2025년 ‘2나노 GAA 공정’ 양산… 3년내 TSMC 잡는다

3나노 GAA(Gate-All-Around) 공정은 파운드리(반도체 위탁생산) 시장의 게임체인저가 될 것으로 전망된다. 삼성전자는 향후 3년 내에 3나노 GAA 공정을 안착시켜 파운드리 1위 업체인 대만의 TSMC를 따라잡겠다는 것이다.

GAA는 반도체 트랜지스터 구조를 개선해 접촉면적을 4개 면으로 확대한 차세대 공정기술이다.

트랜지스터는 반도체 구성 주요 소자로, 전류 흐름을 조절하는 스위치 역할을 한다. 트랜지스터 성능은 구조물 간 접촉면적이 좌우하는데 현재는 물고기 지느러미 형태의 3개 면이 닿는 핀펫(FinFET) 공정까지 구현돼 있지만 이를 4개 면으로 확대한 것이 핵심이다.

■삼성전자 승부수 'GAA'

19일 시장조사기관 트렌드포스에 따르면 대만의 TSMC는 지난해 4·4분기 기준 파운드리 시장점유율 52.1%로 압도적인 1위를 유지하고 있다. 2위 삼성전자는 18.3%로 격차를 좁히지 못하고 있다.

이에 삼성전자는 3나노 공정에 GAA를 세계 최초로 적용하는 승부수를 띄웠다.

삼성전자는 이달 초 세계 최초로 3나노 GAA 공정에서 시범양산을 위한 웨이퍼를 투입한 것으로 알려졌다. 확실한 기술우위를 통해 TSMC와의 격차를 단숨에 좁히겠다는 구상이다. 3나노 공정으로 제작된 반도체는 5나노 대비 칩 면적은 35% 줄이면서 성능과 배터리 효율은 각각 15%와 30% 개선한 것으로 알려져 있다.

삼성전자는 올 상반기 GAA 기술을 3나노에 도입하고 내년에는 3나노 2세대, 2025년에 GAA 기반 2나노 공정 양산 계획을 밝히며 기술로 TSMC를 추월하겠다는 의지를 여러 차례 드러냈다. TSMC는 안정적인 핀펫 공정으로 하반기 3나노에 진입한다는 전략이고, 삼성전자는 어차피 갈 길이라면 위험을 감수하더라도 차세대 공정을 먼저 도입해 초기 안정성을 확보하겠다는 전략이다.

삼성이 안정적인 수율만 확보한다면 파운드리 시장의 '게임체인저'가 될 수 있다는 분석이다. TSMC는 2나노부터 GAA를 도입해 2026년께 첫 제품이 나올 것으로 예상된다. 삼성전자엔 앞으로 약 3년이 골든타임이 되는 셈이다.

최근 삼성은 5년간 반도체 등 핵심산업에 총 450조원을 투자하겠다고 밝혔다. 이재용 삼성전자 부회장은 2주간의 유럽출장에서 더욱 치열해진 기술경쟁 현장을 목격하고 지난 18일 귀국했다. 이 부회장은 귀국길에서 "제일 중요한 것은 ASML과 반도체연구소에서 차세대, 차차세대 반도체 기술을 느낄 수 있었다"며 "아무리 생각해봐도 첫번째도 기술, 두번째도 기술, 세번째도 기술 같다"며 기술의 중요성을 강조했다.

■'3나노 벽' 수율이 관건

하지만 3나노 벽은 현실적인 문제다. 양사 모두 저조한 수율 문제로 골머리를 앓고 있기 때문이다.

TSMC는 당초 7월부터 3나노 기술이 적용된 인텔, 애플 등의 반도체를 양산할 계획이었으나 수율 확보에 차질을 빚고 있다. 엔비디아는 연내 출시 예정인 그래픽처리장치(GPU) 지포스 RTX40 시리즈의 생산을 위해 TSMC에 90억달러의 선불금까지 지급하고도 3나노가 아닌 5나노 제품을 받게 됐다. 친TSMC 성향의 대만 디지타임스는 "TSMC가 3나노 공정 수율 확보에 어려움을 겪으며 기존 기술 로드맵을 여러 번 수정했다"고 보도했다.

삼성전자 역시 상황은 비슷하다. 시범양산을 위한 웨이퍼는 투입했으나 낮은 수율 문제가 해결되지 않으면서 공식적인 양산 발표를 미루고 있는 것으로 알려졌다.

노근창 현대차증권 리서치센터장은 "집중적으로 투자하고 있는 7나노 이하 선단 공정에서 충분한 고객들을 확보하지 못할 경우 향후 실적에 대한 불안감이 커질 수 있다"고 말했다.

[e-mail] 김경민 기자