삼성전자, 세계 최초 3나노 파운드리 양산 개시

GAA 기술 최초 상용화…전력효율·성능 개선

삼성전자가 30일 세계에서 처음으로 게이트올어라운드(GAA·Gate-All-Around) 기술을 적용한 3나노미터(㎚) 반도체 위탁생산(파운드리) 공정 기반 초도 양산을 시작했다.

1나노미터는 10억분의 1미터다. 3나노 공정은 반도체 제조 공정 가운데 가장 앞선 기술이다. 차세대 트랜지스터 구조인 GAA 신기술을 적용한 3나노 공정 파운드리는 삼성전자가 유일하다. 세계 최대 파운드리 업체인 대만 TSMC는 하반기에 3나노 공정을 양산하기로 했다.

삼성전자는 반도체를 구성하는 트랜지스터에서 전류가 흐르는 채널 4개면을 게이트가 둘러싸는 차세대 GAA 기술을 세계 최초로 적용했다. 채널 3개면을 감싸는 기존 핀펫(FinFET) 구조보다 GAA 게이트 면적이 넓어지며 공정 미세화에 따른 트랜지스터 성능 저하를 극복하고 정보 처리 속도와 전력 효율을 끌어올린다고 평가된다. TSMC는 2025년 2나노 공정에 GAA를 도입하기로 했다.

세계 최초로 3나노 파운드리를 양산한 삼성전자 화성캠퍼스(사진=삼성전자)

삼성전자는 채널을 얇고 넓은 모양의 나노시트 형태로 구현한 독자적 다중가교채널 트랜지스터(MBCFET) GAA 구조도 적용했다. 핀펫이나 일반적인 나노와이어 GAA 구조보다 전류를 세밀하게 조절해 고성능·저전력 반도체를 설계할 수 있다고 삼성전자는 설명했다. 나노시트 폭을 조정하면서 채널 크기를 다양하게 바꿀 수 있다.

삼성전자는 나노시트 GAA 구조에 3나노 설계 공정 기술 공동 최적화(DTCO)로 소비전력·성능·면적(PPA) 효율을 극대화했다고 소개했다. 삼성전자 3나노 GAA 1세대 공정은 기존 5나노 핀펫 공정보다 전력을 45% 아끼면서 성능은 23% 높이고 면적은 16% 줄였다. GAA 2세대 공정은 전력은 50% 줄이고 성능 30% 향상하는 한편, 면적 35% 축소된다고 삼성전자 측은 전했다.

삼성전자는 고객 요구에 PPA를 맞추고 단위 전력당 성능을 극대화해 차세대 파운드리 시장을 주도해 나간다는 계획이다. 삼성전자는 3나노 공정 고성능 컴퓨팅(HPC)용 시스템 반도체를 초도 생산한데 이어 모바일 시스템온칩(SoC) 등으로 확대하기로 했다.

최시영 삼성전자 파운드리사업부장(사장)은 “삼성전자는 파운드리 업계 최초로 핀펫·극자외선(EUV) 같은 새로운 기술을 선제적으로 도입해 빠르게 성장했다”며 “MBCFET GAA 기술을 적용한 3나노 공정 파운드리 또한 세계에서 처음으로 제공한다”고 말했다. 최 사장은 그러면서 “앞으로도 차별화된 기술을 적극 개발하겠다”며 “공정 성숙도를 빠르게 높이는 시스템을 구축할 것”이라고 강조했다.

정원철 삼성전자 파운드리사업부 상무, 구자흠 부사장, 강상범 상무(앞줄 왼쪽부터)가 30일 삼성전자 화성캠퍼스 파운드리 3나노 양산 라인에서 3나노 웨이퍼를 보여주고 있다. 뒤에는 직원들이 손가락으로 3을 가리키며 3나노 파운드리 양산을 축하하고 있다.(사진=삼성전자)

삼성전자는 시높시스·케이던스 같은 ‘삼성전자 시스템 반도체 파운드리 육성 생태계(SAFE·Samsung Advanced Foundry Ecosystem)’ 협력사와 3나노 공정 기반 반도체 설계 인프라·서비스를 제공하고 있다.

상카 크리슈나무티 시높시스 총괄매니저는 “시높시스는 삼성전자와 장기·전략적 협력 관계”라며 “삼성전자와의 GAA 기반 3나노 협력은 시높시스의 디자인·설계자산(IP) 제품으로 확장돼 고성능 컴퓨팅을 위한 SoC을 제공할 것”이라고 말했다.

톰 베클리 케이던스 부사장은 “케이던스는 삼성전자와 자동 레이아웃으로 회로 설계와 시뮬레이션 생산성을 높인다”면서 “삼성전자의 3나노 양산을 축하하며 계속 협력하겠다”고 강조했다.