저자: 미상 · 한국인
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TSMC가 1나노 공정 기술을 발표하며 파운드리 격차가 벌어지고 있고, 삼성전자는 EUV 장비 확보에서 밀리고 있다. 삼성은 3나노에서 GAA(MBCFET) 기술로 반격해야 한다는 논지다. 2021년 기준 파운드리 점유율은 TSMC 56%, 삼성 18%이며 EUV 보유는 TSMC 50대·삼성 25대로 제시된다.
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반도체에서 나노 경쟁은 그야말로 피 튀기는 전쟁과도 같습니다. 2나노 경쟁에서 이겨야만 파운드리에서 1등을 할 수 있는데요. 그런데 TSMC가 1나노 기술을 발표했다고 합니다. 안녕하세요, 세상의 모든 지식들을 재밌고 쉽게 풀어 드리는 네오의 지식창고입니다.
전 세계에서 최첨단 반도체를 생산할 수 있는 회사는 단 두 곳입니다. 파운드리 세계 1위 TSMC와 그 뒤를 추격하는 2위 삼성전자입니다. 고객과 경쟁하지 않는다는 원칙을 걸고 '대만의 삼성전자'라 불리는 TSMC는 파운드리라는 고유의 사업 영역을 만들어 지금 최대 호황을 누리고 있습니다.
TSMC는 파운드리 1위를 지키기 위해 삼성전자보다 더 많은 개발 비용을 투입하며 노력을 기울이고 있습니다. 또한 미중 패권 전쟁 속에서도 철저히 미국 편에 서는 전략으로 위기를 기회로 만들고 있습니다. 그런 가운데 최근 1나노 기술까지 개발했다고 발표했는데요. 현재 3나노도 상용화되지 않은 상태임에도, 기술 경쟁에서 밀리지 않기 위해 미리 선제 공격을 날린 셈입니다.
대만 시장조사업체 트렌드포스에 따르면 올해 1분기 파운드리 시장 점유율은 TSMC가 56%로 독보적인 1위입니다. 그 뒤를 삼성전자가 점유율 18%로 추격하고 있는데요.
TSMC의 점유율은 작년 1분기 48.1%에서 이번 1분기 56%로 늘었지만, 삼성전자는 작년 1분기 19.1%에서 이번 1분기 18%로 줄었습니다. 이는 삼성전자의 파운드리 사업이 녹록지 않다는 것을 단적으로 보여주는 결과입니다. 사실 파운드리 전문 기업인 TSMC와 종합 반도체 기업인 삼성전자가 경쟁을 펼친다는 것은 상당히 어려운 일입니다. 하나만 파는 게 더 효율적이죠. 이를 극복하기 위해서는 초격차 전략밖에 없을 겁니다.
반도체 미세 공정 단계에서 가장 핵심으로 떠오른 것이 네덜란드 ASML의 극자외선(EUV) 노광 장비입니다. 전 세계에서 현재 극미세 공정이 가능한 회사는 TSMC와 삼성전자뿐입니다. 두 회사는 현재 이 장비를 활용해 5나노 반도체를 주력 상품으로 만들고 있는데요.
하지만 보유 중인 EUV 장비는 TSMC가 50대, 삼성전자가 25대로 TSMC가 두 배 앞섭니다. 이는 그대로 점유율에도 반영되고 있죠. EUV 장비는 반도체 원재료인 실리콘 웨이퍼에 회로를 그려 넣는 노광 공정에 사용됩니다.
ASML이 독점 생산해 전 세계에 공급하고 있는데, 반도체 슈퍼 사이클에 대한 기대 수요로 공급 부족을 겪고 있습니다. 연간 40대밖에 만들어지지 않는 이 장비는 내년 생산량까지 이미 주문이 되어 있는 상태입니다. 삼성전자는 지난해 이 장비를 20대 주문했지만 올해 인도받는 숫자는 그 절반인 10대입니다. 기존 보유 25대를 합치면 삼성전자가 올해 가동할 수 있는 EUV 장비 총수는 35대입니다. 반면 이미 50대를 보유 중인 TSMC는 올해 30대를 추가 확보해 내년부터 80대를 운영합니다.
전자업계에서는 두 회사의 EUV 장비 격차가 시간이 갈수록 벌어지고 있다고 진단합니다. 올해까지 TSMC가 확보한 80대에 비해 삼성전자는 35대에 머물면서 장비 단계에서부터 밀리고 있는 것입니다. 이 격차를 극복하기 위해서는 삼성전자로서도 차세대 기술 개발이 시급해 보이는데, 이런 와중에 TSMC가 1나노 공정의 난제를 풀었다고 발표한 것입니다.
3나노 개발이 한창 진행 중인 가운데 TSMC는 어떻게 1나노의 벽을 넘을 수 있었을까요? 바로 웨이퍼 소재를 새로 개발했기 때문입니다.
원반 모양의 웨이퍼 기본 소재는 실리콘입니다. 실리콘은 미국 캘리포니아의 실리콘밸리 이름에서 유래했을 만큼 반도체 산업에서 중요한 소재입니다. 하지만 이 실리콘 웨이퍼로는 3나노 정도가 한계라고 합니다. 1나노에서는 더 새로운 방법이 필요했는데요. TSMC는 웨이퍼 소재를 바꾼 것입니다.
연구 논문에 따르면, 반도체의 핵심 재료인 실리콘을 비스무트라는 금속 원소와 결합한 2차원 소재로 대체했습니다. 이 소재는 양자 한계에 가까운 낮은 저항을 달성할 수 있다고 합니다.
과학자들은 2차원 소재가 실리콘의 물리적 한계를 대체할 가능성이 높다고 기대해 왔습니다. 다만 2차원 소재의 결함과 특성 문제를 극복하는 것이 과제였는데요. 이번 연구에서는 비스무트와의 결합으로 접촉 저항은 낮추고 전류 전달 능력은 높인 2차원 소재를 구현해, 반도체 효율을 최고 수준으로 끌어올릴 수 있다고 설명했습니다. 이를 통해 무어의 법칙을 돌파하고 1나노 반도체 생산도 가능할 전망이라고 합니다.
용어가 어렵죠. 쉽게 정리하면, 기존 실리콘에 비스무트라는 물질을 섞은 웨이퍼를 만들어 더 미세한 작업이 가능해졌다고 이해하시면 됩니다.
1나노 반도체가 나온다면 세상은 어떻게 변할까요? 기술적인 측면도 중요하지만 저는 이런 기술이 적용되어 만들어 낼 세상의 변화가 더 궁금합니다. 나노 기술이 발전할수록 가장 큰 변화는 반도체 크기입니다. 초소형화가 가능해지는 거죠. 다음으로 소비 전력이 크게 낮아집니다. 쉽게 말해 전기를 덜 먹는다는 뜻입니다. 이렇게 되면 데이터센터의 규모도 줄어들고, AI 반도체가 발전하면서 인공지능 발전에도 더 도움이 될 것입니다.
그리고 전기차, 사물인터넷, 웨어러블 등 우리 일상에서 반도체를 더 가깝게, 더 많이 볼 수 있는 세상이 오겠지요. 지금은 스마트폰, 컴퓨터, TV 등 전자기기 정도에만 반도체가 들어가고 있지만, 초소형 반도체가 만들어질수록 신발이나 옷에도 반도체가 들어가게 될 것입니다.
TSMC가 이렇게 나노 기술에 목숨을 거는 이유도 반도체의 성능을 끌어올리면서 크기를 줄일 수 있기 때문입니다. 이 나노 경쟁에서 삼성전자보다 우위를 점하고 있기 때문에, 파운드리 산업에서 삼성전자가 고전을 면치 못하고 있는 상황입니다. 앞서 말씀드린 대로 EUV 장비 선점에서도 삼성전자가 밀려 있으니 3나노 경쟁에서도 어려움이 있을 것으로 예측됩니다. 5나노 경쟁은 이미 TSMC에 승기가 확실시되고 있어서, 삼성전자가 파운드리에서 의미 있는 점유율을 끌어올리려면 3나노 경쟁에서 승부수를 띄워야 하는 입장입니다.
그럼 삼성전자는 TSMC를 넘어설 기술이 없는 걸까요? 이 EUV 장비의 간극을 채우기 위해 삼성전자는 게이트 올 어라운드(GAA)라는 기술을 개발했습니다. TSMC도 나노 공정 이하부터는 삼성전자처럼 이 기술을 채택할 방침이라고 하는데요. 3차원 구조 기술이 기반이 되면서 파운드리 기술 진입 장벽은 더 높아질 것이고, 이에 따라 파운드리 산업 내 TSMC와 삼성전자의 양강 체제는 더욱 공고해질 전망입니다.
GAA는 기존 핀펫(FinFET) 기술에 비해 게이트가 채널과 맞닿는 면적을 넓힌 기술입니다. 소자의 구조적 변화를 통해 전류의 흐름을 높여 트랜지스터 성능을 향상시키는 원리입니다.
트랜지스터는 쉽게 말해 전류의 스위치라고 보시면 되고요. 여기서 소자의 구조를 알아야 합니다. 반도체 연구원이 아니니 최대한 쉽게 이해해 볼게요. 구조는 1세대 모스펫, 2세대 핀펫, 3세대 GAA로 발전해 왔습니다. 1세대 모스펫은 한 면으로만 전류가 흐릅니다. 2세대 핀펫은 상어 지느러미를 닮았다 하여 이름이 붙었는데, 3면으로 전류가 흐릅니다. 핀펫은 인텔이 오랫동안 우려먹은 기술이기도 하죠. 핀펫 기술의 상용화 개발은 한국의 이정우 교수가 했다고 알려져 있습니다.
1세대 모스펫을 고속도로에 비유하면, 2세대 핀펫은 그 고속도로를 세로로 세운 모양입니다. 여기서 더 발전해 게이트가 모든 면을 감싸도록 하는 것이 GAA의 핵심입니다. 핀펫이 3면을 사용했다면 GAA는 사방을 다 사용하는 구조입니다. 고속도로로 치면 1세대는 눕힌 고속도로로 전면이 1개, 2세대는 세운 고속도로로 전면이 3개, 3세대는 띄운 고속도로로 사방을 모두 쓰는 셈입니다. 당연히 3세대가 전류 흐름이 빨라지고 전류를 끊는 것도 정확하기 때문에, 터널 효과로 인한 누설 전류 문제도 해결할 수 있습니다.
삼성전자의 GAA 기술은 더 넓은 면을 만든 것이 특징이라 자체적으로 MBCFET이라는 명칭을 붙였습니다. MBCFET은 와이어 형태가 아니라 종이처럼 얇고 긴 모양의 나노 시트를 여러 겹 쌓아 GAA의 한계를 극복한 삼성전자만의 독자 기술입니다. 이 적층 기술은 낸드플래시에서 발전이 많이 이루어져 왔기 때문에, TSMC보다 삼성전자가 유리할 수 있는 부분입니다. EUV 장비가 회로 폭을 줄여주는 역할을 하는데, 여기에 3세대 GAA 기술까지 적용하면 기술적인 우위를 확보할 수 있는 것입니다. 반면 TSMC는 3나노 공정에 기존 2세대 핀펫 기술을 적용한다고 알려졌습니다.
3나노 공정으로 만든 반도체는 이제 막 상용화될 최신 5나노 공정보다 칩 밀도와 성능이 약 15% 가량 향상되고, 전력 소비는 25% 줄어든다고 합니다.
오늘은 TSMC의 1나노 기술과, 앞으로 경쟁이 치열해질 3나노에 적용될 삼성전자의 GAA 기술에 대해 알아보았습니다. 과연 삼성전자는 3세대 GAA 기술로 3나노 경쟁에서 TSMC를 넘어 승기를 잡을 수 있을까요? 내용이 재밌고 유익하셨다면 구독과 좋아요 꼭 부탁드립니다. 항상 네오의 지식창고를 애청해 주셔서 감사드리고, 오늘 하루도 좋은 하루 되시길 기원하겠습니다.
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