삼성전자 '3나노 GAA 기술'이 왜 중요한가요?[궁즉답]

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Q.삼성전자가 세계 최초로 게이트올어라운드(GAA:Gate-All-Around) 기반 3나노 반도체 공정 양산에 들어간다고 합니다. 파운드리(반도체 위탁생산) 산업 1위 업체인 대만 TSMC는 이와 달리 핀펫(FinFET) 기반 3나노 반도체를 양산한다고 하는데, 두 기술의 차이가 무엇인가요?

[이데일리 김상윤 기자] 우선 파운드리 산업부터 말씀드릴게요. 반도체는 기본적으로 메모리와 비메모리 분야로 나뉩니다. 메모리는 말 그대로 정보를 저장하는 기능을 갖춘 반도체로, D램, 낸드플래쉬 등으로 나뉩니다. 삼성전자가 세계 기술력을 보유한 분야가 바로 이 메모리반도체입니다.

그럼 비메모리분야는 무엇일까요. 흔히 컴퓨터의 두뇌라고 부르는 중앙연산장치(CPU)가 대표적인 비메모리입니다. 데이터를 연산하고, 명령을 내리는 기능을 하죠. 보통 컴퓨터에 있는 반도체 중에서 가장 비쌉니다.

세계에서 CPU를 가장 잘 만드는 곳은 인텔입니다. PC마다 ‘인텔’이라는 마크가 붙어있죠? 대부분 인텔에서 만든 CPU를 채택하고 있기 때문입니다. 인텔은 반도체 설계부터, 생산까지 도맡아하고 있기 때문에 종합반도체기업(IDM)이라고 부르죠. 그런 인텔도 요즘에는 차츰 반도체 생산은 다른 업체에 맡기기도 합니다. 반도체는 웨이퍼 안에 수많은 회로를 그려야 하는데, 점점 고성능 첨단 반도체를 만들기가 어려워지고 있기 때문입니다.

아울러 그래픽 카드 전문회사인 엔비디아, 통신칩 제조업체인 퀄컴 등은 반도체 생산을 하지 못하고 설계만 하는 팹리스입니다. 이들 역시 반도체 생산은 다른 업체에 맡기고 있습니다.

이렇게 반도체 설계안을 갖고 반도체를 수탁생산하는 곳을 파운드리라고 부릅니다. 아까 말씀드린 대만 TSMC가 세계 1위업체이고, 후발주자인 삼성전자가 2위 업체입니다.

그렇다면 3나노 반도체는 무엇일까요. 나노는 머리카락 한올의 10만분의 1을 말합니다. 현재 최첨단 공정은 4나노인데, 반도체 회로의 선폭 굵기가 훨씬 더 미세해진 셈이죠. 반도체는 회로 간격이 미세할수록 성능이 높아지고 전력소비가 줄어듭니다. 회로를 더 그릴 수 있기 때문에 웨이퍼(반도체 원판)에서 나오는 반도체 숫자도 증가해 생산 효율성도 개선됩니다. 비싼 웨이퍼에서 더 많은 반도체를 생산할수록 생산단가는 떨어지고 이익을 더 낼 수 있는 거겠죠.

삼성전자는 3나노 반도체를 GAA기술을 통해 구현한다고 합니다. 반도체 내에는 전류흐름을 차단하고 여는 트랜지스터가 있습니다. 반도체 칩이 작아질수록 이 트랜지스터도 함께 작아져야겠죠. 현재 첨단 반도체 공정에서 사용하는 ‘핀펫(FinFET) 기술’은 트랜지스터에서 전류의 흐름을 제어하는 ‘게이트’와 전류가 흐르는 ‘채널’이 닿는 면적이 3곳인 기술입니다. 상어지느러미를 닮았다는 뜻에서 핀펫이라고 붙였는데, 위 그림처럼 게이트와 채널이 ‘위-좌-우’ 3개면에서 만납니다. 이 역시 획기적인 기술로 꼽혔지만, 반도체 크기가 보다 작아지면서 전류 제어 한계를 드러내 왔습니다. 전류 제어 역할을 하는 게이트가 제 역할을 하지 못해 누설 전류가 생기면서 전력 효율이 떨어진 탓입니다.

이에 삼성전자가 택한 기술은 GAA로, 단어 그대로 ‘모든 면에서’ 전류가 흐르는 구조입니다. 아랫면부터 위, 오른쪽, 왼쪽 모두 채널과 게이트가 만납니다. 채널이 게이트에 닿는 실질적인 면적을 늘려 충분한 양의 전력이 흐르도록 하는 것입니다. 이를 통해 채널 조정 능력이 높아지고, 칩의 동작 전압도 낮아지는 효과를 꾀할 수 있습니다. 3나노 GAA 공정을 활용하면 7나노 핀펫 대비 칩 면적은 45%, 소비전력의 경우 50% 절감할 수 있다는 게 업계의 설명입니다. 성능 역시 약 35% 향상될 것으로 예상됩니다. 이 기술은 핀펫 공정과 호환성이 높아 기존 설비·기술을 그대로 쓸 수 있다는 장점도 있습니다.

(자료=삼성증권)

삼성전자가 3나노 공정 양산을 치고 나간 것은 TSMC와 경쟁 때문입니다. 대만의 시장조사업체인 트렌드포스에 따르면 올 1분기 파운드리 점유율(매출 기준)은 TSMC가 53.6%, 삼성전자가 16.3%입니다. 점유율 격차가 지난해 4분기 33.8%포인트였지만, 올 1분기 3.5%포인트 늘어난 37.3%로 확대됐습니다. D램에 이어 파운드리에서도 1위를 차지하겠다는 삼성전자로서는 달갑지 않은 성적표입니다.

물론 첨단 공정 양산에 들어갔다고 모든 점에서 TSMC보다 우위인 것은 아닙니다. 관건은 수율(설계 대비 실제 생산된 정상 칩 비율)입니다. 삼성전자가 TSMC에 비해 3나노 공정 양산을 먼저 시작하더라도 충분한 수율이 뒷받침되지 않으면 고객사의 마음을 사로잡기가 어렵습니다. 4나노 공정의 경우 TSMC의 수율이 삼성전자보다 우세한 것으로 전해집니다. 3나노 GAA로 그간 부진했던 4나노 공정을 만회하는 전략이긴 하나, GAA기술 성공여부는 아직 불확실합니다. 일단 양산에 시작한 만큼 충분한 수율을 끌어올릴 수 있느냐가 파운드리 전쟁의 향후 중요한 가늠자가 될 것으로 보입니다.