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[데일리임팩트 변윤재 기자] 삼성전자가 초미세공정 양산 계획을 구체화 했다.

2025년부터 2나노(㎚·1나노미터는 10억분의 1m) 공정 기반의 모바일·고성능컴퓨팅(HPC)·차량용 칩을 차례로 내놓는다.  2027년에는 1.4나노까지 초미세공정 수준을 더 끌어올린다. 새 동력이 될 것으로 기대했던 반도체 위탁생산(파운드리) 사업이 예상보다 부진하자, 초미세공정으로 승부수를 띄운 것이다. 3나노와 마찬가지로 '세계 최초' 타이틀을 획득해 기술 선점 효과를 노리겠다는 전략이 읽힌다. 

"밀리지 않겠다" TSMC에 선전포고

업계에 따르면, 삼성전자는 27일(현지시간) 미국 캘리포니아주 실리콘밸리에서 삼성 파운드리 포럼 2023을 개최했다. 이번 포럼의 주제는 '경계를 넘어서는 혁신'. 삼성전자는 자사의 기술력을 활용하면 인공지능(AI) 시대 최첨단 반도체 한계를 극복할 수 있다고 강조했다. 

최시영 파운드리사업부 사장은 "많은 고객사들이 자체 제품과 서비스에 최적화된 인공지능 전용 반도체 개발에 적극 나서고 있다"며 "AI반도체에 가장 최적화된 GAA 트랜지스터 기술을 계속 혁신해 나가며 인공지능 기술 패러다임 변화를 주도하겠다"고 말했다.

삼성전자는 2025년 2나노 공정 기반의 모바일 칩을 양산하고, 2026년 HPC, 2027년 차량용으로 제품군을 넓힌다. 1.4나노 공정은 계획대로 2027년까지 양산에 돌입한다. 삼성전자가 2나노 이하 공정의 제품별 양산 계획을 공유한 것은 처음이다.

인공지능(AI)과 같은 첨단 기술 활용 범위가 넓어지면서 파운드리 수요가 증가하고 있다. 그 중에서도 반도체 성능을 끌어올릴 초미세공정 수요는 빠르게 늘어날 것으로 점쳐진다. 시장조사업체 옴디아에 따르면,  3나노 이하 파운드리 시장 규모는 올해 84억5000만달러에서 2026년 381억8000만달러까지 증가할 전망이다. 전체 파운드리 내에서 3나노 이하 비중이 8%에서 24.4%까지 늘어나는 것이다. 이에 TSMC, 인텔, 라피더스 등은 2나노 개발을 선언하자, 삼성전자가 2나노 마케팅에 시동을 건 것으로 보인다. 

삼성전자는 초미세공정에서 TSMC보다 앞서나간다는 평가를 받는다. 핀펫 기술을 적용한 TSMC와 달리 3나노부터 게이트올어라운드(GAA) 기술을 적용했다. 

GAA는 차세대 반도체 핵심 기술이다. 공정 미세화에 따라 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높여준다. 실제 GAA 기반 2나노는 3나노 대비 성능과 전력 효율은 각각 12%, 25% 향상된 반면, 면적은  5% 줄어든다. 경계현 사장도 "2나노 공정부터는 업계 1위(TSMC)도 GAA를 도입할 텐데, 그때가 되면 삼성도 업계 1위와 같게 갈 것"이라고 밝혔다. 

삼성전자가 기술 우위에 확보했음에도 입지를 넓히지 못한 데에는 수율 문제가 있었다. 4나노부터 지속된 수율 논란으로 대형 고객사 확보에 어려움을 겪어야 했다. 그러나 최근 수율이 안정화되면서 삼성전자의 자신감이 붙은 것으로 관측된다. 이에 따라 삼성전자는 초미세공정 분야에서 주도권을 확실히 쥐고, 이를 발판 삼아 TSMC와의 격차를 단 번에 좁힐 것으로 예상된다. 

파운드리 포트폴리오 확장…패키징·IP 협력 강화

이와 관련, 삼성전자는 더욱 공격적으로 대형 고객사 공략에 나설 가능성이 높다. 우선 고객사의 다양한 요구를 수용할 수 있도록 포트폴리오를 확장한다. 2025년 소비자, 데이터센터, 오토모티브용 8인치 질화갈륨(GaN) 전력 반도체 파운드리 서비스를 시작한다. 질화갈륨 반도체는 기본 실리콘(Si)과 비교해 고전압을 더 잘 견딘다. 차세대 반도체로 꼽히는 이유다. TSMC는 현재 질화갈륨 반도체를 생산 중인데 지난해 생산량 확대 계획을 밝히기도 했다. 

6세대(6G) 이동통신 선행 기술 확보를 위해 5나노 라디오주파수(RF) 공정도 개발해 2025년 상반기부터 양산한다. 5나노 RF 공정은 기존 14나노 대비 전력효율은 40% 이상 향상, 면적은 50% 감소한다. 이와 함께 현재 양산 중인 8나노, 14나노 RF 공정은 모바일 외 오토모티브 등 다양한 응용처로 확대해 나갈 계획이다.

규모의 경제를 달성하기 위해 생산량도 확대한다. 시장과 고객 수요에 신속하고 탄력적으로 대응할 수 있도록 클린룸을 먼저 건설하는 셸 퍼스트 전략을 지속한다. 현재 평택과 테일러에 클린룸을 짓고 있는데, 이를 통해 2027년 클린룸의 규모는 2021년 대비 7.3배 늘어나게 된다. 

최근 중요성이 커진 패키징 기술 개발에도 박차를 가한다. 서로 다른 기능의 반도체가 하나의 반도체처럼 동작하도록 하는 패키징은 미세공정의 한계를 보완할 기술로 꼽힌다. 삼성 어드밴스드 파운드리 에코시스템(SAFE) 글로벌 파트너인 메모리, 패키지 기판, 테스트 분야 기업과 최첨단 패키지 협의체 '멀티 다이 인터그레이션(MDI) 얼라이언스'를 출범한다. MDI 얼라이언스는 2.5차원(2.5D), 3차원(3D)의 이종 집적 패키지 기술 생태계를 구축할 예정이다. 응용처별 최첨단 패키지 원스톱) 턴키 서비스를 제공한다. 

설계자산(IP) 확보에도 보다 적극적으로 움직인다. 삼성전자는 100여개 파트너사와 협력 중이다. 파운드리 사업 특성상 쉽게 발주 기업을 바꾸기 어려워서다. 처음부터 같은 생태계 안에서 전략적 자산을 공유해 상호 경쟁력을 강화하겠다는 것이다. 이와 관련, 현재까지 50개 글로벌 파트너사로부터 4500개 이상의 IP를 확보했다. 삼성전자는 장기 협력을 통해 AI·HPC·오토모티브 고객 요구에 대응하는 한편, 2나노 공정에 사용할 최첨단 고속 인터페이스 IP를 내년 상반기까지 확보할 계획이다. 

삼성전자가 2나노 카드를 꺼내들면서 향후 기술 마케팅을 지속적으로 강화할 것이라는 관측이 제기된다. 이종환 상명대 시스템반도체공학과 교수는 데일리임팩트에 "수율 문제가 해결돼 안정적 생산이 가능하다는 판단이 있었던 것으로 보인다"이라며 "다만 TSMC와 고객사 간 신뢰가 워낙 탄탄하기 때문에 삼성전자가 비집고 들어가려면 기술적 우위에 있음을 설득해야 한다"고 말했다. 이어 "삼성전자는 더 이상 물러설 수 없는 절박한 상황"이라면서 "경쟁사보다 더 빠르게 첨단 기술을 개발하는 데 집중할 가능성이 높다"고 밝혔다. 삼성전자와 TSMC의 격차가 커지고 있어서다. 올 1분기 시장 점유율은 TSMC 60.1%, 삼성전자 12.4%다. 지난해 4분기 42.7%포인트였던 양사의 격차는 3개월 만에 47.7%로 더 벌어졌다.