'5→3→2' 반도체 나노전쟁…삼성전자·TSMC·인텔 경쟁 ‘격화'

[이데일리 신중섭 기자] 삼성전자(005930)가 2㎚(나노미터·10억분의 1m) 반도체 양산 계획을 처음으로 공식화하면서 파운드리(반도체 위탁생산) 업계의 ‘초미세공정’ 경쟁이 더욱 격화하고 있다. 삼성전자가 최신 기술력을 바탕으로 반도체 파운드리(반도체 위탁생산) 절대강자인 대만의 TSMC를 바짝 뒤쫓고, 인텔의 추격을 물리칠 수 있을지 시장의 관심이 쏠린다.

파운드리 세계시장 점유율 (그래프=김정훈 기자)

TSMC·삼성, 3나노 ‘속도전’…TSMC가 한발 앞서

7일 업계에 따르면 파운드리 업계 글로벌 1위인 대만 TSMC와 2위 삼성전자는 내년 하반기 3나노 공정 기반의 반도체 양산을 목표로 치열한 기술 경쟁을 펼치고 있다.

파운드리 사업의 생사는 ‘미세공정’에 달렸다고 해도 과언이 아니다. 더 얇고 작으면서도 고성능·저전력을 갖춘 반도체를 생산하기 위해선 한정된 웨이퍼 면적 내에서 반도체 회로의 선폭을 줄여 많은 소자를 구현해야 하는 게 핵심이다. 웨이퍼당 더 많은 칩을 만들어 낼 수 있다는 점에서 생산 효율 또한 높아진다. 줄여야 하는 이 반도체 회로 선폭의 단위를 ‘나노미터’라고 하고 이를 좁히는 공정을 나노 단위 공정이라 부른다.

고객사의 주문을 받아 위탁생산을 하는 파운드리 사업 특성상 우수한 반도체 칩 생산 능력은 곧 고객사의 수주 물량으로도 이어진다. 인공지능(AI) 등 처리해야할 데이터 용량이 많아지면서 고성능, 저전력 반도체 수요가 커지고 있기 때문이다. 특히나 대형 고객사들이 생산하는 스마트폰용 모바일 애플리케이션프로세서(AP)나 컴퓨터의 중앙처리장치(CPU), 자동차 자율주행칩, 인공지능(AI), 5G 등 고성능 반도체 칩 주문을 따내기 위해선 우수한 미세공정 기술력이 필수적이다.

업계에선 보통 10㎚ 이하면 미세공정으로 보고 있다. 현재 세계 파운드리 업체 중 삼성전자와 TSMC만이 5㎚ 반도체를 양산 중이며 내년 3㎚ 양산을 두고 치열한 경쟁을 펼치고 있다.

양산 시기만 놓고 보면 TSMC가 3㎚ 공정 경쟁에서 한발 앞서 있는 것으로 평가된다. 외신에 따르면 애플과 인텔은 TSMC를 상대로 3㎚급 반도체를 받아 자사 기기에 맞는 디자인 설계 등을 진행했다. 이를 두고 업계는 TSMC가 이미 3㎚급 반도체를 완성했으며 이르면 내년 여름 세계 최초 양산에 들어갈 것으로 전망하고 있다.

삼성전자의 평택 2라인(사진=삼성전자)

삼성, GAA 탑재 3㎚에 ‘2㎚’ 첫 발표로 승부수

이런 가운데 삼성전자는 기존 기술인 핀펫(FinFET)을 고수하는 TSMC와 달리 차세대 기술인 ‘게이트 올 어라운드(GAA)’가 탑재된 3㎚ 공정은 물론, 2㎚ 공정 양산 계획까지 최초로 발표하며 승부수를 던졌다. 삼성전자는 이날 온라인으로 개최한 ‘삼성 파운드리 포럼 2021’에서 내년 상반기 GAA 기술을 3㎚에 도입하고, 2023년엔 3㎚ 2세대, 2025년엔 GAA 기반 2㎚ 공정 양산에 들어가겠다는 계획을 밝혔다.

지난 3월 파운드리 사업 재진출을 선언한 인텔도 ‘광폭’ 투자 행보를 보이며 초미세공정 경쟁에 뛰어들고 있다. 팻 겔싱어 인텔 최고경영자(CEO)는 지난 7월 온라인 기술 로드맵 발표를 통해 오는 2024년 2㎚격인 20A(옹스트롬·100억분의 1m) 공정을 도입하고 2025년에는 1.8㎚ 격인 18A 공정 반도체를 생산하겠다고 밝혔다. 파운드리 업체 가운데 2㎚대 이하 공정을 공식 언급한 것은 인텔이 최초였다.

업계는 초미세공정 경쟁 속에서 ‘수율’이 파운드리 사업의 성패를 가르는 요인이 될 것으로 보고 있다. 수율은 전체 생산품에서 불량품이 아닌 양품이 차지하는 비율이다. 미세공정일수록 선폭이 좁아져 수율 관리가 더욱 어려워진다. 수율은 수익성으로 직결된다. 업계 관계자는 “누가 더 빨리 더 미세한 공정으로 반도체 제품을 양산하는 것도 중요하지만 미세공정이 진행될 수록 수율 확보가 어려워진다”며 “기술 개발 속도도 관건이지만 품질관리를 통한 수율 확보가 파운드리 사업의 성패에 크게 작용할 것”이라고 설명했다.