[삼성 세계 최초 3나노 양산] 이제 '파운드리 판' 바뀐다...GAA 기술로 '초격차' 우뚝

나노시트 활용한 독자적 GAA 기술(MBCFET)로 전력 효율·성능 극대화

3나노 1세대, 5나노보다 전력 45%↓ 성능 23%↑ 면적 16%↓

고객 요구에 최적화된 특성 제공…차세대 파운드리 서비스 주도

삼성전자가 세계 파운드리(반도체 위탁생산) 시장에 ‘3나노(nm, 나노미터)’라는 새로운 이정표를 제시하고 나섰다. 차세대 파운드리 점유율 1위 업체인 대만 TSMC를 따라잡는 한편 파운드리 시장의 판을 완전히 바꿀 것이란 평가가 나온다.

삼성전자는 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다. 

삼성전자에 따르면 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이며, 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 서비스는 전 세계 파운드리 업체 중 삼성전자가 유일하다. 

GAA는 기존 핀펫(FinFET)보다 칩 면적을 축소하고 소비 전력도 줄인 기술로, 삼성전자는 GAA 기반 3나노 반도체를 올 상반기 내에 양산하겠다고 공언했고 결국 이를 지켰다. 각각 올 하반기, 내년 하반기를 양산 목표 시점으로 내세운 TSMC·인텔을 압도적으로 제친 셈이다.

삼성전자는 3나노 공정의 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)용 시스템 반도체를 초도 생산한 데 이어, 모바일 SoC 등으로 확대해 나갈 예정이다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 “삼성전자는 파운드리 업계 최초로 ‘하이-케이 메탈 게이트(High-K Metal Gate)’, 핀펫(FinFET), EUV 등 신기술을 선제적으로 도입하며 빠르게 성장해 왔다”며 “이번에 MBCFET(Multi-Bridge Channel Field Effect Transistor) GAA기술을 적용한 3나노 공정의 파운드리 서비스 또한 세계 최초로 제공하게 됐다”고 자부심을 드러냈다. 그는 이어 “앞으로도 차별화된 기술을 적극적으로 개발하고, 공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축해 나가겠다”고 밝혔다.

 

3나노 파운드리 양산에 참여한 삼성전자 파운드리사업부, 반도체연구소, 글로벌 제조·인프라 총괄 주역들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다. [사진=삼성전자]

◆나노시트 형태 독자적 MBCFET GAA 기술 세계 첫 적용

삼성전자는 이번에 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널(Channel) 4개 면을 게이트(Gate)가 둘러싸는 형태인 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다.

채널의 3개 면을 감싸는 기존 핀펫 구조와 비교해, GAA 기술은 게이트의 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복할 수 있다. 또한 데이터 처리 속도와 전력 효율을 높이는 차세대 반도체 핵심 기술로 인정받고 있다.

또한 삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트(Nanosheet) 형태로 구현한 독자적 MBCFET GAA 구조도 적용했다. 나노시트의 폭을 조정하면서 채널의 크기도 다양하게 변경할 수 있다. 또 기존 핀펫 구조나 일반적인 나노와이어(Nanowire) GAA 구조에 비해 전류를 더 세밀하게 조절할 수 있다. 회사 측은 이 구조를 적용할 때 고성능·저전력 반도체 설계에 큰 장점이 있다고 강조했다.

◆설계 공정 기술 최적화로 극대화 된 PPA 구현

삼성전자는 나노시트 GAA 구조 적용과 함께 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO, Design Technology Co-Optimization)를 통해 PPA(Power:소비전력, Performance:성능, Area:면적)를 극대화했다고 강조했다.

삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정과 비교해 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% 축소되었고, 이어 GAA 2세대 공정은 전력 50% 절감, 성능 30% 향상, 면적 35% 축소된다.

삼성전자는 앞으로 고객 요구에 최적화된 PPA, 극대화된 전성비(단위 전력당 성능)를 제공하며, 차세대 파운드리 서비스 시장을 주도해 나갈 방침이다.

 

삼성전자가 세계 최초로 GAA(Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노 파운드리 공정 기반의 초도 양산을 시작했다고 30일 밝혔다. [영상=삼성전자]

◆ ‘SAFE 파트너’와 3나노 칩 설계·검증에 공들여

삼성전자는 3나노 양산 등 공정이 갈수록 미세화되고 반도체에 더 많은 기능과 높은 성능이 담기면서, 칩의 설계와 검증에도 공을 들였다.

삼성전자는 시높시스(Synopsys), 케이던스(Cadence) 등 SAFE(Samsung Advanced Foundry Ecosystem) 파트너들과 함께 3나노 공정 기반의 반도체 설계 인프라·서비스를 제공한다. 이를 통해 고객들이 빠른 시간에 제품 완성도를 높일 수 있도록 시스템을 강화해 나갈 방침이다.

상카 크리슈나무티(Shankar Krishnamoorthy) 시높시스 실리콘 리얼라이제이션그룹(Silicon Realization Group) 총괄 매니저는 “시높시스는 삼성전자와 장기적·전략적 협력관계를 유지하고 있다. 삼성전자와의 GAA기반 3나노 협력은 향후 시높시스의 디지털 디자인, 아날로그 디자인, IP 제품으로 계속 확장돼 주요 고성능 컴퓨팅 애플리케이션을 위한 차별화된 SoC를 제공할 것”이라고 말했다.

톰 베클리(Tom Beckley) 케이던스 Custom IC&PCB 그룹 부사장 겸 총괄 매니저는 “케이던스는 삼성전자와 협력해 자동화된 레이아웃으로 회로 설계와 시뮬레이션에서 생산성을 높일 수 있는 서비스를 제공한다”며 “케이던스는 더 많은 테이프아웃(설계 완료) 성공을 위해 삼성전자와 협력을 계속해 나가겠다”고 말했다.