있어 핀펫 기술이 가지는 3나노 이하 공정의 한계를 극복할 수 있는 차세대 파운드리 '게임 체인저'로 꼽힌다.

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

삼성전자는 지난해 6월 세계에서 가장 먼저 3나노 공정 반도체를 양산하면서 '핀펫'이 아닌 GAA 기술을 최초 적용했다. TSMC는 2025년 2나노 공정부터 도입할 예정인 것으로 알려졌다.

업계 관계자는 “삼성전자가 GAA 기술을 선제적으로 도입해 겪은 시행착오는 앞으로 있을 나노 경쟁에서 좋은 경험이 될 것”이라며 “2나노 경쟁에서 TSMC를 앞지르는 발판이 될 수 있다”고 말했다.

한편 삼성전자는 시장과 고객 수요에 신속하고 탄력적으로 대응하기 위해 평택과 테일러에 반도체 클린룸을 선제적으로 건설하고 있다. 2027년 클린룸의 규모는 2021년 대비 7.3배 확대된다.

삼성전자는 올해 하반기 한국 평택 3라인에서 모바일 등 다양한 응용처의 파운드리 제품을 본격 양산할 계획이다. 현재 건설중인 미국 테일러 1라인을 계획대로 올해 하반기에 완공하고 내년 하반기에 본격 가동할 예정이다.

삼성전자는 평택과 테일러에 이어 국가산업단지로 조성 중인 용인으로 생산거점을 확대해 나갈 계획이다.