'2나노 로드맵' 내놓은 삼성전자…초미세 공정으로 '세계 1위' TSMC 잡는다
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삼성전자는 27일(현지시간) 미국 실리콘밸리에서 '경계를 넘어서는 혁신'을 주제로 '삼성 파운드리 포럼 2023'을 개최했다. 삼성전자는 이번 포럼에서 구체적인 2나노 양산 계획을 공개했다. 작년 6월 세계 최초로 최첨단 GAA 기반 3나노 시스템반도체를 양산한지 불과 1년만이다.
삼성전자는 2025년 모바일용 2나노 공정(SF2) 양산을 시작으로, 2026년 고성능 컴퓨팅(HPC)용 공정, 2027년 전장용 공정으로 확대한다. 2나노 공정은 이전 세대(3나노 2세대) 보다 처리 속도와 전력효율이 각 12%, 25% 향상된다.
파운드리 시장에서 미세 공정 기술에 대한 경쟁이 치열해지고 있는 상황에 삼성전자는 2나노 기술력에 대한 높은 자신감으로 업계 1위로 올라서겠다는 포부다. 2나노는 AI 반도체, HPC 등의 데이터 사용량이 급격하게 늘면서 폭발적인 성장이 예상된다.
또한 삼성전자는 데이터센터·전장용 등 다양한 용처로 2025년 8인치 질화갈륨(GaN) 전력반도체 생산을 시작한다. GaN는 현재의 실리콘 반도체보다 속도와 전력 효율이 강화된 차세대 전력반도체다.
6세대 이동통신(6G) 선행 기술 확보를 위해 5나노 RF 공정도 개발해 2025년 상반기에 양산한다.
최시영 삼성전자 파운드리사업부 사장은 "많은 고객사들이 최적화된 AI 전용 반도체 개발에 적극 나서고 있다"며 "삼성전자는 AI 반도체에 가장 최적화된 GAA 트랜지스터 기술을 혁신해 나가며 AI 기술 패러다임 변화를 주도하겠다"고 말했다.
삼성전자가 파운드리 1위 업체인 대만 TSMC 보다 먼저 2나노 세부 공정 로드맵을 선보인 배경은 향후 폭발적인 성장이 예상되는 초미세 공정에서 주도권을 잡기 위해서다. 초미세 공정은 인공지능(AI)·고성능 컴퓨팅(HPC)·자율주행차용 등 칩 시장에 고성능·초소형 반도체의 요구가 많아지면서 반도체 업계에서 집중하고 있다. 과거 성숙 공정인 '레거시' 기술 경쟁이 있었다면, 현재는 초미세공정에 경쟁이 심화되고 있다.
시장조사기관 옴디아에 따르면 2023년부터 2026년까지 전세계 파운드리 시장의 성장률은 연평균 12.9%로 예상된다. 그 중에서도 3나노 이하 초미세 공정 매출은 연평균 65.3% 성장할 것으로 전망된다.
3나노 이하의 초미세 공정은 향후 파운드리 산업의 격전지로 예상된다. AI 기술이 빠르게 발전하면서 그에 따른 데이터 고속처리, 연산능력 수요가 증가하고 있으며, 미세 공정을 활용한 고집적·저전력 반도체 수요도 커지고 있다. 이에 TSMC, 삼성전자, 인텔이 시장 선도를 위한 개발 경쟁이 불붙은 상황이다.
삼성전자가 이번 파운드리 포럼을 작년 10월에 이어 8개월 만에 다시 개최한 점도 TSMC 등 경쟁사를 의식한 것으로 풀이된다. TSMC는 두달 전 같은 곳에서 최첨단 반도체 기술 로드맵을 소개한 바 있다.
삼성전자는 TSMC에 비해 파운드리 후발주자인 상황에서 역전을 노리고 있다. 현재 삼성전자의 파운드리 점유율은 시장조사기관 트랜스포머 기준 약 16%로, 60%에 육박하는 TSMC와 격차가 크다.
이에 첨단 공정 기술 선도를 통해 바짝 TSMC를 추격하고 있다. 삼성전자는 지난해 6월 차세대 트랜지스터 구조인 게이트올어라운드(GAA)를 3나노 공정에 세계 최초로 도입했다. GAA 트랜지스터 구조를 도입한 파운드리 업체는 삼성전자가 유일하며, TSMC는 2025년 2나노 공정부터 도입할 예정인 것으로 알려져 있다.
삼성전자는 현재 안정적인 수율로 GAA 기반 3나노 1세대(SF3E)를 양산 중이며, 2세대 공정(SF3) 역시 SF3E 양산 경험을 토대로 차질없이 개발하고 있다. 삼성전자는 3나노 2세대를 내년 양산할 예정이다. 현재 모바일, HPC 등 고성능 저전력을 필요로 하는 고객과 논의를 하고 있다. 일부 고객은 2세대를 기반으로 테스트 칩을 제작하는 등 순조롭게 진행되고 있다.
최첨단 공정 개발에 전력한 덕에 삼성전자 파운드리사업부의 매출은 최근 크게 성장했다. 2021년 3분기부터 분기별 사업부 역대 최대 매출을 올리면서 2022년에는 연간 최대 매출을 기록했다. 시장조사기관 옴디아는 파운드리사업부가 출범 5년 만인 2022년 연간 매출이 200억 달러(26조원)를 넘어섰다고 추정했다. 지난해 삼성 파운드리의 고객수는 100곳이 넘는다. 2017년 대비 2.4배 이상 증가한 수치다. 삼성전자는 향후 5년간 파운드리 수주 잔액이 전년(2021년)도 매출의 8배 규모로 급성장할 것으로 보고 있다.
경계현 삼성전자 DS(디바이스솔루션스) 사장은 지난달 초 카이스트 강연에서 "파운드리는 TSMC가 우리보다 훨씬 잘한다"면서도 "2나노로 가면 TSMC와 어깨를 나란히 할 수 있다. 5년 안에 TSMC를 따라잡겠다"며 초미세 공정에 대한 강한 자신감을 드러냈다.
기술 공정에 더해 고객사 수요에 탄력적인 대응을 위해 다방면으로 준비에 나서고 있다. 우선 삼성전자는 평택과 테일러에 반도체 클린룸을 선제적으로 건설하고 있으며, 2027년 클린룸의 규모는 2021년 대비 7.3배 확대된다.
또한 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. 아울러 국가산업단지로 조성중인 용인으로 생산거점을 확대해 나갈 계획이다.
삼성전자는 팹리스 고객의 효율적 제품 설계를 지원하기 위해 IP 확보에도 노력하고 있다. 삼성 파운드리는 현재 50개 글로벌 IP 파트너와 4500 이상의 IP를 확보하고 있다. 이는 2017년 이후 IP 확보수 3배 이상 증가한 수치다.
