저자: 안달공학 · 한국인
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TSMC가 2024년 2분기 기준 파운드리 점유율 약 62%로 압도적 1위이며 AI·스마트폰·PC·서버 칩을 대부분 수주. 3나노 계열은 N3B(25개 EUV 레이어, 이중 패터닝, 고비용), N3E(19개 레이어, 비용 절감), N3P·N3X로 파생. 3나노 웨이퍼 단가 약 2만 달러 이상으로 5나노(약 1.8만 달러) 대비 20~30% 비쌈. 아이폰16(A18)은 N3E, 갤럭시 S25용 스냅드래곤·미디어텍·구글 칩도 N3E 계열로 전환. 엔비디아 루빈은 2나노 대신 N3X 가능성, 인텔 20A 취소 후 TSMC 위탁 확대 언급.
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아이폰 16 시리즈 같은 경우에는 n32 공정 갤럭시 s25 시리즈 얘 같은 경우도 n32 공정을 쓰게 됩니다. 또 있습니다. 바로 미디어텍 근데 또 있어네 여러분 반갑습니다. 안달 공학 에러입니다. 반도체 칩을 제조하는 것 파운더리 사업에서 tsmc 압도적으로 거의 독점 하듯이 나가고 있죠. 특히 AI 칩과 관련해서는 거의 뭐 모든 것들을 tsmc 다 받고 있다라고 해도 과언이 아닌데요이 AI 뿐만이 아니라 스마트폰이라 그가 아니면은 서버용 그리고 클라이언트 그러니까 랩탑이나 PC으로도 지금 tsmc이 3나라 공정이 역사적으로 온갖 것들을 다 쏟아내면서 반도체를 거의 천하 통일 하다시피 얘기가 나오고 있습니다.
자 그럼 이쯤에서 tsmc이 tsmc 3나노 공정에는 구체적으로 어떤 공정들이 있고 각각이 어떤 차이들이 있는지 그리고 각각에 대해서도 기본적인 그 공정 프로세스가 살짝씩 다른 부분들이 있거든요. 그리고 각 공장마다 어떤 제품들이 지금 출시가 되고 있고 이렇게 tsmc 얼마나 강력한지를 한번 지금쯤 살펴보면 정말 좋을 것 같아서요 올해 하반기도 정말 많은 3나노 제품들이 쏟아지거나 한번 리캡 삼아 살펴보면 좋을 것 같습니다. 그럼가 보시죠. 우선 지금 보시다시피 이렇게 tsmc이 전체 시장 지금 2024년 2분기 기준이든 2분기 기준으로 절반보다 더 많이 62% 차지하고 있습니다.
여기 보시면은 아예 인텔은 나와 있지도 않아요. 인텔은 나와 있지도 않고 삼성 글로벌 들이 UMC 그다음에 중국의 smic J 그다음에 나머지들 요렇게 표현이 되어 있는데 예전부터 실 tsmc 계속 이제 그 압도적 1위를 차지했던 건 맞는데 최근에 AI 수요와 함께 해서 요렇게이 부분요 부분을 좀 더 자세히 뜯어 볼 필요가 있습니다. 어떤 3나노 공정이 쓰였는지 뭐 4나노 공정이 쓰였는지 이런 거 있잖아요. 좀 들어가 보면요 자 지금 보시는 거는 tsmc 실제로 제조를 하고 있는 반도체 칩의 비율을 나타낸 것인데요 단어가 15% 제일 선당 공정이라고 할 수 있죠.
아직 이 3나노 공정에서 여러 공정 프로세스들이 진행되고 있는 상황이고 사실 제일 많이 생산되고 있는 것은 바로 5나노 칩이라고 볼 수가 있습니다. 5나노 칩이 거의 13을 차지하고 있고 그 외에도 레거시 공정으로서 7 나노라 그가 아니면은 그 외에 16 28나노 같은 것도 많이 하고 있는데 사실 이거를 그냥 이렇게 보고 넘어갈게 아니라이 3나노 5 나노의이 웨이퍼 단가가 굉장히 비싸다는 거죠. 선단 공정 최선단 공정일수록 굉장히 tsmc 제조 비용을 비싸게 받아먹는다 당연한 일이죠. 더 미세화 해야 되고 그만큼 더 공 프로세스가 복잡하고 asm euv 몇 단계를 쓰느냐 이런 것들도 그렇고 굉장히 비용이 많이 들 수밖에 없는데요.
실제로 지난 1년 동안에 tsmc 웨이퍼 단가를 보면은 3단 같은 경우에는 처음에 2만 달러보다 조금 더 윗선에서 시작을 했죠. 그런 다음에 거의 2 2,000원에서 23,000원 계속 이렇게 유지되고 있는 것을 보고 있습니다. 반면에 삼성 같은 경우에는 지금 15000보 더 아래에 있죠. 4 5 나노도 마찬가지예요. 4 5 나노도 2만 달러보다 약간 아래 18,000 정도에 형성되고 있고 점점점 오르고 있는 거 보이시죠. 그리고 6 7나노 같은 경우에도 15,000원입니다. 삼성과 비교해 보면은 삼성의 3나노 웨이퍼 단가가 tsmc 6 7나노 단가보다도 더 싸게 나오고 있는 상황이죠.
사실 제가 늘 말씀드리지만이 3나노 나노라 하는이 파운더리 공정 미세화를 나타내는 표기 자체는 실제로 어떤 트랜지스터와 트랜지스터 사이의 간격이라 그가 채널 간격 요러한 특정 길이를 나타내는 것이 이제는 아닙니다. 옛날에 10수 나노 시절 때에는 성능을 대표하는 밀도 아든 그런 것들 파운드의 미세화 정도를 나타내는 대표적인 지수로서 사용할 수 있었지만 지금은 아니라는 거예요. 그러니까 tsmc 인텔이 삼성이든 각각이 사용되는 공정 단위 3나라 하더라도 인텔 3나노 tsmc 3나노 삼성 3나노 서로 다 다른 나노에 심지어 최근에 이제 화웨이 기린 칩을 많이 생산하는 smrc 7나노 나노라 하는 것도 걔네들이 각자 그냥 부르는 말이에요.
각자 회사가 말을 하고 있다라는 거죠. 어쨌든이 웨이퍼 단가가 3나노 같은 경우에는 tsmc 2만 달러가 넘는 수준이고 오나노 같은 경우에는 지금 18,000 정도 되니까 한 2 30% 차이가 나잖아요. 그런데 이제 곧 3나의 제품들이 몰려서 나올 거라는 겁니다요 tsmc 공정 로드맵 하면은 가장 많이 볼 수 있는 건데 N3 노드 지금은 이제 요게 n3b 노드라고 부릅니다이 베이스 라인이라고 해 가지고 이게 제일 첫 노드 있어요. 그래서 얘 같은 경우에는를 사용하는 공정 프로세스가 25개나 있는 굉장히 복잡한 공정입니다. 제가 왜 25개 나라고 얘기를 하냐면은 제가 이제 공정 얘기할 때마다 여러 가지 얘기를 들었는데 멀티 패터닝 더블 패터닝 같은 거 있잖아요.
그러니까 우리가 패터닝이 하는게 결국 에다가 어떠한 그림을 새길 것이냐라는 얘기인데 그 그림 자체가 얼마나 미세하게 칩을 만들 수 있느냐 밀도를 더 높일 수 있느냐 요렇게 연관이 되는 거거든요. 그 n3b 공정 같은 경우에는이 EU 공정을 25 번을 써 가지고 이중 패터닝을 사용해서 얘를 들어 제 손 모양으로 요런 모양이 있고 또 다른 모양은 요런 모양이 있다 합시다 그냥 하면이 손가락 두 개 사이에이 정도의 미세함 가지지만이 미세한 마스크를 두 번 이렇게 연속으로 하면은이 손가락 손가락 사이가 더 좁아지지 않습니까 훨씬 더 미세하게 해서 밀도를 더 꾹꾹꾹 눌러 담은게 바로 N3 베이스라인 n3b 로드라는 것이에요.
같은 레이어를 두 번씩 이렇게 노강하 방식으로 해서 굉장히 밀도 높게 설계를 할 수 있었습니다. 근데 문제가 뭐예요. 이렇게 이유비 설비를 여러 번 쓰다 보니까 복잡한 거야 시간도 더 걸리겠지 25번 막 쓰면서 막 이렇게 해야 되니까 10번 쓰는 거 25번 써 주세요. 이렇게 하는 일이 아니라 그만큼 그 각각의 레이어에 사용하는 노강 공정을 쓸 때마다 거기에 맞는 어떤 여러 다양한 이제 시각 공정들도 있고 여러 가지가 붙기 때문에 애초에 뭔가를 만드는데 복잡함을 만들어낼 수 있다라는 그니까 설계 자체가 복잡하고 비용을 증가시키기 때문에이 공정 자체가 굉장히 비쌌습니다.
애플이 처음에 썼죠. 그러다가 조금 싸게 나온 것이 바로 n32 공정입니다이 n32 공정 같은 경우에는 2가 인헨스드거든요. 뭔가 개선이 됐다라고 한는데 사실은 이게 개선이 됐다라고 보기보다는 오히려이 2는 약간 에코 이피션시 약간 이런 느낌이에요. 왜냐 이비 레이어 수를 25개에서 19개로 줄였어요. 그러면서 제가 아까 말씀드린 이제 그 더블 패턴 있죠. 똑같은 것도 한 번이 손가락으로 마스크로 씌우는게 아니라 라 두 번 렇게 해 갖고 미세하게 하는이 N3 B 공정을 사용하지 않고 그냥 한 번만 한 거예요. 그러면 그만큼 미세가 좀 떨어지겠죠.
그러면은 아무래도 제조 복잡성이 좀 줄어들고 그러면 수요도 조금 더 계산할 수가 있는 가능성이 있다라는 거죠. 그럼 제조비용도 낮추면서 전력 효율성은 좀 계산할 수 있고 그러니까 n3b 많이 쓰지 않고 굉장히 많은 패밀리스 기업들이이 n3b 대신에 n3e 사용해서 지금 내놓기 시작했다는 거죠. 아무래도이 멀티 패터닝을 쓰는 n3b다는 n3e 밀도가 더 낮아요. 그러니까 트랜지스터가 더 적게 들어갈 수 있다라는 거죠. 결국 이비를 사용한 리소그래피를 그냥 단일 마스크로 해 가지고 렇게 이제 투화 시켜 가지고요 필름 대로 그려 주세요라고 하는데 그러면이 트랜지스터 모양들이 굉장히 듬성듬성 돼 있는 것들을 이중 패터닝을 요렇게 빽빽하게 그리던 거를 치워 버려 가지고 조금 더 그냥 어 효율적으로 만든게 n3e 공정인데 요것도 굉장히 성능이 좋습니다.
사실 애초의 트랜지스터 간격이 20nm 이하로 내려가면 그냥 euv 한 개 갖고는 좀 그리가 힘들어요. 그래서 요걸 좀 더 정확하게 하기 위해서 2중 3중 렇게 이제 패터닝을 더 여러 번 쳐서 내려가는데 그거 를 안 한 공정이 N3 이다라고 이해를 하시면 되겠습니다. 그다음에 나온게 바로이 n3px이 PN 퍼포먼스 아아 아 자이 퍼포먼스를 어떻게 올릴까 얘는 EU 막 때려넣어서 멀티패터닝 한 거고 얘는 멀티 패터닝을 안 한 거죠. 근데 n3px n3e 그대로 쓰면서 우리가 흔히 옵티컬 슈링크라인 설계 규칙을 유지해요. 똑같이 똑같이 그냥 개들 거 그대로 쓸 수 있어요.
근데 eub이 노광 해상도 자체를 좀 더 최적한 해 한다는 거예요. 우리가 쉽게 말해서 아파트 재건축할 때도 옛날에 이제 구축 아파트가 이제 한 10점짜리 밖에 안 되고 뭐 방도 몇 칸 없는데 개을 무너뜨리고 새로 재건축 하면은 똑같은 공간에서 훨씬 더 높은 빌딩을 세워 가지고 훨씬 더 많은 세대가 들어갈 수 있잖아요. 그것처럼이 n3e 있도 n3e 쓰는 마스크를 조금 더 이제 작게 써 가지고 약간 작게 해 가지고 마치 오몽 렌즈로 조금 더 이제 줄여서 슈링크 한 형식으로 옵티컬 시링 크잖아요. 광학적으로 좀 작게 만들었다 작게 그려 넣는 거예요.
그러면은 똑같은 공간에 훨씬 더 많은 트랜지스터를 방 놓을 수가 있겠죠. 이렇게 해서 조금 더 퍼포먼스를 더 올린 공정으로 가는 거고 마지막으로 n3x 같은 경우에도 여기는 아예 이제 높은 전압을 쫙쫙쫙 지원을 해 가지고 아무래도 n3px 좀 약간 고성능 CPU 요런 쪽으로 좀 타게팅을 해서 만든 파생 노드라고 보시면 되겠습니다. 이렇게네 가지의 특성을 얘기를 할 수가 있는데 요런 것들이 계속 이제 슬슬슬 지금 나오고 있다는 말이죠. 원래 파운드리에서 최초에 어떤 공정이 있으면은 여기서 이제 파 생에서 이렇게 만들어 나가죠. 우리가 N4 노드 같은 경우도 우리가 4 나노라 안 하고 5 나노라 하는 이유가 n5 ES 파생된 노드로 만들었기 때문에 모델명 단체는 N4 아고 해서 4나라 인식이 되지만 실상 약간 5나노 급이다 얘기를 하는 이유가 그런 이유 든요 이번에 이제 N3 같은 경우 이제 이게 아까 제가 말씀드렸다시피 n3b고 부르는이 베이스라인에 해당하는 노드 근데 여기서 파생되지 않고 n5 ES N3 이로 파생한 다음에 요거를 n3px 요거 지금 이제 얘기가 안 나오고 있어요.
그다음에 n3px 고 n3x 요런 구조로 가고 있고요 그래서 얘네들을 좀 더 확대를 해서 보면은 가장 먼저 나온 N3 노드 비싸서 못 쓰겠어 최근에 인텔 CPU 일부가 여기 들어갔죠. CPU 코어 구조로 여기 들어갔고 그다음에 이중 패터닝을 제거해서 아마이 화살표가 요렇게 가야 되는게 정하지 않나 싶습니다. 이게 그런데 아마요 ipn 이제 제 사용하기가 힘들다고 하는 것이 멀티 패터닝을 적용을 해서 한 거를 고려를 한 거고 얘는 안 한 거니까 각각 그냥 M5 동립 쪽으로 왔다라고 표현을 한 것으로 보입니다. n3e ES n3px 링크라고 했죠.
좀 더 작게 그리려고 이렇게 광학적으로 슈링크를 했다라고 이해를 하시면 되는데 그렇게 되면은 이제 성능이 한 5% 향상되거나 아니면 전력 소비가 5에서 10% 감소된다고 합니다. 둘 다 이제 동일 전력 혹은 동일 성능 대비로 기준을 한 거죠. 일단 기본적으로 트랜지스터 밀도가 4% 증가하다 보니까 거기에 비례해 나온 값이라고 대략적으로 이해를 하시면 되겠고요 여기서 파워를 끌어올린 어 1.2V 이제 끌어 올린 경우 n3x 요거 같은 경우에는 n3px aqui 속도 자체가 5% 이상 높은 거를 지원을 하도록 하면서 아무래도 이제 전력 리키지 한 250% 증가를 한다고 해요.
그러면은 요런 거를 좀 이제 버틸 수 있는 소비자용 CPU 모바일용 이라기 보다는 아마 서버 형으로 좀 타겟을 하지 않을까 생각이 듭니다. 자 그럼 카테고리별로 한번 살펴보도록 합시다 뭐가 있느냐 일단 스마트폰부터 보죠. 스마트폰 같은 경우에는 먼저 아이폰 15 Pro 시리즈에 들어간 이게 바로 a17 프죠. 얘가 최초에 3나노 공정을 쓴 바로 n3b 공정을 쓴 셋이었다 뭐 tsmc 수열이 좀 안 나와 가지고 좀 웨이퍼 단가를 좀 싸게 해주고 뭐 이런 얘기도 나왔었죠. 그런 다음에 올해 나온 아이폰 16 시리즈 같은 경우에는 a18 이죠.
a18이랑 A8 Pro 얘네들 같은 경우가 바로 n32 공정을 썼다고 알려져 있습니다. 멀티 패턴이 안 하고 좀 이제 적당히 쓴 거죠. 좀 싼 걸로 애플이 이런 상황인데 또 안드로이드 진영을 봐야겠죠. 안드로이드 진영 같은 경우에는 이제 아마 갤럭시 s25 시리즈에 들어갈 거라고 보고 있는 퀄컴의 스냅드래곤 a gen 4조 요것도 뭐 지금 뭐 엘리트라고 이름을 바꾼다 뭐 이런 얘기들이 나오고 있는데 얘 같은 경우도 n3e 공정을 쓰게 됩니다이 전장만 하더라도 m4p 공정 뭐 이런 거 쓴다라고 얘기가 나왔었는데 이제 n3e 얘도 들어가고 또 있습니다.
떠오르는이 설계 강자도 바로 미디어텍 미디어텍의 디멘시티 디멘시티 9,400이라는 칩요 칩이 또 N3이를 써요 아 근데 또 있어 또 누가 구글이요 구글 구글이 드디어 tsmc 거를 쓰기로 했습니다이 G5 아는 칩 셋인데 픽셀 10에 들어갈 거라고 해요. 요것도 n3e 그러니까 스마트폰 쪽은 전부 다 n3e 쓴다 거의 그렇게 이해를 하시면 돼요 물론 하이엔드 플래그십 스마트폰 기준이죠. 또 뭐가 있습니까 이제 노트북 맥북이 그가 게이밍용 이런 것들을 보시면은 자 이쪽도 지금 tsmc 진짜 많이 잡아먹는데 애플도 먼저 정리를 하면은 애플 같은 경우에는 M3 요것도 이제 처음에 m3b 공정을 써 가지고 아이폰 15 Pro 시리즈와 같이 내놨었는데에 뭐 m4 든가 이런 애들 전부 다 n3e 공정을 사용한다라고 알 려져 있죠.
반면에 AMD AMD 같은 경우에는 AMD CPU 든가 예를 들어 이제 Z5 CPU 있죠. 이런 거 J5 요런 거 할 때 AMD 이제 원래 예전에 그 파운더리 idm 있다가 이제 분사를 해 가지고 모든 tsmc 공전을 다 받아들인 그래서 인텔과의 격차를 계속 이제 따라잡을 그렇게 이제 접근을 해 왔죠. 그래서 올해 하반기에 n3e 공정을 사용해서 또 요거 바나라 출시를 한다라고 지금 알려져 있죠. 그다음 인텔 같은 경우에도 지금 인텔 공정을 쓰지 않고 tsmc 타입 로 이제 핵심이 되는 것들 다 tsmc 가져와 가지고 미 베이스 부분만 어포 베로스로또 지금 이제 3나노 쓰고 물론 5 6나노 쓰는 것도 있습니다.
그런 식으로 지금 접근을 하고 있다는 겁니다. 진짜 지금 tsmc 없으면은 컴퓨팅 발런스 할 수 있는게 없을 수준이에요. 진짜로 다음에 또 보시면은 이제 서버 쪽을 보시면 되는데 AMD 에픽 같은 거라든가 아니면은 엔비디아의 GPU 그도 이제 슬슬 나노를 고민을 하고 있습니다. AMD 에픽 튜린 아키텍처 같은 경우에는 올해 하반기에 출시 예정인데 n3e 공전을 써 가지고 한 단계 또 업그레이드 할 예정에 있고요 이렇게 되다 보니까 인텔 같은 경우에도 원래 이제 20옴 스트롱을 본인들이 이제 직접 하려고 했는데 아예 20g 스트롱을 취소하고 그냥 그거 tsm 시에 맡길게요 이렇게 나오는 얘기가 나오고 있죠.
지금 그러니까 성능이 충분히 안 받쳐주고 제조를 잘 못하고 수율이 안 나오다 보니까 아예 막길 수밖에 없다라는 거예요. 그리고 엔비디아 같은 경우에는 호퍼 시리즈가 끝나고 나면 또 이제 루빈 플랫폼 지금 보시는 루빈 플랫폼을 또 이제 만들어야 할 텐데이 루빈 플랫폼 같은 경우에는 아무래도 2나노 공정으로 바로 뛰어넘지 않고 시기상 n3x 공정을 사용할 확률이 높다라고 얘기가 되고 있습니다. 제가 아까 말씀드렸죠. n3x 같은 경우에는 n3px 볼티지 높여 갖고 좀 리키지 나오고 좀 이제 전압 많이 높더라도 클락 수도를 좀 높여 가지고 한다라는 거 그러면 또 이제 또 파워 이슈가 있을 겁니다.
또 가면 또 MB 또 이제 파워 어마무시하게 먹겠죠. 또 뭐 데이터 센터 엄청나게 묻고 그러면은 그런 것도 이제 또 잘 잘 냉각하고 액침 냉각이 그가 이런 얘기 계속 나오는 이유가 결국은 그러한 컴퓨팅의 엄청난 반열 그거를 이제 또 커버를 하기 위한 냉각 시스템 그리고 물 이런 것들을 다 지금 이미 고민을 하면서 접근하고 있다는 거죠. 그래서 사실 디아나 tsmc 이렇게 다른 기업들이 따라가기가 힘든 엄청난이 기술적 우의가 있는 상황이잖아요. 그렇다 보니까 또 비싸게도 너무너무 비싸게 또 팔기도 하고 사실 요런이 H1 h200 같은 거는 요즘은 좀 풀려서 들어오는데 아예 아시아에 들어오는게 얼마 안 됐어요.
그러니까 우리나라 기업들이 뭔가 하고 싶다 하더라도 우리나라 많은 스타트업이 하고 싶다 하더라도 그거를 뭔가 활용을 할 수 있기도 쉽지 않은 그런 환경이었는데 다른 성능 좋은 거 하면 되지 AMD 거 하면 되지 인택 거 하면 되지라는 의견이 나오고 있지만 GPU 자체의 성능도 그렇고 그리고 걔네들을 엮어서 만드는 어떤 거대한 클러스터도 그렇고 모든 것들에 있어서 이걸 해야지 뭔가 경쟁 우의를 가져갈 수 있는 부분이 있다라는 거 근데 아무래도이 AI 가속기 쪽은 이제 추론 시장은 말 그대로 사람들이 많이 쓰면 쓸수록 추론 시장은 계속 늘어나잖아 학습은 한번 쫙 한 다음에 끝나지만 추론은 사람이 쓰면 계속 쓰는만큼 그만큼 계속 서버를 돌려야 되잖아요.
그런 시장에서이 파워가 이렇게 계속 루빈 플랫폼 같은 그런 거 엄청나게 뜨겁게 해가지고 n3x 공적으로 막 해야 되는게 맞 는지 요러 것들에 대한 논의가 계속 될 거고요 tsmc 거기에 맞게 이제 핀펫 그래는 마지막으로 3나노 공정을 쏟아 부은 다음에 근데 이제 비싸다 보니까 3나노 공정이 좀 계속 오래 갈 것 같다라는 느낌이 있죠. 그런 상황에서 앞으로 또 이제 2나노 공정 gaa 든가 또 이제 파워레일 기반으로 한 bsdm 백사이드 파워 딜리버리 네트워크 요런 것들 많이 적용해 가지고 앞으로 공정을 나오고자 하는 것으로 보입니다.
인텔이 이제 또 파운더리 분사를 이제 결심을 했고 그런 상황에서 미국이 아마 이제 국가 자산으로서 이걸 포기를 하지 못하는 상황에서 어쨌든 이 최선단 공정 같은 경우에는 tsmc 워낙 압도적이기 때문에 앞으로 이러한 주도권을 얼마나 잘 가져갈지 그리고 똑같은 공정을 써야지만이 경쟁력을 갖다 붙일 수 있는 아까 스마트폰도 제단 뭐 그냥 N3 공정 쓰고 막 이러잖아요. 그런 상황을 볼 때이 tsmc 어떤 그 무서움을 좀 느끼고요 근데 이제 독점 체제 자체가 기술력에서 온다라고 하지만 또 경쟁이 있어야지만이 또 이제 생태가 또 아름답게 흘러가고 그런 부분들이 있으니까 다른 파운드리 기업들 너 빠르게 따라잡아서 뭔가 잘해 주기를 정말 기대를 하고 있습니다. 지금까지 메타버스 3대 500 대 공학 에로였습니다.
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