반도체 3nm 공정 경쟁력 어디까지 왔을까요? 반도체 시장에서 3nm 공정을 앞세우고 경쟁할 수 있는 곳은 세계에서 딱 두 곳이 있죠. Samsung / TSMC 입니다. 두 반도체 괴물들이 현재 기술적으로 어느 위치에 있는지 다루어볼게요.
삼성 파운드리 vs. TSMC의 3nm 경쟁력
현재 3nm Tech에서 적용되는 소자는 Gate-All-Around GAAFET 입니다. Current Path가 형성되는 채널부 4면을 Gate가 감쌈으로써 Gate Controllability를 극대화 시킨 소자 구조라고 할 수 있습니다. 모두가 아시다시피 3nm 공정부터는 GAAFET 소자가 전격 도입이 됐고, 현재도 GAAFET 소자의 Performance를 안정적으로 내는지 겨루고 있는 상태입니다. 삼성의 경우, 본격 3nm Tech의 GAAFET이 적용된 제품을 올해 연말에 발표하고 내년에 본격 양산에 돌입할 것이라고 호언장담했습니다. 그렇다면 삼성 파운드리. 즉, 이 제품의 주요 Customer는 누구일까요. 어떤 제품에 GAA 공정이 적용되는지 주목해야 합니다.
반도체 산업의 발전
여러분들이 생각하는 반도체는 무엇일까요. 반도체는 ① 물질적인 관점 : 도체와 부도체 사이의 에너지 밴드갭, 즉 전도성을 가지는 물질 ② 물성적 관점 : 외부 자극에 의해 전도성이 변하는 물질, ③ 소자적인 관점 : On/Off Switching 기능, 전기적 신호를 증폭시켜주는 증폭 소자 등. 정말 다양하게 정의할 수 있습니다.
반도체 산업은 기존 컴퓨팅 시스템의 요구로 발전되었습니다. '0'과 '1'의 연산을 통해 논리적인 연산이 가능해지면서 디지털 세상이 열렸죠. 즉, 반도체 소자는 컴퓨팅에서 비롯 된 것입니다. 컴퓨팅을 위해 반도체 소자라는 것이 나왔고, 수요가 급증하면서 반도체 시장이 커지게 된 것입니다.
이러한 시장이 현재는 모바일 시장으로 확장되었고, 시장이 확장될수록 반도체 소자에 대한 요구사항들이 점점 더 다양해지면서 이를 충족시키기 위해 소재가 변하고, 소자의 공정 아키텍처가 변하고, 미세화가 되면서 소자의 구조가 변하는 등 지금의 상황까지 오게 된 것이죠.
삼성전자, "세계 최초 3nm 파운드리 양산!?"
Gate-All-Around (GAA) 차세대 Transistor 기술 최초 상용화
Nanosheet를 활용한 독자적 GAA 기술인 MBCFET으로 전력효율 및 성능 극대화
3nm 1세대는 5nm 보다 전력 45% 절감, 성능 23% 향상, 면적 16% Shrink!
고성능 저전력 HPC용 시스템 반도체로, 모바일 SoC 등에 적용 확대
고객 요구에 최적화된 성능/전력/면적 특성 제공, → 차세대 파운드리 서비스 주도
Design ECO 파트너와 검증된 3nm 설계 인프라 제공
위와 같이 삼성이 먼저 3nm GAAFET에 대한 Tech 기술 전쟁을 선포했죠. 이때 TSMC "우리는 3nm Tech를 FinFET으로도 가능하다!"라고 발표했습니다. 3nm Tech 까지는 FinFET으로 대응하고 차세대 Tech를 GAA로 대응할 것이라는 말이었습니다.
3nm GAAFET을 파운드리 서비스로 제공하겠다는 것은 삼성전자가 최초입니다. 3nm 공정의 고성능 컴퓨팅용 (HPC, High-Performance Computing) 시스템반도체를 초도 생산한데 이어 모바일 SoC 등으로 확대해 나갈 예정이라고 발표했습니다. 삼성의 기술력은 정말 실로 놀랍습니다. 하지만 압도적인 기술력을 보유하고 있더라도 기술력과 비지니스는 별개입니다. TSMC의 Tech 로드맵을 보면 3nm를 FinFET으로 커버하겠다고 발표했을 때, 3nm Tech를 FinFET을 가지고 2.5년을 더 이어가겠다는 것이죠. FinFET Base의 N3X tech node를 계속 끌고가겠다고 발표했습니다.
삼성전자가 FinFET에서 GAAFET로 교체한 이유는 삼성의 전략입니다. 이러한 전략으로 인해 현재 TSMC와 삼성의 경쟁에서 비즈니스 차원에서 삼성이 밀릴 수밖에 없습니다. 새로운 구조를 도입한다는 것은 장기적인 관점에서 모든 상황을 고려하여 결정하는 것입니다. 처음 시도하는 구조이기 때문에 기술적인 어려움과 비용적인 차원에서 많은 어려움을 겪을 수밖에 없죠. 하지만 이러한 요소들이 안정화되면서 수율도 높아지고 가격경쟁력을 확보한다면 후발주자로 출발한 기업들의 경쟁력은 시간이 지날수록 도태될 수밖에 없는 것입니다. 삼성전자는 이러한 수업료를 미리 내고 최대한 빠르게 안정화 시키겠다는 전략입니다. 하지만 TSMC의 전략은 달랐죠. TSMC는 FinFET에서 GAAFET로 새로운 구조의 소자가 적용되어 안정화되기까지 오랜 시간이 걸릴 것으로 예측했고, 최소 2년은 FinFET이 반도체 시장에서 안정적으로 성과를 낼 것이라고 판단했습니다.
즉, TSMC는 삼성전자와 달리 비즈니스 가치에 더 비중을 둔 것입니다. 우리가 고객이라고 했을 때, 반도체 소자가 FinFET이던, GAAFET이던 상관없습니다. 자사의 제품인 반도체 Chip이 정상적으로 동작하는데 있어서 Performance 측면을 보고, Performance가 충족되면 가격경쟁력을 보고 이러한 부분들을 면밀히 살펴보죠. TSMC는 지금 당장 GAA에 Risk를 안고 공격적인 투자를 하기 보다, 고객들의 니즈를 안정적으로 충족시키는 것이 최우선이었죠. TSMC의 이런 전략이 현재 반도체 시장에는 더욱 적합했던 것으로 보입니다. TSMC는 대형 고객사 확보에 성공했고, 이를 기판으로 기술력 향상에 총력을 가할 수 있는 발판을 만들었기 때문입니다.
"Gate-All-Around GAAFET, 왜 이렇게 어려워..?"
Gate-All-Around 구조라는 것이 정말로 복잡합니다. 실리콘 (Si)과 실리콘 저마늄(SiGe)을 쌓아서 이를 가지고 Fin을 만든 다음에, Selective Etch 고샌턱비 식각을 통해 GAA 구조를 형성합니다. 여태까지 채널이라는 것은 CMOS 공정을 보면 Planar 구조를 사용해왔습니다. 이후 FinFET 구조를 채택하면서 Fin을 만들었죠. 그러면서 양 Side를 채널로 사용하여 3면을 채널로 사용했죠. Gate-All-Around 구조는 이 Fin을 가로로 나눕니다. 즉, 4면을 채널로 사용하는 것이죠. 이러면 프로세스가 상당히 복잡해집니다. 또 다른 새로운 공정 기술들이 개발되고 적용되어야 합니다. 새로 추가된 뒷면에 전류가 흐르게 만들기 위해서는 식각자체가 하단을 깎아서 아래와 같이 GAAFET 구조를 만들어야 하기 떄문이죠. 이러한 기술들은 이전에는 없던 기술입니다. 그러다 보니 FinFET 기술 대비 비용차원에서 GAAFET의 비용이 높아질 수 있습니다. 수율 역시 저하될 수 있습니다. GAAFET의 안정화가 필요한 시점이죠.
현재 5nm FinFET 소자 역시 수율이 높은 편은 아닙니다. 그러다 보니 GAAFET 같은 새로운 구조의 소자가 적용됐을 때, 초기 Tech 및 수율을 안정화시키는데 있어서 큰 어려움이 있습니다. 3nm와 같은 최첨단 공정은 TSMC와 삼성파운드리 뿐이 다루고 있는데, 현재 TSMC는 고객 평가에서 수율이나 전기적 성능같은 면에서 잘 나오고 있다고 평가받고 있습니다. 삼성은 이미 3nm로 노선을 확고히 정한 상태이고 출하식 행사까지 진행했기 때문에, 이러한 기술적인 측면과 비즈니스 측면에서 큰 숙제를 안고 있는 상태입니다.
"FinFET을 고수하는 TSMC"
TSMC의 FinFET은 기술적인 면에서 안정적이라는 평이 많습니다. 우리가 알고 있는 기존의 FinFET 구조를 지속적으로 다음 세대의 Tech에도 고수하는 입장을 보였습니다. 다음 차세대 노드에 FinFET을 그대로 적용시킬 때, Fin 간의 Pitch를 줄인다거나 Fin의 높이를 높인다던가 해서 더 많은 Current Performance를 획득할 수 있습니다. Fin의 Profile을 변경시킴으로써 3nm에서도 더 높은 Performance를 얻는 것이 TSMC의 3nm 대응 방식입니다. Tech node의 변경을 통해 항상 이득이 있어야 하는데, 우리는 이를 PPA (Power, Performance, Area)로 평가합니다. 소비전력, 성능, 면적입니다. TSMC는 3nm에서 FinFET을 적용시킴으로써 PPA 면에서 향상시켰다고 발표했죠.
GAAFET은 PPA 측면에서 정말 강력한 소자입니다. 간단하게 이야기 하자면, FinFET은 Current Performance를 향상시키기 위해서 이미 Channel 부분인 Fin이 확정된 상태이기 때문에 Current를 높이기 위해서는 Fin을 하나 더 형성해야 합니다. 다. Fin에 엄격한 Design이 요구되는 FinFET에서 Current 값을 높이기 위해서 Fin을 추가한다고 했을 때, 향상시킬 수 있는 Current 값은 정해져있습니다. 하나의 Fin이 X라는 Current를 만들어낸다면, 전류를 증가시키기 위해 2개의 Fin을 형성했을 때, 2X라는 Current를 만들어냅니다. 이렇게 Current가 'Quantize' 되어 있습니다. 중간값의 Current 값을 만들어낼 수 없죠. GAFFET은 Nanowire나 Nanosheet의 면적을 Modulation 함으로써 Current Performance를 제어하는데 상당히 Flexible 하다는 것이 큰 장점입니다. 이렇기 때문에 삼성전자는 GAA의 잠재적인 경쟁력과 우수함을 미리 알고 먼저 도전에 뛰어든 것으로 생각됩니다.
삼성의 입장에서는 현재 3nm GAAFET을 최대한 빨리 성숙시키는 것이 중요한 과제이고, TSMC는 FinFET의 Flexibility를 보완하는 것이 중요한 숙제입니다. TSMC는 이러한 Flexibility를 개선시키기 위해 3nm FinFlex라는 기술을 발표했습니다.
" Samsung의 숙제 "
삼성의 3nm GAAFET은 아직 미성숙한 기술입니다. 하지만 삼성은 막대한 투자를 통해 GAA 기술에 박차를 가하고 있으며, 미리 시작한 만큼 엄청난 Potential을 가지고 있다고 생각합니다. 하지만 이 Potential이 언제 터트릴 수 있을지가 관건이라 생각됩니다. TSMC에서 3nm FinFlex 기술로 최소 2년 이상은 가겠다라고 발표한 시점에서 이미 어느정도 안정화된 상태입니다. FinFET의 Flexbile 측면에서 보완된 FinFlex 기술이 2년 뒤에 GAA 기술로 대체될 수 있는지도 하나의 포인트겠죠. GAA가 PPA(Power, Performance, Area) 면에서 압도적인 소자라는 것은 맞지만 새로운 공정기술과 가격경쟁력 측면에서 FinFET을 이길 수 있는지도 의문입니다. 앞서 말씀드린 바와 같이 당연히 고객차원에서는 동일 성능 대비 가격이 저렴한 기술을 채택할 수밖에 없기 때문입니다.
삼성은 3nm GAA를 내년에 본격 양산한다고 발표했습니다. 그러면 3nm GAA의 주요 고객은 누구일까요. 이런 최첨단 Tech를 적용할 수 있는 고객은 몇 없습니다. '애플, 퀄컴 정도..?' 지금 현재 애플은 TSMC의 3nm Tech를 사용하겠다고 발표했죠. 퀄컴의 행보가 궁금해지는 시점입니다.
현재 4nm tech에 대한 삼성의 수율이 계속 좋아지고 있다는 얘기가 있지만, 명확히 수율 문제에 대한 해답은 나오지 않ㄱ소 있습니다. 이런 상황에서 반도체 시장의 고객들은 의구심을 갖기 마련이죠. 내가 특정 물동을 넣었을 때, "제 시간에 제 때 받을 수 있는가". "비용이 얼마나 될까". 같은 의구심, 이 의구심을 풀어가는 것이 삼성의 숙제라 생각됩니다.
3nm로 무리해서 간 것이 아니라는 것을 증명해야 할 숙제입니다.
" Tech Node...?"
Tech node는 더이상 Geometry의 Length를 이야기하지는 않습니다. 어떤 회사는 Performance를 중시해서 이야기하고, 어떤 회사는 Density 즉, 집적도 Area를 중심으로 얘기합니다. 어떤 회사는 A회사와 동일한 성능, 동일한 면적 대비 상대적인 수치를 중심으로 이야기합니다.
" TSMC와 Samsung의 현재 행보에 대해서 말해보아라."
삼성은 지금 소자구조에 대해서는 앞서고 있ㅅ급니다. IBM과 함께 VFET (Vertical Transport Field Effect Transistor)에 대해 발표했습니다. TSMC도 Vertical Structure로 NMOS와 PMOS가 수직으로 있는 CFET으로 차세대 소자를 언급하고 있습니다. 이러한 구조의 소자가 언제 경제성을 확보한 상태에서 개발되는가에 따라 GAAFET의 수명 또한 결정 될 것 같습니다. 여기서 또한 미래 먹거리로 TSMC와 삼성은 CFET과 VTFET으로 경쟁 구도를 보이고 있다는 것입니다.
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